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本期音频
我们要解读的是一本名为力量和弱小力量的书
也许你对这两种物理概念并不熟悉
但是在中学时你一定学过万有引力和电磁力
这四种力合二为一
就是自然界四大基本力
没有它们
就不会有今天的宇宙
虽然强大和弱小都和我们今天要讨论的内容有关
但是我觉得这本书的名字应该叫做西格斯波色子
这可是最近几年科学界的热门名词
很多新闻里都把它称作上帝例子
这个名字可能听起来有点耳熟
因为欧洲和研究中心二零一二年宣布确认存在西格斯玻骰子
这件事在当时引起了轰动
但是为什么会有这么大的新闻呢
西格斯波骰子到底有什么重要呢
你也许还不知道
我们可以用另一种物理学术语来比喻
引力波
这是媒体争相报道的
美国宇航局于二零一六年初宣布
人类首次捕获引力波信号
那是人们认为引力波是证明广义相对论的最后一个谜题
那么西格斯玻骰子呢
这是最后一块拼图
但它证明了一种理论
叫做标准模型
几可能不太了解这个理论
但标准模型是物理学中最复杂最复杂的理论之一
堪称人类智慧的巅峰之作
几十个诺贝尔奖都是围绕着这个模型而诞生的
引力波的发现证明了广义相对论是正确的
西格斯玻骰子的发现也正是了标准模型的正确性
这两个发现都是理论先于实验的结果
科学家们猜测应该是真的
可以说
近十年来
物理学界最重要的发现就是引力波与西格斯波色子
那么在本期音频中
我们将详细介绍一下西格斯波色子
这本书是由一个名叫大利伯斯的日本物理学家写的
大利博斯是加州科技大学物理教授
加州理工可是物理学家的圣地
加州理工的希尔顿
当然
希尔顿只是电视里的虚拟人物
接下来我们要讲的就是加州科技大学的几位著名科学家了
加州理工的一位物理教授来给我们讲这个故事
那就再合适不过了
那么接下来
我会从三个方面来解读这本书
第一个问题
我们先从书名开始解释
为什么强大和弱小在这个世界的重要性
第二个问题
西格斯玻骰子扮演着怎样的角色
第三
为什么西格斯玻色子是界近几年物理学的重要发现
首先
让我们看一下
为什么强弱力量对于这个世界来说很重要
我们知道
这个世界是由物质构成的
物质之间存在着各种各样的相互作用
物理学家们用力来表示这种作用
但是
长期以来
人们只知道两种力
一种是万有引力
一种是万有引力
还有一种是电磁力
它和引力有点不同
它不但能吸引人
还能排斥人
你肯定知道
磁铁互相排斥
互相吸引
这是电磁力的作用
然而
在二十世纪
物理学家们发现了原子
使我们认识世界打开了一扇全新的大门
然而
物理学家却发现了一件非常奇怪的事情
我们高中物理课上学过
原子核是由中子和质子构成的
中子不带电
质子带正电
可你想过没有
电磁力是同性相斥的
嗯
那为什么那么多带正电的质子挤在原子核里
却不会因为电磁力的排斥而被弹开呢
这里一定存在着一种新的力量
这种力量比电磁力更强
只有这样
才能把质子聚集到原子核里
才能把同样带正电的质子聚集起来
科学家们将这种比电磁力更强的力称之为强相互作用力
很快
人们就发现了另一种力量
这种力量比电磁力要弱
所以人们自然而然的把它命名为弱相互作用力
弱小的力量有什么用
科学家们发现
原子会产生放射性
比方说著名的放射性元素雷
由居里夫人发现
那么原子核为什么会发生这种变化呢
这就是弱力的作用
至此
科学家们发现
宇宙中有四种力
重力 电磁力
强力 弱力
任何一种力量对于这个世界来说都是非常重要的
引力暂且不说
大家都知道
电磁力是电磁力的统称
它能将原子聚集成分子
分子聚集成物质
如果没有电磁力
我们的身体就会被撕成碎片
没有强大的力量
质子不可能聚集在原子核里
也不可能形成大部分的物质
至于弱者
同样重要
比方说太阳能够持续稳定的燃烧
为地球上的生命提供源源不断的能源
主要靠的是弱力
因为太阳的燃烧实际上是一种核聚变
在太阳内部
两个质子汇聚在一起
形成氦原子核
同时释放能量
在这个过程中
两个质子都带着正电
想要撞在一起是非常困难的
但在弱力的作用下
其中一个质子会偶然转化为中子
从而和另一个质结合在一起
而且
我们还得感谢弱小的力量
所以这种转化只能慢慢的发生
太阳的寿命只有一亿年
不会在一瞬间燃烧殆尽
总而言之
如果没有任何外力
我们的宇宙将不会如此
我们将无法存在
更有趣的是
强弱力解释了宇宙中所有事物都有质量的原因
这个质量和我们通常所说的重量差不多
这里就不讨论这个概念了
比方说
为什么一个人的体重会达到一百五十公斤
你也许从来没有想过这个问题
这难道不是理所当然的吗
这还用问吗
但实际上
对于物理学家来说
质量是一件非常神秘的事情
宇宙中大部分的质量都集中在原子的原子核上
而原子核中又以质子和中子为主
如果不算暗物质的话
那么质子与中子就是宇宙中绝大部分质量的集合体
然而
质子与中子并非最基本的物质
后来发现
他们都有一种叫做夸克的基本粒子
这位物理学家名叫盖尔曼
来自加州理工
盖尔曼
不管是质子还是中子
由三种不同的夸克组成
然而有趣的是
如果你仔细计算的话
你会惊讶的发现这一点
质子和中子的质量并不等于三个夸克之和
换言之
如果质子质量等于一公斤
那么由三个夸克组成的质量又会如何呢
大约十克只占质子质量的百分之一
真是奇怪
那其他百分之九十九质子的质量又是怎么来的呢
答案只有一个
实际上
我们百分之九十九的重量都来自于夸克之间的强力转换
在质子内部
三个夸克被强大强大的能量聚集起来
我们知道
爱因斯坦有个著名的智能方程式
它等于MC平方
即能量等于质量乘以光速的平方
能量和质量是可以相互转化的
这些能量可以通过公式计算出来
从而计算出相应的质量
这就是质子和中子百分之九十九的质量来源源
这也是宇宙中百分之九十九的质量来
不过
这百分之九十九的转化并不是最让科学家头疼的
而是剩下的百分之一
如果质子质量为一公斤
那么由三个夸克组成的夸克只有十克
那为什么石刻的质量才是真正的麻烦呢
因为对于物理学家来说
这些粒子是没有质量的
按照物理学家们的理论
不管是夸克还是电子
都应该是零质量的基本粒子
嗯
这个问题困扰了物理学很长时间
它最终解决了这个神秘的名词
西格斯
波瑟茨
那么接下来我们要讲的第二部分
西格斯
波色子是什么
为什么它是构成世界的钥匙
正如之前所说
世间万物百分之九十九的质量都是夸克之间的强大转化
剩下的百分之一
就是各种基本粒子的质量
不过物理学家一直没搞明白
为什么基本粒子会有质量这种东西呢
你也许会觉得这个问题很荒谬
难道质量不是宇宙万物的基本属性之一吗
不过对于物理学家来说
这并不是一件容易的事情
这就涉及到物理学的一个基本问题
物理学家们认为
所有的基本粒子都可以用同样的理论框架很重述
场这个概念在物理学里面很重要
比如引力
其实就是由引力场产生的
电磁力通过电磁场产生
规范场也是如此
我们就不详细解释什么是规范场了
因为这涉及到了很多高深的数学理论
简单来说
就是一套通用规则
只要设定不同的初始参数
就能对应不同的对象
例如
第一个提出规范场的德国数学家威尔
他发现只要设定一个规范场理论的参数
就能描述麦克斯韦的电磁场
这是规范场理论的开端
一九五四年
杨振宁和他的学生米尔斯发现把规范场的初始参数改成了另一种形式
一们提出了杨
米尔斯理论
杨振宁之后
发现夸克的盖尔曼又向前迈进了一步
盖尔曼又发现
如果把扬
米尔斯理论中的参量再扩大一些
那么规范常理论也可以用来描述力
你看
这是一个很神奇的理论框架
只要设置不同的参数
它就能对应三种不同的力量
正因为如此
物理学家们毫不怀疑
这个框架一定是正确的
然而
这个理论却有一个致命的缺陷
那就是无法解释粒子为什么会有质量
比方说
从规范场的理论框架来看
所有的力都有相似的模式
就像是把某种粒子扔来扔去一样
例如电磁力
本质上是两个电子互相抛出光子
类似的
强力就是把叫做胶水的东西扔来扔去
胶子就是胶水的粘合剂
同样的道理
弱力就是把两个叫做w和z的拨骰子扔来扔去
原理大同小异
既然原理是一样的
那么不同的力对应的粒子性质应该是差不多的
比如科学家们已经知道了
在电磁力中抛来抛去的光子都是零质量的例子
按照常理论热力学中的两个拨骰子都应该是零质量
但是奇怪的是它并不是这样
在弱力中到处乱飞的拨骰子是质量很高的
正因为如此
弱力才无法传递到更远的地方
只能在很近的距离内使用
远不如电磁力
这让科学家们百思不得其解
理论不符合事实
难道规范场理论有问题
为此
科学家们不得不假设
宇宙中还有一个神秘的厂存在
这是我们以前所不知道的
不同粒子作用于工厂
产生不同质量的物质
这个工厂叫做西格斯厂
那么
西格斯厂又是如何赋予各种基本粒子质量的呢
你可以想象一个巨大的音乐厅
到处都是狂热的粉丝
但是这些粉丝对不同的人反应却不一样
如果你只是个路人小透明
那你大可以安安静静的从广场上走过去
没有任何阻碍
粉丝们也懒得搭理你
但如果你是明星
那就完全不一样了
无论你走到哪里
都会有狂热的粉丝蜂拥而至
名气越大
就会有更多的粉丝扑上来
从物理角度来说
没有质量的光子就像是一个无名小卒
它不受西格斯场的影响
所以它可以在空间中自由穿梭
但是电子和夸克不同
他们都是有点名气的人
所以西格斯厂会对他们产生影响
就像是粉丝扑向你一样
名气越大
粉丝越多
质量也就越高
如果大家都是明星的话
那么那夸克肯定比电子更出名
所以呢 这样
物理学家通过西格斯场假设
解释了各种基本粒子质量的来源
但是
科学讲的是证据
我们需要确凿的证据来证明这个西格斯场真的存在
这是什么证据
这个例子非常重要
我们经常提到西格斯玻骰子
什么是西格斯玻骰子
它其实是一种由西格斯厂产生的例子
我们把西格斯厂想象成广场上的粉丝们
他们会在广场上转来转去
寻找明星
每个人手里都拿着荧光棒
当他们转动时
你会看到从各个方向不断闪烁的荧光棒
这种闪光被称为西格斯玻骰子
总之
西格斯场是西格斯玻骰子的产物
如果我们能找到西格斯钵骰子
就能直接证明西格斯厂的存在
不过
想要找到西格斯钵骰子并不容易
因为西格斯玻骰子的衰变速度太快了
而且我们不知道西格斯波骰子的质量
也不知道它会变成什么样的例子
这就像大海捞针一样
想要把所有可能都检查一遍
难度可想而知
科学家于一九六四年提出了西格斯波骰子猜想
此后四十八年间
科学家们一直在苦苦追寻这个例子的踪迹
因为等待的时间太长
以至于诺贝尔诺贝尔物理奖得主莱德曼在书中把这个例子称为该死的例子
该死的英文是高傲的时间
但后这个词很粗俗
所以在出版的时候
编辑把这个词改了
去掉了后面的嗒
剩下的就是上帝了
所以
西格斯波色子被称为上帝粒子
实际上
它和神没有任何关系
不过有趣的是
这个词在很多人的心目中还是很流行的
虽然大家都不知道什么是西格斯波色子
但听到上帝粒子这个词
所有人都觉得这个词很牛逼
不要小看这个绰号
当初美国议会否决了超级加速器的建造
就是因为他们根本不知道西格斯波色子到底是个什么玩意儿
为什么要花一百亿美元造一台机器来发现它
自从他获得了上帝粒子的称号之后
欧洲的加速器就变得更加顺利了
众人这才恍然大悟
原来这个加速器还能发现上帝粒子
虽然贵了点
但也值了
所以
为什么LHC没有在美国建造
而是在欧洲建造
西格斯伯色子是欧洲核子研究所发现的
这和他的绰号有很大的关系
这是第二部分的解读
五
我们讨论了西格斯厂存在的西格斯玻骰子
西格斯场是基本粒子的质量来源
除了解释质量
西格斯厂还有更重要的物理意义
为什么西格斯玻骰子是物理学中最重要的发现之一
因为这是物理学走向统一的关键
我们中国人从来都是一统天下的
什么是物理学家的大一统
他想要把所有的物理现象都集中在一个统一的理论框架里
用一个通用的公式来解释宇宙中的一切
但是
正如我们之前所说
宇宙中有四种力对吗
引力 电磁力
强力 弱力
这四种力需要用四个不同的物理理论来描述
比如引力是相对论
电磁力是麦克斯韦电磁理论
对物理学家来说
这显然不合常理
为什么大自然会多此一举创造出四种不同的力量
但自从西格斯常理论被提出后
人们才逐渐意识到问题出在哪里
前面提到过
在电磁作用下交换粒子是光子
弱力交换粒子是w和z
二光子没有质量
w和z波骰子有质量
因此电磁力和弱力的差别
那么为什么两个波色子都有质量呢
正如我们之前提到过的
西格斯厂里的反应不同
光子是透明的
而另外两个波色子则比较出名
所以才会有质量
那么问题来了
西格斯厂为什么会有这样的区别呢
这到底是怎么回事啊
二十世纪六十年代以后
科学家们发明了一种叫做对称自发破裂的巧妙解释
这个概念听起来有点困难
我们还是把它比作影迷
你可以想象
一开始的时候
每个粉丝都是闭着眼睛
面向不同的方向
但接下来发生了一个关键的变化
所有的粉丝都睁开了眼睛
看向了一个方向
这个关键性的变化是自发的对称性破缺
变化发生之后
就会产生变化
如果粉丝们恰好转向东边
那么他们就能看到东边来的明星
然后扑上去形成质量
而其他方向的明星
他们看不见
也不会有什么反应
西格斯场就是如此
他一开始根本不理会所有粒子
可以说是一视同仁
然而
在宇宙诞生后不久
西格斯场面发生了对称性的自发破缺
有些粒子能与西格斯厂发生反应而获得质量
而另一些粒子则一直受到冷却域
从而导致不同的基本粒子产生差异
这个解释后来被温伯格
萨拉姆
格拉肖等三位物理学家证明了
光子与WC波骰子之间的区别
其实是由对称性自发破缺引起的
证明它有用吗
这说明电磁力和弱力在对称性自发破缺之前
其实并没有什么区别
这个理论叫做电弱统一理论
电极电磁
力弱则力弱
这是物理学中最重要的一步
它证明了四种自然力中的两种力是完全相同的
只是因为西格斯场的对称性自发的打破了
这可以说是给物理学家们大一统的信心注入了一剂强心剂
从此以后
绝大多数人都相信
宇宙中原本只有一种力量
但随着时间的推移
这四种力量就变成了四种不同的力量
好的 好的
这样一来
物理学家们就有了一个终极目标
那就是将四个力统一起来
这是宇宙的终极奥秘
也是物理学的最高荣誉
再把电磁力与弱力统一起来后
科学家们就逐渐的把力拉进这个框架中
正如我们之前所说
这三种力都是由一个理论框架来描述的
只不过需要设置不同的参数而已
以电弱统一理论为基础
将三个参量结合起来
得到了一种能同时描述三个力的模型
型及粒子标准模型
这个模型能够精确的预测到宇宙中存在六十一个基本粒子
其中有六十个被物理学家发现
其余的呢
西格斯波骰子是最后一类
所以
现在你能理解为什么欧洲和研究中心二零一二年宣布确认西格斯波骰子存在
将会是一个爆炸性的消息了吧
嗯 因为首先
它证实了存在
西格斯场解释了所有物质的质量来源
第二
它为粒子标准模型奠定了坚实的基础
为物理学的统一打下了坚实的基础
然而
物理学才刚刚起步
还有很长的路要走
因为标准模型并不是将电若强三种力量统一起来
而是将电磁力和弱力相结合
电磁力和弱电之力是完全融合在一起的
嗯
而且还有一些实验证据不支持标准模型
所以我们也不知道这个模型是不是真的
而且对于引力
我们仍然束手无策
也没有什么好办法能把引力与其他三种力完美的结合起来
如果你对物理感兴趣的话
一定会听说过超显理论
m理论
这两种理论在物理学界结合起来
他们研究的就是如何将引力与其他三种力量结合起来
不过这些理论目前还不能证明
因此统一宇宙中所有四种力的目标目前仍是遥遥无期
如果有一天
有人能够完成这个目标
那么他的地位绝对不会比牛顿
爱因斯坦差
好了
这本书就到此结束
让我们回顾一下本期音频内容
今天我们讲了很多物理学中很重要的概念
比如强弱力
弱力 质量
标准模型等等
但如果你听完这本书
我觉得西格斯波骰子才是最值得记住的
它就像一个枢纽
可以把所有的概念串联起来
第一部分
我们讲到了力
弱力 电磁力
这三种力看起来是完全不同的
但实际上
它们是由西格斯场的对称性自发破缺造成的
本质上是一样的
在第二部分中
我们解释了世界上所有物质的质量来源
再往深一层
就是西格斯场了
西格丝场对不同粒子的态度不同
导致不同粒子的质量也不同
比如新闻中中经常出现的西格斯玻骰子
便是西格斯场的产物
直接证明了它的存在
西格斯钵骰子的发现
为粒子标准模型提供了有力的支持
为什么西格斯钵骰子是近几年物理学的重大发现之一
正是因为它的强大
才让我们朝着这个目标迈进了一步
虽然标准粒子模型并不是宇宙的终极理论
但它却是人类历史上最伟大的成就之一
今天我给你介绍的
其实并不是这个理论的全部内容
请相信
如果你能真正理解这个理论的话
一定会像大利伯斯写的那样
发自内心的赞叹
人类是多么了不起