·女子被外省鐵警帶走調查死亡·男子玩遊戲嫌新婚妻子太嘮叨 用電棍將其電暈
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  (第五篇 第二十一章 天地之合)

  四

  基礎還原法的目標無非是要在追根溯源的不斷發現中找到構成萬物的盡可能少的基本元素或基本粒子。二戰結束後的二三十年堙A隨著觀測和實驗條件的大大改善,從宇宙射線中觀測到的,從高能對撞機中撞出來的,“基本粒子”的清單非但沒有縮短,反而越拉越長,現在竟達到了幾百種之多!還記得蘭姆吧?他的“蘭姆位移”引致QED的建立,他也為此獲得1955年的諾貝爾物理學獎。在一次演講中他調侃道:以前每一個基本粒子的發現幾乎都要產生一個諾貝爾獎,現在我建議,對每位發現基本粒子的科學家處以1000美元的罰款。

  從泰勒斯的一個“始基”,到現在的幾百個“基本粒子”,人類幾千年統一世界的探索說明了什麼道理?誇克模型建立的實踐似乎給我們一個啟示,世界的簡單性不是“發現”出來的,而是“發明”出來的。以觀察為基礎隻能建立“核民主”的世界模型——複雜而無效,而我們一開始就從有效性出發製定理論標準,簡單性就向我們發出了會心的微笑。因此科學家變得聰明了起來——不要再費神去“發現”比已發現的幾百種基本粒子更基本的粒子,而是去“發明”一個能解釋所有這些粒子的盡可能簡單優美的理論模型。這就是綜合量子力學半個多世紀的理論成果,並且在厚重的經驗基礎之上,於上世紀六十年代後逐漸建立起來的“粒子物理的標準模型”。

  我們來作一下“本質還原”:其實世界隻有兩種粒子——費米子和玻色子,前者具有半整數的自旋,服從不相容原理,後者具有整數的自旋,不服從不相容原理。由於這種本質規定性,二者在建構世界中擔負了不同的角色:前者負責構成有形狀有硬度的物質,後者負責傳遞相互作用力,形像一點:費米子是世界大廈的磚塊,玻色子是連接這些磚塊的混凝土。

  現在我們的思路就清晰多了,已經發現的所有粒子,不管是自然觀測到的,還是用加速器製造出來的,無非費米子和玻色子兩類,那麼要說明這兩類粒子,我們最少需要多少個粒子?具體說,最基本的費米子和最基本的玻色子到底是多少?

  標準模型告訴我們:最基本的費米子隻有三“代”。每一代費米子都有兩種誇克(重子)和兩個輕子。重子是上型誇克和下型誇克,輕子是電子和中微子。由於每種誇克都有三種顏色,所以每代誇克共有6個,加上2個輕子,每代費米子共8個。

  第一代費米子上節已經說得很多清楚了,上型誇克即上誇克(u),下型誇克即下誇克(d),誇克具有質量、電荷、味荷和色荷,分別對應於四種自然力——引力、電磁力、弱力和強力,因此是唯一一種參與所有四種相互作用的基本粒子。電子有一個負電荷,有質量,但沒有色荷,因此不參與強相互作用。中微子的全稱是“電子中微子”,因為它總是電子的伴生物,是為解釋β衰變的能量虧損而發現的,它不帶電荷,質量微小到長期以來科學家們認為它沒有質量,因此除了弱力,其他的自然力對它幾乎不起作用。

  其實要解釋自然存在的物質,第一代費米子基本上就夠用了,第二和第三代費米子解釋的是加速器和宇宙射線中觀測到的粒子,這些粒子一般都有比較短的半衰期。

  第二代費米子的上型誇克是粲誇克(c),下型誇克是奇誇克(s)。作為同型誇克,粲誇克與上誇克,奇誇克與下誇克,具有嚴格的對稱性,除味荷(c和s)外其他的量子數都是一樣的,但質量大得多,粲誇克的質量是上誇克的約500倍,奇誇克是下誇克的約20倍。第二代電子叫μ子,相伴的中微子自然是μ子中微子嘍。差別也在質量,μ子質量是電子的200倍。怎麼那麼耳熟呀?對,就是講湯川秀樹時講到的,安德烈於1937年在宇宙射線中觀測到的粒子。1964年茨威格和蓋爾曼提出誇克模型時都隻有三種誇克,即標準模型堛漱W、下和奇誇克。奇誇克是為解釋從宇宙射線中發現的Κ和Π強子的。當年就有物理學家提出應當增加一個誇克與奇誇克構成一組,與上、下誇克對稱。沒見過的都是漂亮的,因此給這個假設的誇克起名“粲”(charm,魅力)。1974年兩個研究小組同時發現了一個介子,其中一個小組的領導是華裔物理學家丁肇中,把雙方起的名字合起來稱為“J/ψ介子”。起初認為是正反電子對,但質量對不上號——重達質子的3倍。一琢磨才恍然大悟:原來正是遍尋不得的粲誇克!J/ψ粒子不過是正反粲誇克對。粲誇克的發現使物理共同體相信了誇克模型。丁肇中也因這一重大發現與另一位同時發現這個粒子的物理學家分享了1976年的諾貝爾物理學獎。

  第三代費米子是:頂誇克(t)、底誇克(b),τ子和τ子中微子。除了味荷外,最大的差別還是質量。最恐怖是是頂誇克,質量是上誇克的70000倍,粲誇克的134倍,跟一個金原子的質量相當。第三代誇克也是先起名字後生子,名字是1975年一位以色列物理學家起的,1977年底誇克被美國費米實驗室發現,而頂誇克則一直到1995年才同樣被費米實驗室發現。這全靠了對撞機無以倫比的高能量,這種出現概率極低的粒子,在×10-24秒的瞬間就衰變成了其他粒子。這就說明了它為何那麼難被發現。頂誇克的發現標誌著標準模型建設竣工並且得到公認。

  上麵所列的“最基本”的費米子總共24個,每個費米子還有它的反粒子,這樣算來,標準模型的費米子總共48個。

  下來就是玻色子了,它們對應於相互作用力。我們知道,作用力總共四種,但在亞原子粒子的層麵,粒子的質量都相對極其微小,引力效應不是可以忽略不計,而是你要“計”也探測不到。因此標準模型隻關涉其他三種自然力,包括三類波色子:電磁力——光子;弱核力——W+、W-、Z0波色子;強核力——八種膠子;總共是12種玻色子。玻色子自己是自己的反粒子,因此總共24個玻色子。

  好了,有了48個費米子和24個玻色子總共72個基本粒子,我們就可以解釋天上地下,一切物質和一切運動。這是一個很漂亮的模型,具有優美的邏輯流形,完美的對稱性,從許多粒子先起名後出生我們就可以體會到之一點。奇妙的是,這個模型邏輯需要的所有粒子,全部都被觀測驗證,具有紮實的經驗基礎。粒子物理的標準模型不愧是二十世紀物理學天空最耀眼的一顆明星!

  那就收工睡覺?且慢!標準模型還有第73個基本粒子——希格斯玻色子,這個粒子目前還沒有實驗證據。唉!收不了工,覺還是要睡的,明天再開工吧。

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  圖21.9 粒子物理的標準模型

  




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  (第五篇 第二十一章 天地之合)

  五

  得先說說希格斯玻色子的前史。

  標準模型可不是簡單的一張基本粒子表,她凝結了量子力學半個多世紀的成果,特別是關於電磁作用和強力作用的理論QED和QCD。就比如玻色子表的一號粒子,熠熠生輝的光子,就向人們講述著一個意蘊雋永的故事:1905年的橫穿出世,1920年代的玻—愛統計,1930年代的量子場論,乃至50後的QED,光子已經成長為充斥天地的一張大網,除了引力現象,我們肉眼能看到的幾乎所有的運動現象都可以從光子場(電磁場)中搜索到答案。人類已經發現了幾千年的“同性相斥,異性相吸”的電磁現象,標準模型才給出了它的形成機製,而牛頓力學中最重要的概念之一——“作用力(F)”,無非是亞原子層次光子承載的電磁作用的剩餘,正如早期核物理學假設的強力作用不過是核子內膠子承載的強力作用的剩餘。

  科學家統一世界的方法,說到底都是“對稱性”方法,簡單說就是在異質性中發現同質性,通過變換發現不變性。每一種對稱都對應著一個守瓻腄G空間對稱對應著動量守琠w律,時間對稱對應著能量守琠w律,轉動對稱對應著角動量守琠w律。這是1915年德國女數學家艾米·諾特(E.noether)提出的“諾特定理”。利用這個原理,我們再回頭審視一下愛因斯坦啟動的統一之旅:自然力之間有何對稱性?

  萬有引力定律雖在牛頓體係中占據著公理的地位,但引力作用的機製卻完全是個迷。牛頓假設這是一種超距作用。假如太陽在某一瞬間湮滅,地球就會在這一瞬間改變她繞日運動的軌跡。直至愛因斯坦的廣義相對論,才驅除掉這種幽靈般的超距作用。引力不過是時空彎曲的效應,這種效應以光速傳導,地球會在8秒鍾後才能作出反應。對稱性思維使愛因斯坦一輩的物理學家由電磁場而孕生出“引力場”概念。而我們遊曆過量子場論的朋友們已經有足夠的知識假設引力場由一種無質量(否則達不到光速)的玻色子(否則不可能無孔不入)——“引力子”構成。不過這是後麵的故事,我已經說了,標準模型不涵蓋引力。

  但我們可以用這個方法來規劃我們統一涉亞原子層次的三種自然力的統一大業。無論哪一種,都是費米子交換玻色子的行為,玻色子是傳達作用信息的信使粒子。當然不同的作用力有不同的特點,也就需要不同的玻色子傳遞信息。

  我們先看最普通的電磁力,是通過電磁場實現的。電磁的狄拉克場有一種叫相位的信息。相位零點整體取任何值,物理結果不變,這是一種整體的對稱性。這相當於說,世界上的每個國家都可以把太陽在正上方的時間定為12點,那麼一張作息時間表可以全世界通用,生物結果是一樣的,在美國符合人體的生物學規律的,在中國也會同樣符合,我們就說,全球時間具有“整體規範對稱性”。電磁場的這種整體的規範對稱性就產生了一個守瓻腄X—電荷守琚A正負電子對撞必產生電中性的光子,反之光子場漲落產生電子對也必須一正一負,電磁過程的初態和末態的電荷量一定嚴格相等。

  但是如果允許不同的時空點取不同的相位零點,也就是自由的選取規範呢?就相當於紐約以太陽在正上方為12點,北京以太陽於正上方為零點。那麼紐約的作息表拿到北京來施行,北京人就隻得在暮色中起床工作,生物結果就會完全不同。那麼,對稱性是否就一定會崩潰呢?電磁作用是否可以違反電荷守琠w律呢?很明顯,對稱性一定會被破壞。但是有補救措施。科學家發現,隻要引入一個規範場,抵消掉相位隨時空變化所產生的作用,對稱性又恢複了。這種對稱性叫“局域規範對稱性”。相當於紐約的那份作息表傳達到北京時,還附帶一個規範,比如格林威治時區表,北京人根據這個規範調整自己的時間,於是同樣的生物學效果又產生了。電磁的規範場就是光子,她擔負著費米子間傳遞電磁作用的職能,她不僅僅攜帶能量,還攜帶電磁場的“規範”——有關電荷的信息。那麼費米子接到光子傳達的信息,她就會做出正確的反應,該趨近(異性)呢還是該遠離(同性)呢?

  這可能不太好懂,咱不去管他,隻要知道,相互作用力就是一個規範場,在這個規範場是的不同量子態的粒子在相互作用中除滿足普適規律(如能量守琚^不被破壞外,這個場的特殊規律(如電磁場的電荷守琠w律)也不被破壞。而建立這個規範場的關鍵,就是要找到合適的“規範玻色子”,在電磁場中這就是光子。物理學家尋找規範玻色子的數學工具叫“群論”,形像地說就是有限種對稱變換的一個集群。電磁場隻涉及一個因子——電荷,可以建立一個最簡單的U(1)規範群,這個規範群的邏輯結果是,一個無質量的電中性的玻色子就可以建立起電磁場的局域規範對稱性。

  方法有了,接下來我們就該建立弱相互作用力的規範群了。弱力比電磁力要複雜一點,它不僅涉及到電荷,還涉及到味荷,作用的費米子,不僅是帶味的誇克,還涉及到不帶味的電子和中微子雙重態(β衰變中味是不守琲滿I)。1961年,在波爾研究所讀博士後的29歲的美國科學家格拉肖(Sheldon Lee Glashow)挑戰弱力模型。考慮到雙重態的變換,需要用一個SU(2)群來描述,根據這個模型,需要有三種玻色子來傳遞變換信息:命名為W+、W-和W0,第一種帶正電、第二種帶負電、第三種電中性。還有一種叫“弱超荷”的跟電荷有關的信息需要傳遞,這又需要一個U(1)群,這個群的信息需要一個電中性的玻色子——B0來傳遞。弱力場也就是一個SU(2)×U(1)規範群。這兩個群相乘,W0 和B0就混合成兩種新粒子——Z0和γ。奇跡發生了——

  弱力方程推導出了四種玻色子——W+、W-、Z0和γ,但弱力的傳遞隻需要前三種就夠了,怎麼多出了一個玻色子——γ?而這個玻色子不是別的,她正是電磁場的光子!這就意味著,電磁力和弱力可以用同一個方程來描述,二者的數學模型是一樣的。這將是一個驚人的預言,弱力和電磁力是同一種力的不同呈現,可以建立統一的電弱場。正如當年麥克斯韋用同一方程描述了電場和磁場的以後,電磁統一場很快就被觀測證實,人類由此掌握了電磁力,最終導致了以電力使用為標誌的第二次工業革命,大大地推動了人類曆史的進程。

  又一次物理學的狂歡?現在還高興不起來:規範群要求信使粒子是無質量的,而弱力玻色子又恰恰不能沒有質量。這是一個悖論。希格斯該出場了。
  




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  (第五篇 第二十一章 天地之合)

  六

  弱力玻色子為什麼不能沒有質量?信使粒子是服從不確定性原理的虛粒子,能量必須在與之共軛的不確定時間內歸還。信使粒子的作用範圍與存活時間成正比,由△t?h/△E的關係式我們知道,虛粒子的存活時間與它的能量(質量)成反比。比如光子沒有靜止質量,能量幾乎為0,因此時間幾乎任意長,作用範圍任意大,這就決定了電磁作用是一種長程力。弱力怎麼就不能跟電磁力一樣是長程力呢?如是將是一部最恐怖的恐怖片!弱力的效應是β衰變,一種元素變為另一種元素。弱力是長程力,將意味著世界將失去穩定性,所有物質瞬息萬變,別的不說,你體內時時刻刻發生的β衰變所產生的β射線就決不會讓你看到明天的太陽。幸運的是,弱力是一種短程力,弱力玻色子能存活的時間使它們隻有很小的概率能引力β衰變,像隧穿效應一樣。邏輯上,弱力玻色子就應有一個足夠大的△E。格拉肖的模型優美而自洽,理論上無懈可擊,可就是與實驗結果不符。格拉肖自己也很困惑:“為什麼隻有光子無質量?”

  1950年代後是量子力學發展充滿著蓬勃生機的年代,物理學家有的眼睛向上,構建越來越抽象的理論模型,另一部分眼睛向下,把理論轉化功能神奇的技術,比如半導體、激光和超導。在超導研究中發現一個很奇怪的現象:把超導體放在一個磁場中,超導體自身會產生一個磁場,這個磁場能夠精確的把外加磁場抵消掉或說屏蔽掉,超導體自身成了外加磁場水潑不進針插不入的獨立王國,所以一塊磁鐵會浮懸在超導體的上麵,懸浮高速列車運用的就是這個原理。科學家相信,隻有量子力學才能解釋這個現象。1956年,一位26歲的美國物理學家堜龤P庫珀提出了“庫珀對”模型,簡略地說:在超導的特殊環境下,本該相斥的兩個電子可以結成一個庫珀對,由於兩個電子運動方向是相反的,因此淨動量精確為0。在量子力學中,不確定稀疏平常,一確定就肯定有事。按不確定性原理,動量完全確定,位置就完全不確定,庫珀對理論上會占據所有的空間,估計實際上一個庫珀對占據的空間是一個原子占據空間的幾千倍!正是這種空間占有能力奇強的庫珀對場,把外加磁場屏蔽掉了。

  庫珀對是由兩個自旋1/2的電子組成的,總自旋為1,效應上相當一個玻色子,所以庫珀對場是一個玻色子場。屏蔽外加磁場是什麼意思?電磁場不過是由無數光子以光速運動編織成的大網,在電磁場中光子身輕如燕,我們不可能把自己加速到與光子等速的相對靜止位置,在這個位置上測量光子的質量,所以我們說光子無靜止質量。記住嘍,現代科學的一個基本態度:千萬不要站在的角度而要站在觀察者的角度搞科研,如果觀察者做不到的事,這件事就不存在。然而光子進入庫珀對場,她隻能走很短的距離就被“屏蔽”了,我們完全有可能取得測量她靜止質量相對靜止位置——光子有質量了!庫珀由於超導的理論成果,與另二位物理學家分享了1972年的諾貝爾物理學獎。

  再回頭看格拉肖模型的四個電弱玻色子,她們擔負著不同的信息傳遞任務,革命分工不同,但無質量這一點上,她們是一致的,或者說具有嚴格的對稱性。這點有錯嗎?你說實驗已經證明是錯了。但是打住,實驗隻能證明現在,不能說明過去。我說當年我比張三強,因為他成績不如我;我說當年李四比我差,因為他品質很惡劣。現在張三官至一品,李四富甲天下,而我卻無權無勢,窮困潦倒,能證明我的話錯了嗎。當年作為同學,我們具有地位上的嚴格對稱性;以後進入社會,各人的環境、機遇不同,在成長的過程中愈來愈呈現出巨大的差別,這叫“對稱性破缺”。某些物理過程對稱性破缺是必然的,叫“對稱性自發破缺”。一支鉛筆以筆尖垂直在桌麵上,具有空間空間上的嚴格對稱性,但這種脆弱的對稱性任何一點微小的擾動都會使它破缺,鉛筆倒在桌麵上具有了空間上的方向性。那麼有沒有可能,格拉肖的模型是對的,觀測結果也是對的,對稱性是由理論定義的,對稱性的自發破缺是後天環境定義的?

  日本物理學家南部一郎最早從庫珀對場得到啟示,提出了通過對稱性破缺使粒子獲得質量的機製。1961年,32歲的英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)剛獲得愛丁堡大學講師職位,對自己將來的研究方向還懵媄j懂,這時南部的文章吸引了他,粒子物理從此束縛了他的一生。1964年,他在歐洲核子研究中心的《物理快報》(Physics Letters)上發表了《破壞了的對稱性、無質量的粒子和規範場》等兩篇論文,提出了 “希格斯機製”, 並預言了這種機製的一個產物——“希格斯玻色子”。 1967年,格拉肖中學和大學的同學溫伯格(Steven Weinberg)和巴基斯坦物理學家薩拉姆(Abdus Salam)把希格斯的對稱性自發破缺機製引入格拉肖模型,構造了一個成功的電磁力與弱力統一的理論,這個理論被命名為“溫伯格—薩拉姆模型”,解決了弱力玻色子的質量來源。

  根據希格斯的假設,空間彌漫著一個希格斯場,希格斯粒子是這個場的量子化激發態,這是個有質量自旋為1的玻色子(酷似庫珀對!)。在早期宇宙中,希格斯場是各向同性的,這也是標準模型中的規範玻色子嚴格對稱的注腳。但是大爆炸之後,由於不確定性微擾,這種對稱性很快地就自發破缺掉了,在時空上分化出了四個極化分量——兩個帶電的兩個中性的。電弱玻色子場與希格斯場耦合,“吃掉”兩個帶電的分量和一個中性的分量,從而獲得質量(約比質子質量大80~90倍),形成三種分別帶正電、負電和中性的玻色子,命名為W+、W-和Z0玻色子,而不與希格拉場發生耦合的玻色子依然沒有質量,這就是光子。所以三個弱力玻色子和光子本來都是一個班的同學,進入希格斯場這個社會後,由於融入(耦合)與不融入的區別,W和Z粒子為質量所累而步履蹣跚,光子出汙泥而不染保持無質量本色而秒行三十萬堙A對稱性就是這樣自發破缺了。希格斯場被“吃剩”的一個中性極化分量,就是“希格斯玻色子”——一種電中性、有質量、自旋為0的粒子。

  電弱統一理論被視作與麥克斯韋統一電場和磁場同樣科學奇跡,是現代科學統一大業自愛因斯坦以來第一次取得實質性的進展,邁出了踏踏實實的一大步,瑞典皇家科學院一激動就把1979年的諾貝爾物理學獎以“對基本粒子弱相互作用理論的貢獻”的名義授予了格拉肖、溫伯格和薩拉姆。一向處事謹慎的諾獎委員會這次可是冒了個天大的風險——“溫伯格—薩拉姆模型”預言的W±和Z粒子還沒有被實驗證實呢!1983年,位於日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN),意大利物理學家魯比亞(Carlo Rubbia)領導下的100多位世界各國科學家協作,通過質子—反質子對撞機發現了這三種玻色子,諾委會的委員們這才如釋負重,長籲了一口氣。下一年,就神速地把1984年的諾貝爾物理學獎授予了魯比亞,這大概也包括了感謝他對諾委會的救贖。

  其實更偉大的預言是“希格斯玻色子”。理論上,希格斯玻色子是一切質量之源,粒子——玻色子和費米子——通過希格斯場產生的空間彎曲就是一切物質質量的形成機製。這個預言太驚世駭俗了,一位美國物理學家萊德曼(Leon Lederman)寫過一本書,書名叫做《該死的粒子(goddamn particle)——假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》。編輯覺得goddamn這種罵人的話出現在書名上也太有失斯文,所以最後出版時改成了《上帝粒子(God particle)——假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》。自始“上帝粒子”成名。我不知道這個理論偉大到什麼程度,也許可以跟牛頓方程、相對論方程和量子力學方程比肩!可是“上帝粒子”還未被探測發現,這也是標準模型中唯一未被實驗證實的粒子。

  CERN於2008年9月啟動的大型強子對撞機(LHC)的首要任務就是找尋這種粒子。世界科學家都為此激動不已。這一年已經79歲希格斯說,如果發現了希格斯玻色子,他將打開一瓶香檳,還說希望能用這一好消息來慶祝自己的80大壽。而霍金則在接受BBC電台采訪時說他已出資100美元賭LHC不會發現希格斯玻色子。希格斯在一次晚宴上向一位記者說:霍金由於其特殊的名望獲得了本不該有的、順手拈來的權威性,同時他與其他領域的理論家們交流起來很困難。這事被媒體大肆炒作,希格斯未免尷尬,忙給霍金去信說明自己的本意。霍金表示對此並不介意。現在實驗進行三年,好壞消息不斷傳來,令人莫衷一是。咱們還是拭目以待吧。

  




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  補丁21.1

  希格斯機製的形像說明

  1993年,當時的英國科技大臣威廉·沃爾德格雷夫(William Waldegrave)向物理學家提出一項挑戰,用一頁A4紙的單麵說清希格斯機製。有人把它形容成一塊像木頭那樣擁有“紋理”的空間,雖然後者是抽象空間而非真實空間。順著紋理運動的粒子質量為零,比如傳遞電磁相互作用的光子;而那些逆著紋理運動的粒子則擁有較大的質量,比如傳遞弱相互作用的W玻色子和Z玻色子。最後脫穎而出的是戴維·卡通漫畫。我在網上搜到了被改得莫名其妙的這張漫畫,隻好湊合著用它們說事

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  圖一:物理學家們整齊地排在一個大房間堙A與附近的人愉快地交談。這象征一個平靜的希格斯場。這時愛因斯坦(代表無質量的基本粒子)昂首闊步地在門口出現。(這張圖改成了一個散布“愛因斯坦來了”謠言的喊話者)

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  圖二:愛因斯坦試圖穿越房間,四周的物理學家圍上去跟自己的英雄說話,中間混亂人群的團簇象征彎曲的時空——基本粒子與希格斯場耦合而獲得了質量。(本圖中刪掉了人群中的愛因斯坦)

  




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  計算機模擬的希格斯粒子衰變產生4個μ子的過程(紅色軌跡)。兩個質子在對心正碰過程中伴隨μ子產生的還有不計其數的其它粒子(藍色軌跡)。綠色線條代表探測器的部分結構。希格斯粒子是“希格斯場”的局部團簇。higgs場充滿著空間,其局部扭曲被認為是粒子獲得質量的方式。這副圖展示了higgs粒子可能在歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機的探測器CMS中發生的情況。

  




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  (第五篇 第二十一章 天地之合)

  七

  電弱統一固然居功至偉,但還是“小統一”,標準模型的第三種力——強力,還沒有劃入統一的版圖。受小統一成果的激勵,1974年格拉肖與另一位物理學家提出了一個SU(5)規範群的大統一模型,把電磁力、弱力和強力都統一到了一個數學模型。在這個模型中,規範玻色子是24個,比標準模型的12個整整多了一倍,這些新的玻色子又是一些新的場的信使粒子。模型是優美的,但需要實驗檢驗。這個模型作出了一個驚世駭俗的預言——質子衰變!當然不是指β衰變,在標準模型中,核子之間可以產生由於誇克變“味”而造成的核子間的互變,但核子始終是核子。在SU(5)模型中,質子的三個誇克可以衰變為一個反電子和一個介子,從而重子衰退變成輕子。於是質子衰變的探測成了一個判決性的實驗。幾所大學聯合,在地下600米建造了大型的質子衰變探測實驗室,曆時十年,結果一無所獲。有人稱之為“又一場科學的悲劇”,如托馬斯·赫胥黎所言:“美妙的理論被醜陋的事實絞殺”!

  不過標準模型仍不失為一個取得巨大成功的理論,從少數幾個基本理論——量子力學與相對論結合的量子場論、局域規範對稱性理論及對稱性自發破缺理論基礎和重正化理論——出發,流暢地演繹出一個結構優美的標準模型。這個模型不僅解釋了已經發現的所有“基本粒子”,不再需要給發現基本粒子的科學家開罰單,而且準確地預言了填補模型空缺的標準粒子。相應的,隻要是標準模型禁戒的亞原子粒子,如5個體奇異數的重子和3個粲數的介子,一個也沒有被發現。除引力外的所有自然力的作用機製,三個基本場涵蓋了令人眼花繚亂的粒子間的各種相互作用,還沒有發現有哪一種不屬於這三種基本場。從粒子加速器被發明以來,半個多世紀物理共同體積累下來數以萬億計的實驗事例,居然全部符合標準模型,無一例實驗反常!量子革命的先賢們,定然會為這個成果感到欣慰的。

  但標準模型還不是物理學的終極理論,還不是萬有之理。理由很明顯:引力還沒有包括進這個模型,強力還徘徊在統一陣線的外圍,這個模型預言的希格斯場和希格斯粒子還未被實驗證實,我們還無法預料“美妙的理論被醜陋的事實絞殺”的科學悲劇,會否在劇情發展到最後一刻的時候突然發生!

  不管怎麼說,咱們還是未雨綢繆,事先多準備一條出路吧。

  (第二十一章完)
  




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卍阿彌陀佛!阿彌陀佛!阿彌陀佛!嗡嘛呢唄美哄!嗡嘛呢唄美哄!嗡嘛呢唄美哄!卍
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好久沒有時間看了,現在回一個,加油我一定要看完。




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對於美女一類或者更為準確的說美圖一類,我不是羨慕那邊的美人美景,更能讓我膜拜的是對這美麗的背景後麵的那個男攝色。
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  (第五篇 虛空)

  第二十二章 宇宙的琴弦

  一

  1968年,物理學界標準模型的建設高潮中,26歲的意大利物理學家維尼齊亞諾(Gabriele Veneziano)正在歐洲核子研究中心(CERN)工作。一天閑來無事從一本舊數學書中翻出了二百年前瑞典數學家歐拉的一個不太起眼的純數學公式——歐拉β函數,他發現數學方程的律動與強力作用有不謀而合之處,由此得出一個迷人的強力作用公式,跟實驗觀測一比對,果然十分吻合。可是別說維尼齊亞諾,全世界的科學家都不知道這個公式的所以然,歐拉β函數還是一個有待數學解釋的公式,物理學家也不明白維尼齊亞諾公式的物理意義。直到1970年,芝加哥大學的南部陽一郎等物理學家才發現了這個公式的物理秘密:過去大家都把量子精靈看作是小不“點”,維尼齊亞諾則完全顛覆了她的形像,他的公式給人們描述了一根一維的“弦”!不,嚴格地說,小維描述的是一根“橡皮筋”,當它被拉長的時候,力量就會增強,收短的時候,力量反而是削弱了,與之前我們熟悉的引力和電磁力的作用機製恰好相反,而這正是強力作用的特征。後來“第二次超弦革命”的“革命領袖”威滕說過:超弦理論是二十一世紀物理學偶然落在二十世紀的碎片。一場新的物理革命的火種,就這樣在不經意間萌生了。

  然而弦狀量子不過是一部大型古裝戲堛漱@個漂亮的丫環,她的出場讓人眼前一亮,接下來觀眾的注意力又回到了點狀量子的主旋律。以點粒子為主角的粒子物理色動力學精彩絕侖,膠子的強力模型,漸近自由理論,優美而精確地敘述了核子的深閨秘事,天衣無縫,婉約動人,完全蓋過了弦姑娘的瞬間亮麗。

  惟有加州理工學院的物理學家施瓦茨老是忘不了這個漂亮的“丫環”。他想:“弦理論的數學結構太美了,而且還有那麼多奇妙的性質,一定關係著什麼更深層的東西。”1970年代初,巴黎高等師範學院的法國物理學家謝爾克(Joel Scherk)恰好來美國訪問,施瓦茨便和他兵合一處,借著微弱的希望之光,向著弦論深處摸索。還是維尼齊亞諾的思路,他們構建的是強力作用的模型。可是在建模過程中,他們發現模型總是不那麼清爽,要邏輯自洽總要產生一些“贅物”。這個困惑反而更刺激了他們的野心——弦姑娘可能本來就不是丫環命,強力不應是她的唯一角色,也許她注定就要在宇宙這部大戲中領銜主演。比如他們的模型邏輯上需要一個是自旋為2的無質量的玻色子,就酷似傳說中的“引力子”!或許還可以走得更遠,實現先輩們統一四種自然力的夢想。當然也有很糟糕的情況,比如這個模型還預言了一個比光速快的粒子——“快子”,這是一個無法與相對論和量子力學協調的怪胎。

  還有一個問題,經典量子力學的粒子是點狀的,數學上是沒有大小的點,而現在的弦卻是一維的線段,線動成麵?,經典的四維時空似乎就容納不下弦理論了。最初物理學家在建構玻色子弦論的時候就發現,至少要有26維的空間,才能建立邏輯自洽的數學模型。1971年,為了解決弦論能包容費米子的問題,施瓦茨和法國物理學家雷蒙德(Pierre Ramond)等人提出了自旋弦論,發現不僅可以將費米子納入弦模型,而且空間維也降到了10個,“快子”也從這個模型中消除了。但無論26維或10維,都是很瘋狂的提議。好在人們還記得幾十年前愛因斯坦導演的那場統一場論大戲的插曲,卡魯紮和克萊因已經提出過額外維的思想,並且給出了額外維不被觀測發現的理由,現在的多維理論不管被不被接受,也省去了許多解釋的功夫。自旋弦論引進了“超對稱”的思想,即認為費米子和玻色子總是成對產生的,任何一個基本粒子都有一個比它的自旋少1/2的“超夥伴”。建立在超對稱性基礎之上的弦論就被稱為“超弦理論”。

  當然這些成果與標準模型輝煌成功不能相提並論,況且觀點太瘋狂,想法太怪誕,猶如科幻小說。弦論研究就像愛因斯坦晚年的統一場論一樣被告視為異類,更不堪的是,人家愛因斯坦好歹也是權威,這奡N純粹是年輕人在過家家。1970年代初研究弦論的科學家紛紛改弦更張投靠標準模型,所以弦論沒熱鬧多久就趨於死寂,弦論的先驅者們的學術生涯也十分淒涼。他們是科學共同體的異類,放著主流的光明大道不走,卻跋涉在一條大家普遍認為沒有前途的羊腸小道上。無人喝彩,無人給你提供講壇,無人給你長工資、評職稱,弦論的文章被拒絕發表,因為編輯認為“達不到發表水平”。弦論科學家也是人,他們必須直麵慘淡的人生,付出寂寞、清貧和地位低微的代價。

  雷蒙德在27歲的時候把超對稱性引入弦論研究,實現了玻色子的費米子的統一,是弦論發展的一個重要的媯{碑,然而他卻不能在常青滕盟校中謀得一個正教授的席位,1976年還失去了在耶魯大學的職位。施瓦茨的長期合作者謝爾克身患糖尿病,1980年的一次昏迷時由於身邊沒人幫他打胰島素而命赴黃泉,年僅30歲。施瓦茨也是在不到三十歲就開始弦論研究,被譽為“弦論之父”之一,伴隨弦論發展的全部過程。1980年謝爾克去世後,偌大一個物理學界,幾乎就隻剩施瓦茨一人獨步超弦研究。他於1972年就失去了普林斯頓大學的職位,以後在加州理工學院在經常變動的臨時基金的資助下做了12年的研究助理。施瓦茲在弦論研究領域功勳卓著,但學院卻始終未把他吸納為正式成員。難道超弦理論將會被物理學界的冷漠扼殺嗎?

  感謝科學荒野中的孤獨跋涉者!謝爾克去世後,施瓦茲又找到了新的合作夥伴——英國倫敦瑪麗皇後學院的物理學家邁克爾·格林(Michael Green)。巧得很,格林與謝爾克一樣也是1946年出生的。征途漫漫前路迷離,怎敵他逢山開路遇水架橋,艱難困苦不墮青雲之誌。漸漸地,一個個微妙的矛盾被化解,一條弦論與超對稱性結合的道路呈現在濃霧消散之處。終有一天,他們做成了一個超弦模型,當把自旋2無質量的引力子從數學模型中自然地推導出來的時候,他們似乎聽到了成功之門開啟的吱呀聲。水溫降到0度,隻要有一個微小的擾動,液體就會瞬間發生相變,忽拉拉地就形成了冰的晶體結構。1984年,他倆合作發表了幾篇超弦理論的研究論文,每次都把自己激動得一塌糊塗,但每次都一如既往地無人喝彩。直到這年的秋天,形勢突然發生了逆轉,“相變”終於發生了——“第一次超弦革命”爆發!

  《宇宙的琴弦》一書的作者B.格林((Brian Green)親曆了第一次超弦革命,在書中他是這樣描述革命風雲驟起的情形的:

  我從1984年開始在牛津大學讀研究生……標準模型擺在那堙A預言實驗結果那麼成功,它的證實是遲早的事,最多不過是補充細節。超越它的極限……——一項多麼可怕的的使命,隻有最勇敢的物理學家才敢迎接這個挑戰!但是6個月以後,氣氛完全不同了。格林和施瓦茨的勝利最後感染了一年級的研究生,身在物理學曆史偉大運動中的激情,替代了以往的憂鬱。我們多數同學都攻讀到深夜,就為了學習理解弦理論所需要的大量的理論物理和抽象數學。

  這年的秋天,幾個弦論的堅決反對者也開始研究超弦理論,同行們紛紛放下原先的研究課題轉而研究超弦理論。正如施瓦茨所說:“它從一個極端走到了另一個極端,從無人喝彩到萬眾歡呼。”論文如雨後春筍,弦論的學術會議四處召開,在哈佛的弦論講習班被稱為“後現代物理學班”。物理學家們奔走相告,歡呼科學新時代的到來。昨天還煢煢孑立的施瓦茨幾乎在一夜之間就從助理研究員火箭式地就升到了正教授,盡管是實至名歸,但還是讓人感到勢態炎涼的悲哀。現在不做弦論研究成了一件需要勇氣的抉擇,正如當初研究弦論需要勇氣一樣。錢德拉在一次慶賀他榮獲諾貝爾獎的會上問身邊一個年輕人在做什麼,年輕人說在做弦論研究,並且不知天高地厚地勸錢老趕緊放棄他的天體物理學轉而研究超弦理論,否則就會像在1920年代不研究量子力學一樣而後悔。

  量子精靈的一個華麗變身就引起一場革命,弦姑娘何來如此震撼的魅力?
  

[本帖最後由 灌水樂園 於 2011-11-16 22:34 編輯]




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  (第五篇 第二十二章 宇宙的琴弦)

  二

  又一場科學革命?這是一件很奇怪的事兒。二十世紀初的那場革命前,天空還飄著“兩朵烏雲”。現在呢,看天空,日朗雲白,看大地,河清海晏。沒有作為革命前兆的實驗反常,廣義相對論和基本粒子標準模型把天上和地下的事都說得清清楚楚。因此威滕說超弦革命在二十世紀爆發純屬偶然。還是那個統一夢鬧的,物理學家們都記住了愛因斯坦的那一聲歎息:“至今還沒有可能用一個同樣無所不包的統一概念,來代替牛頓的關於宇宙的統一概念。”

  相對論可以提綱主演“統一概念”的演員是“四維時空”。我們曾經領略過他在廣袤宇宙的精彩表演,特別是對牛頓萬有引力的現代詮釋。但四維時空一旦把觸角伸到普朗克長度的極小空間,馬上會被鼎沸的量子漲落衝得支離破碎。廣義相對論時空是連續平滑的優美曲線,有序而必然;量子漲落場則分立而無序,在這堿あ傿L法區分前後左右上下、乃至時間的過去和未來。一言以蔽之——廣義相對論在量子尺度失效。量子力學的實力演員當然是“量子”,她在微觀世界的絕技已經讓我們神魂顛倒,但是她也有致命的“阿喀琉斯之踵”——量子方程不能自然的導出動態的時空結構,標準模型不包括引力作用正由於這個難言之隱。克萊因曾經做過廣義相對論和量子力學相容性的證明,這個天才的預見為以後的量子場論的巨大成功所驗證。但是在物理學家稚童般的追根溯源之下,發現極限條件下二者還是水火不容的——廣義相對論進不去量子漲落場,量子力學出不了牛頓時空。

  相對論與量子力學的不相容性最突出的表現就是“無窮大災難”。我們在“二次紫外災難”已經看到了電磁相互作用所遭遇的無窮大,多階近似質量、能量和電荷會趨於無窮大。所幸費曼等人找到了“重正化”的方法,像被抄家的小偷手忙腳亂地把贓物藏在被窩下,重正化把無窮大藏匿在漲落雲後,歸咎於“裸電子”,而用“手動”的方式以觀測數據重新定義電子的質量和電荷。弱力作用和強力作用也同樣遇到同樣的紫外災難,解決方法也同樣是重正化。這個方法之醜陋(非自然導出)豈不說,到引力作用,重正化也不靈。我們已經見到了,在時空奇點處,質量和引力無窮大,一切物理規律失效。

  邏輯上,在相對論時空概念和量子概念的背後還需要一個更基本的“統一概念”,而把之前的兩個“基本概念”當作衍生物邏輯地導出,猶如把“基本粒子”——核子當作誇克的複合物,才有希望圓“萬物之理”的千年夢。於是,“超弦”(superstring)來到世間。

  天生麗質的弦姑娘一出場,就讓我們感覺到她有親和相對論和量子力學這對冤家的底蘊。量子力學的基本成員都是些自視0維(無維度)的點,一副淡泊時空的輕慢,反正時空舞台是與生俱來的,猶有富二代的天生優越感,不屑操心為自己打拚一個建功立業的平台。弦姑娘就踏實得多。她是一維的弦,好歹有個長度,與時空坐標不是那麼格格不入。但也別往愛因斯坦時空氣勢恢弘的模樣去想,作為新宇宙觀的“原子”,她甚至需要一個比量子更小的量度。量子力學的基本常數是h(精確地說是h上加一杠的“約化普朗克常數”,即h/2π,但打不出這個符號)是一個很微小的數;而相對論依賴的兩個常數——光速c和引力常數G,G也是一個同樣微小的量,組合這三個常數(√ ̄hG/c^3),就是弦論引入的一個全新的自然常數——“普朗克長度”((Lp),這是一個10^-33厘米數量級的量,而一個原子核的線度約為10^-13厘米,二者相差了整整20個數量級,可見普朗克長度之短。

  一般認為,一根超弦的長度就是一個普朗克長度,但同時,這個長度也是弦的長度被分割的一個極限。有朋友可能又會從技術的角度來思考這個問題,將來提高了的技術會不會超越這個極限?我們還是站在觀察者的角度想問題。這個極限,實際上是一個觀測極限,能看到多短的弦,取決於我們有多犀利的“眼”,即有多大的能量,更具體一點:我們有多短波長的光。不斷增強的能量,波長愈來愈短的光,固然可以使我們能看到愈來愈短的弦。然而,弦姑娘的特質就表現出來了——她有長度伴隨著她就有延展性,當強大的能量探測到她小於普朗克長度的“短處”時,這強大的能量就成為她身段“長高”的營養,一直高到Lp,總之不會讓你看到比這個高度矮的模樣。(提醒一下,更準確全麵地說,還有一個“時間量子”和綜合性的“時空量子”(參看第二十章第五節),這堿陘F敘述的簡單性隻拿“長度”說事。)

  弦姑娘比點粒子優越的先天本質就表現出來了——她自身內稟著空間屬性,推廣一點,內稟著時空屬性。這就將微觀物理(量子力學)融合進入宏觀物理(相對論)的範式——時空不是外於物質和運動的空形式,而是物質內稟屬性在運動中的呈現。超弦概念實現了物質和時空的融合,第一個驚人之舉就是揭示了能量量子化的奧秘。量子概念陳述了一個反經典的現象——能量流不是連續的,而是以能量包的形式一份一份的,但不能說出其所以然。現在超弦概念告訴我們,時空也是量子化的,能量隻能在量子化的“時空包”埵s續和轉移,自然就是分立間斷的,隻能以能量包的方式被吸收和釋放。同時,廣義相對論的失效處也被弦姑娘的纖手“抹平”了,沒有0時空的奇點,無窮大的發散項就被時空量子給吸收掉了。

  其實無論是“點”還是“弦”,都是構造物理實在的理論模型(別太直觀了),但基本概念差之毫厘,產生的效果就謬之千堙C弦姑娘的本事還大著呢。

  與“終極理論”的理想圖式相比,標準模型還有不少問題。基本粒子足有61個之多,不符合科學的簡單美,難道它們不能有一個共同的“始基”嗎?這些粒子還有著不同的甚至是天壤之別的參數。同樣是誇克,頂誇克的質量是上誇克的40000萬倍,同樣是電子,τ子比電子重3500倍。這些差別懸殊的數值,都是“手工”填上去的,即根據觀測數據來確定的。回看圖21.9,這種“手填”的參數有十幾個之多。這類“手填”的數也叫“常數”,而所謂“常數”就是不講道理的數,就是這樣,沒有什麼為什麼。每一個常數都是一個上帝的秘密。急歌王張帝的歌堸菬魽G“爸爸多了媽媽有問題”,物理學堙妤`數多了物理學家有問題”。一個理想的模型,不說邏輯地推導出全部參數,至少也該推出一部分呀,就是別把所有的參數都當常數了。一個常數就是一個上帝的秘密,秘密多了就隻能說物理學家無能了。

  以前聽過一個故事:一位小提琴手琴藝超群,可每次演奏後聽眾都交口稱讚:“這小提琴好!這小提琴好!”琴手不免惱怒:“感情這動聽的琴聲沒我什麼事?”下次演出,一上台他“啪”地就把琴給砸了,拆下一根弦固定在長統皮靴上,琴聲動聽依舊。哈哈!有點誇張。但音樂千變萬化,也是由有限的單調組成的,而產生這些聲調,一根琴弦足矣。超弦理論要說的是,宇宙雖然浩瀚,但也是有由有限種基本粒子組成的,而不同的基本粒子,不過是同一根“超弦”的不同的振動模式,跟不同的聲調是琴弦的不同共振模式一個道理。

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  圖22.1 琴弦產生不同的共振模式,共同點是振動的波長一定是弦長的整數等分,即是量子化的。

  跟一根琴弦可以彈奏出不同的聲調一樣,一根超弦可以推演出基本粒子的不同能量(質量)和力荷(電荷、味荷和色荷),這些不同的參數,與超弦的不同振動模式對應。圖22.2是幾種振動模式,上邊的一個振動頻率最低,下邊一個頻率最高,朋友們的知識已經足以判斷,頻率高的對應於質量大的粒子,而頻率低的對應於質量小的粒子。在弦論中,能量還正比於振幅,相當於我們撥動琴弦的力越大,琴聲就越響。當振幅小到幾乎聽不到時,那就是無質量的玻色子,如光子和引力子。

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  圖22.2 弦理論中的閉合線圈的振動模式,從上到下頻率依次遞增,表征粒子能量依次遞增。

  當然這媮羲滌收O忽略了許多細節的原理,實際建構的難度超出我們最強悍的想像力,但這個原理給我們描繪了一幅令人熱血沸騰的光輝前景:從一個“始基”出發,我們不僅可以得到所有的物質粒子(費米子),還可以得到所有的力的粒子(玻色子),這已經超越了有史以來最豐富的想像力,這不僅是以住的宇宙物質的統一,在超弦的概念下,物質、運動、時空和力,開天辟地第一次實現了大統一,既超越了牛頓,也超越了愛因斯坦。用一根弦,我們將演奏出宇宙最雄渾的交響曲,超弦理論很有希望成為物理學家夢寐以求的萬物之理!

  




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  第 2558 樓 lynden 2011/11/17 5:31:09 的原帖:
  樓主說本書要結尾了?我驚得合不攏嘴。超弦才是本書的重點。標準模型快死了。超弦才是上帝的方式。要麼樓主再寫一本通俗超弦史,要麼大大地加強本書這部分的內容吧。求求您啦,您汗流浹背,我給您擦汗如何?


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  如果說 現代西方科學 是 一部宏大的交響樂,那麼開普勒、伽利略就是就是這部宏大交響樂開頭微弱的引子,牛頓、麥克斯韋 、笛卡爾就是舒緩的序曲,愛因斯坦的相對論正式吹響了開幕的嘹亮號角,量子力學拉開了大幕……霍金的大爆炸就是開場的大鼓……超弦理論才是真正的上演……~~~~~~~~~·

  熱烈期盼~~~··神人 大師 ~~~~··繼續 開演 大戲~~~~~···!!!


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  超光速粒子實驗結果獲確認

  核心提示:9月,意大利格蘭薩索國家實驗室公布OPERA中微子實驗打破光速的消息,立刻引起全球廣泛關注。但當時多數物理學家都對實驗結果持懷疑態度。11月17日,來自OPERA的研究人員發布新的實驗數據,確認了之前的結果。

  9月,意大利格蘭薩索國家實驗室公布OPERA中微子實驗打破光速的消息,立刻引起全球廣泛關注。但當時多數物理學家都對實驗結果持懷疑態度。

  11月17日,來自OPERA的研究人員發布新的實驗數據,確認了之前的結果。來自OPERA的Dario Autiero說:“此次的結果比之前的結果要稍微好些。”他還補充說,之前合作組堛漱@些成員希望用更多時間檢驗結果,從而拒絕在原初論文上簽字,目前他們已全部簽字。其中一位成員、德國漢堡大學的Caren Hagner表示,實驗的精確性得到了改進,統計分析更為可靠了,並且由OPERA堛漱ㄕP小組進行了重複。

  然而,OPERA之外的科學家仍然表示懷疑。他們寄希望於由一個獨立的實驗來進行重複。其中最受期待的是美國費米實驗室“主注入器中微子振蕩搜尋”(簡稱MINOS)實驗。針對OPERA的最新結果,費米實驗室發表聲明說,該實驗室正在升級有關係統,2012年初應該可以獲得相關結果。(來源:科學網)

  (本文來源:網易探索)


  很多人覺得狹義相對論很深奧,很難理解,其實狹義相對論非常簡單,就是從光速不變這個假設出發,經過簡單的邏輯推理和數學計算得出的。

  如果光速不變這個假設被否定,那整個狹義相對論就崩塌了,就像當初牛頓的經典力學建立在時間和空間的線性均勻的假設之上一樣,當時間和空間都不是線性均勻的了,牛頓力學就崩塌了。但是這不影響我們繼續使用牛頓力學,隻是知道它有適用範圍。

  多觀測多實驗吧,當實驗數據確定並能重複再現,應該就有新的理論發展空間了。.

  

[本帖最後由 灌水樂園 於 2011-11-18 20:40 編輯]




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  (第五篇 第二十二章 宇宙的琴弦)

  三

  咱們把話再說明白一點。標準模型的每一種基本粒子都是一根一維的弦,它們之間的區別隻是振動模型不同。每一根弦都有兩個端點,這種弦叫“開弦”(如圖22.3左)。基本粒子吸收能量,可圖解為兩根短弦連接成一根長弦;釋放能量,可圖解為一根長弦斷裂為兩根短弦。考慮到量子漲落的虛粒子對的產生和湮滅的現象,弦論物理學家引進了“閉弦”的概念(如圖22.3右),閉弦是一個環,沒有端點。

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  圖22.3 超弦中的開弦(左)大致對應標準模型中的費米子,閉弦(右)大致對應光子和引力子)

  比如虛正負電子對的產生,我們可以理解為開弦的兩個端點分別是正負電子,當兩個端點接近結合,虛粒子對湮滅,產生一個沒有端點的電性為0的光子,開弦變了閉弦,正反電子湮滅產生光子。相反,光子閉弦環斷裂,閉弦變為開弦,正反電子對產生。引力子同樣也是一種閉弦的無質量模式,這樣,被標準模型拒之門外的引力就進入了基本粒子共同體。

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  圖22.4 閉弦斷開為開弦——正負電子對產生,開弦連接為閉弦——粒子對湮滅發射一個光子。

  加上時間用二維圖像描述基本粒子的演化,點粒子在時間中延伸為一條“世界線”,這條線的每一個截麵(時間的某一個瞬間)都是一個點(圖22.5左);開弦是時間中展開為一個“世界片”,這張片的每一個截麵都是一根弦(圖22.5中);閉弦在時間中延展為一根“世界管”,這根管的每一截麵是一個弦環(圖22.5右)。

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  圖22.5 點粒子、開弦和閉弦在時間中的存續

  別小瞧了這些幾何圖形的區別,相對論革命歸根結底是物理學幾何化方法的革命。超弦理論引進了物理學幾何化的方法,同樣也產生了革命性的成果,自然地克服了紫外災難就是之一。比如一個粒子獲得能量的作用過程,用費曼圖表現是兩根世界線的耦合體。現在弦論表現為兩個世界片的耦合(圖22.6)。QED這所以遭遇紫外災難,蓋因為耦合發生在一個沒有大小的“奇點”,當相互作用集中在一個點時,災難性的後果就產生了;而重正化的方法無非是笨拙地用漲落雲去模糊這個奇點。弦論則沒有這個尷尬,弦的本性就可以把這個點“抹開”成一個片,無窮大自然就被耦合片給吸收掉了,自然就可以得出有限的結果。朋友們可以在思想實驗中獲得圖22.6在不同時間瞬間的截麵,從下而上(時間從過去到將來)就是兩根弦漸漸靠近,在耦合片處合二為一。如果改為描述你增肥的過程,跟引力子相關,把這兩張世界片改為世界管即可,截麵將是兩個小弦環漸漸靠近,在耦合處結合為一個大環,表征你增大了的腰圍。對不起!你是想減肥,把時間前頭畫反過來就成。

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  圖22.6 兩根世界片合並

  用超弦模型描述物質和運動,就變得異常地簡單優美、賞心悅目。標準模型的二十的常數,現在弦論隻需要兩個常數就可以替代:一個是張力常數,表示單位弦長的能量。之所以叫“張力”,可以直觀地想像琴弦,一根弦很硬,物理學就叫張力大,我們就必須用很大的力氣去撥動它,反之,一根弦比較軟,它張力就小,隻需要很小的能量就能撥動。另一個是耦合常數,表示弦分裂或結合的幾率。原先物理學體係中的許多常數,都可以從這二個常數中演算出來,例如牛頓的引力常數,就是這兩個常數的乘積。

  超弦理論果真那麼簡單嗎?像泰勒斯哲學一樣,水的變形就可以產生萬物。如果回答yes,我就是一個大忽悠,也辱沒了弦論科學家的艱苦卓絕和超常智力。超弦作為“始基”是嚴格對稱的,但這種嚴格對稱性,還不足以說明基本粒子的千姿百態,還需要一個對稱性破缺的後天環境,這是是超弦理論獨特的物理幾何空間。上麵說的那個小提琴家故事的例子顯然是不恰當的:一根弦安在提琴或皮靴上怎麼可能有同樣的音效?共鳴箱乃至每一個部件的型構和材質都會對音調和音色產生重大的影響,要不一把小提琴怎麼可能賣到幾千萬美元?跟那位琴手要一隻皮靴得?。

  如何形構超弦振動的幾何空間,這才是真正讓超弦科學家頭痛的事情。我們知道,一種基本粒子對應於一種超弦的振動模式,而一種振動模式,無非是同一根弦在不同的幾何空間中產生的共振。正如一根笛子有七個孔,笛子演奏家靈巧的手指選擇打開哪個孔,就決定了氣流振動的一種特殊的幾何空間,笛膜振動出特殊的音調。在這堙A一個笛孔就是一種自由度,七個孔就是七個自由度,對應於七個音調,隻有一兩個孔的笛子注定是吹不成調的。同樣,超弦要能振動出宇宙的各種基本粒子,她的空間也必須有足夠的自由度。看圖22.5,想像一隻螞蟻在上麵爬,螞蟻在點粒子的一維的世界線上隻有一個自由度(前後),而在超弦二維的世界線片或世界管則有兩個自由度(前後和左右),再加一維就是人類的三維空間,螞蟻又多了一個自由度(像螞蚱一樣往上蹦)總共三個自由度。對超弦理論言,自由度就是超弦的獨立振動方向,三個自由度(方向)是不夠的,前麵說了,必須有9維空間(10維時空)。我們在理論上接受就行了,如果試圖用直觀想像去形構9維空間的情形,過多地損耗了腦細胞可別向我索賠呀!勿謂言之不預喲,??!

  10維時空,在宇宙的初始狀態曲率都是極大的,所有維都是“卷曲的”(克萊因概念),這沒有問題。宇宙大爆炸,四維時空舒展開來,達到現在的半徑137億光年(宇宙的半徑),而其他的6維依然卷曲在可以與普朗克長度比擬的緊致區間,所以我們看不見用不著,這些維給超弦的振動提供足夠的自由度。1維卷得憑什麼6維卷不得?因此6維的緊致空間並不比克萊因的1維緊致空間更荒謬。這就意味著,經典三維空間的每一個點上都要嵌上一個6維的緊致空間。回看上一章的圖21.2,二維的緊致空間被描繪為一個二維球麵,我們還可以描繪為救生圈一樣的二維圈,這些都在我們直觀能力範圍之內,我們在中學學到的幾何知識也足以對它們進行計算。那麼6維的緊致空間呢?顯然已經超出了我們的直觀能力,但其卷曲方式依然要求用數學方程嚴格確定。還好,現成就有一強大的數學工具可用——“卡拉比—丘成桐流形”(圖22.7)。現在,大家該用這個6維的卡丘球替代圖21.2的二維球了。

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  圖22.7 六維卡丘流形三維投影圖

  後來被命名為“卡丘流形”的存在性是著名意大利裔美國數學家卡拉比(Eugenio Calabi)於1954年在一次國際性數學大會上提出來的,被稱為“卡拉比猜想”。這一年丘成桐才5歲。他於1949年4月出生於廣東汕頭,隨後大陸政權更迭,丘家舉家搬遷到香港。14歲時,當哲學教授的父親去世,母親一人含辛茹苦地扶養八個子女。丘成桐也算爭氣,大三時獲得獎學金赴美留學,1971年在美獲得博士學位。初出茅廬的丘成桐挑戰卡拉比猜想,做其不存在性的證明。在1972年的一次數學會議上,他公布了自己的成果,一時引起轟動。可兩個月後,丘成桐受寵若驚接到卡拉比的親筆信,得知自己的證偽並沒有成功。以初生牛犢不怕虎的精神,他又在“一生最痛苦的兩周堙芋]丘成桐語)又做了幾十次證明,終了不得不寫信給卡拉比投戈求敗。之後他又踏上了證明卡拉比猜想的更艱難的旅程。1976年,新婚燕爾的丘成桐如當年玫瑰山穀的薛定諤一樣激情燃燒靈感勃發,證明卡拉比猜想事業終成正果。因此在1982年,33歲的丘成桐獲得數學界的“諾貝爾獎”——菲爾茲獎,是第一個也是迄今唯一一個獲得該獎的華人數學家。

  當然丘成桐在證明卡丘流形時並不知道超弦理論為何物,這不重要,黎曼在創造黎氏幾何時也不知道廣義相對論為何物。重要的是,第一次超弦革命的革命者們發現正好可以用這個工具來做成超弦這把宇宙提琴的共鳴箱!再往下說情況還無比複雜,我們還是簡略地結束本節吧。

  卡丘流形的形構理論上可以有無限種,它們不僅可以滿足我們需要的基本粒子的振動模式,還可以滿足我們不需要的粒子和力的模式,沒有唯一性而有無限可能性。超弦模型是“打包出售”的,正如我買的一台手機,功能可能有幾十種甚至幾百種,而我用到的可能隻有區區幾種。這又引伸出一個哲學問題:幾千年來我們都在遵循還原主義路線追溯一個宇宙的始基,這種追溯哪怕是成功了也發現還原路線是不可逆的,即從始基重新出發的結果並不是唯一的。這又回到了量子力學多世界詮釋的困境。超弦理論使量子力學與廣義相對論有機的融合,量子精靈也內稟了相對論高貴的時空屬性。可是我們怎麼發現她現在比波爾時代更難以駕馭?量子的宏觀表現更不能由她自己一元決定,從她自身生成出來的時空環境也參與了她的形像塑造——基本粒子的性質是由環境決定的。於是生物學的進化觀念也殺進了物理學領域,使我們的世紀之戰的戰況變得更撲朔迷離錯綜複雜。我們現在的宇宙,是否也像生物世界一樣,是環境選擇長期進化的一個結果呢?饒了我吧!這個話題到此為止。

  附:圖21.2 三維空間的每一點上嵌入的緊致空間

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  編外參考資料:

  【轉帖】
  免去光速老大,換湯不換藥
  劉應平 2011.9.26
  認為發現了中微子1秒內比光子多走6公堙C(光速現在的公布值大約是每秒299793公堙^。媒體對此產生熱議,發燒的程度超過當年熱哥德巴赫猜想。認為推翻了相對論者幾成主流。正確的看法應該是,其正麵結果,意義重大;其負麵作用,微乎其微。

  我們認為實驗本身非同凡響,但對推翻相對論了無新意。其原因有2:

  其1,愛因斯坦早就說過,是否選擇光速“是無關重要的”。

  “相對論常遭指責,說它未加論證就把光的傳播放在中心理論的地位。以光的傳播定律作為時間概念的基礎。然而情形大致如下。為了賦予時間概念以物理意義,需要某種能建立不同地點之間的關係的過程。為了這樣的時間定義究竟選擇哪一種過程是無關重要的。可是為了理論隻選用那種已有某些肯定了解的過程是有好處的。由於麥克斯韋與H.A洛倫茲的研究之賜,和任何其他考慮的過程相比,我們對於光在真空中的傳播是了解得更清楚的。”

  (愛因斯坦著,李灝譯, 相對論的意義,科學出版社,1961.11.P18)

  你看,愛因斯坦把超光速說得多輕鬆,還用得著使勁來推翻嗎?聽亂傳的話,空費腦力。相對論從一開始就準備接納超光速運動。
  相對論隻關心極限速度本身的存在性,至於那種物質運動實現這個最大速度,相對論並不關心。既然中微子比光子快,讓它的速度代替光速進入洛倫茲變換公式就行了。以後誰更快誰當老大就行了。

  其2,《熱與引力》一書對超光速已有預期。

  “如果沒有無限大的速度,那麼,就必定存在一個極限速度,它在本底時空{(△t,△E)}中的傳遞是最快的。這個最快速度被認為是光速,因為它對任何參照物係都是c。為什麼一定是量值c?這應該是{(△t,△E)}的結構和光波共同決定的。” (劉應平,《熱與引力》陝西科學技術出版社 2011.4月 P46)

  這段話說,能量元(△t,△E)構成空間。光速隻能是介質中的光速。中微子、引力子的速度也隻能是介質中的速度。在相同的介質(△t,△E)中,不同粒子作用不同,速度可能會有小差異,實驗定具體值。誰也沒說光子是終身老大,世襲罔替,永遠領導!
  超光速引起的具體變化也分兩層意思。公式字母上的改變和計?精度的改變。光速用小寫c表示。現在用大寫C表示中微子速度。說個大白話,小c加上6就是大C。物理學開個會,免去光速老大的職務。任命中微子速度為老大。從相對論的公式塈滮pc請出來,由大C坐上空位。你會發現,相對論的思想沒有任何變化。數學形式也沒有任何變化。還是那個“老衙門”,大C隻是“水流的官”。連“王安石變法”的層次也達不到。

  其次,大C肯定要來個新官上任三把火。6公堣]是“新政”!新政的要點就是在計算精度上作文章。這對推翻相對論這個事業更是用處不大。當然了,對於科學的其它相關方麵則完全相反。我們老順口說,光速是每秒30萬公堙C這個大約數早把6公塈]下去了。現在就6公埵蚑蛂A計算的精度提高了10萬分之二。這會在一階效應起作用,但相對論主要關心二階效應。就是說,大C的新政使得計算精度提高了大約1百億分之4.歡呼了老半天,鼓了那麼大的勁,計算精度什麼時候才能享受到這個1百億分之4的恩澤!這就是為什麼看到任免名單的時候,你總是一句老話:換湯不換藥!

  圖書《熱與引力》介紹之15
  推薦《熱與引力》 劉應平著
  陝西科學技術出版社 2011.4月
  CIP數據核字(2011)第036390號
  ISBN978-7-5369-5008-5

  ,重正化是個什麼東東?既然電弱統一破缺了,電弱統一理論還有什麼意義?

  電弱統一理論(溫伯格-薩拉姆模型)是建立在對稱破缺的基礎上的,對稱破缺賦予了規範場和電子質量,同時對稱破缺還產生無質量的粒子(Goldstone定理),其中牽涉到非阿貝爾規範場,超荷和同位旋等。三種無質量的費米子,SU(2)和U(1)規範場,二階標量場寫成的拉氏量,說起來就比較複雜。

  重整化倒是可以三言兩語說得很清楚。實際上,量子力學包括量子場論最重要的考察點是——物理真實和物理有效。說起來你也許會很奇怪,難道物理真實不就是物理有效嗎?兩者並不等價。拿朗道費米液體理論來講吧。相互作用的電子體係,我們對其中的一個電子測量其質量,必然要受到其他電子相互作用的影響,因此,當這個電子運動時,他一定是拖著周圍的電子一起走。這個電子是被墜飾的(dressed),我們測到的不是獨立的粒子,朗道稱其為“準粒子”(quasiparticle),這個準粒子的質量,是有效質量,不等於孤立電子的質量。準粒子的動量將不再是單個電子的動量,而是電子和周圍電子動量的和。因此,物理學很多時候是bare particle到quasiparticle的探索。很多時候,我們並不關係bare particle,而是關注與quasiparticle。

  再回過頭來看重整化。從測不準原理開始,Et∼h。如果相互作用時間非常短,能量E的不確定性很大。那麼假設其達到E=2mc^2(m是電子質量),我們可以發現,在這種情況下,真空中有正負電子對的漲落,正負電子對保證真空中性。那麼這個時候我們考察帶電粒子的相互作用必然要受到正負電子對極化的影響,類似於朗道費米液體理論,這時候帶電粒子將被墜飾,物理量需要被重整。所以,說起來就是這麼簡單——bare particle到quasiparticle。.

  




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  (第五篇 第二十二章 宇宙的琴弦)

  四

  曆史會戲劇般地重演。正如量子二次革命一下子就產生了兩個邏輯自洽的基本方程一樣,第一次超弦革命產生的不是一個模型,而是一下子產生了五個超弦理論。它們分別是:Ⅰ型理論,ⅡA型超弦理論,ⅡB型超弦理論,雜化SO(32)理論,雜化E(8)×E(8)超弦理論。這些模型具有許多相同的特征,比弦振動模型決定可能的質量和力荷,需要10維時空,卷曲維是某種形態的卡丘流形,但也有明顯的區別,例如包含了不同形式的超對稱性,Ⅰ型理論和ⅡB型超弦理論既有閉弦也有開弦,而兩種雜化弦理論則強調超弦必須是閉弦。細節我們不必去深究,要命的是每一個理論模型都是邏輯自洽的,而超弦理論一個重要的特征或缺陷就是沒有可供實驗檢驗的經驗預言。如果幾個理論都同樣頭頭是道,那每一個就都不是那麼理直氣壯了。

  費曼在去世前幾年剛才經曆了第一次超弦革命的爆發。超弦理論從根本上解決了無窮大問題,應該說也解了費曼的一個心結。但這位費曼圖的創造者喜歡由繁到簡的升華,本能地討厭超弦理論的艱澀和龐雜。他說不能以解決無窮大問題為正確理論的標準,他相信解決這個問題的方法應當不隻一個。不過他也知趣地說,他以前提出新理論時總會遭到老權威的反對,也許現在他自己也成了反對新思想的老權威。

  最激烈的反對者是電弱統一理論的首創者格拉肖。他說:“弦理論追求的不是傳統的理論與實驗的統一,而是一種內在的和諧,以精密、獨特和優美來決定真理。……難道數學和美學就這樣完全超越實驗了嗎?”他甚至說弦理論在損害著科學,跟中世紀的神學沒什麼兩樣。盡管十年後格拉肖轉變了對超弦理論的拒斥態度,但他始終認為他對當時超弦領域的浮燥情緒的批評是正確的,因為“弦理論家曾狂熱而野心勃勃地宣揚他們將很快回答物理學的所有問題”。

  速勝論確實很快失去了市場。本來以為可以迅速建成一個統一世界的理論,現在發現,統一理論並不比統一世界更加輕鬆!當理論家們感到江郎才盡的時候,超弦熱很快就冷卻了下來。到了1990年代初,當初蜂擁而來的科學家又紛紛作鳥獸散,改弦更張做其他行當去了。好在弦論是一個智力的魔鬼訓練營,曾經的弦科學家到了固體物理學、生物學、神經科學、計算機甚至金融業,那就是用船堅炮利去對付大刀長矛了,因此不少人在新領域卓有建樹,實現了華麗轉身。

  當然會有些死硬分子堅持下來。普林斯頓大學的猶太裔美國科學家愛德華·威滕(Edward Witten)1951年出生於美國的馬媊鶡{,父親是一位理論物理學家。1982年,他讀到施瓦茨的一篇有關超弦的評論文章,媊挼籵魽A僅僅要求超弦理論的數學自洽性就會導致引力的產生。威滕說,這一認識是他生命中“最偉大的智力震撼”。 他另三位同校的科學家的組合在第一次超弦革命中功勳卓著,被稱為“普林斯頓四重奏”。他們創造了“雜化E(8)×E(8)超弦理論”,被視為第一次超弦革命的最高成就。這得益於他深厚的數學功底,有位著名的數學家這樣評價威滕:“盡管他肯定是個物理學家,不過他對數學的掌握卻少有數學家能與之比肩……他在輝煌的物理運用中憑直覺導出新穎而深刻的數學定理,一次又一次讓數學界震驚。”1990年他獲得了世界數學最高獎——菲爾茲獎,是獲得這個獎項的唯一的物理學家。

  第一次超弦革命留下的困局是超弦天下五國分立。一國獨大吞並天下如秦滅六國,是最容易想到的解決方案,無奈五論各有優劣,看不出誰有稱霸天下的絕對實力。畢竟是光榮的量子革命的後人,曾經的波粒共和是物理建國的光輝典範。問題是,如果找到群雄聯合的統一憲章?當這個憲章被威滕發現的時候,“第二次超弦革命”就爆發了!

  1995年3月在洛杉磯召開的一次弦論會議上,威滕做了一個曆史性的報告。報告中他說,五種不同的超弦理論的分歧並沒有我們想像的那麼大,它們不過是一個更深層的基本理論的不同表述。這個唯一的基本理論稱為M理論,其中M表示魔法,神秘,或矩陣(Magic, Mystery, or Matrix)等意思,隨你所好。五種超弦理論不過是M理論的不同極限情況,正如我們看見五座山峰突兀在悠悠白雲之上,我們以為這五座山是彼此獨立的,實際在雲遮霧罩的山腳,它們是綿延相聯的同一山脈。而使這五座山峰一脈相承的紐帶,就是“對偶性”這個概念,這正是超弦理論統一憲章的核心概念。

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  圖22.8 或者M理論就像這隻海星,五個超弦理論不過是它伸向五個極限局域的觸角.

  “對稱性”咱們前麵已提過很多,是變換中的不變性,所謂伽利略變換、洛倫茲變換,就是通過變換操作保持不同坐標係物理規律的不變性即等效性。這埵A說一個更淺顯的例子:當年我上大學讀書,每年至少坐四趟火車,當然是最便宜的硬座。人多擁擠,空氣渾濁,一個靠窗的位置是最美好的願望。可是每次拿到車票都是不一樣的——不同的車廂、不同的座號。多坐幾次我就發明了一個“靠窗變換”:以座號除以5,凡除盡的和餘4的座號都是靠窗的。這樣,通過這個公式的變換操作,除了1號座是靠窗的“常數”外,4、5、9、10……等座號就具有了靠窗的“對稱性”。為了這項“偉大發明”,我獲得了某晚報的8元稿酬。別笑!記得當時買一本書也就幾毛塊把錢。

  “對偶性”也是一種對稱性,一種特別的對稱性,也可稱為對偶的對稱性。對稱性是變換中的不變性,對偶性是替換中的不變性。比如一個南極人從來沒見過水,一個赤道人從來沒見過冰。兩人相約做一個跨越撒哈拉沙漠的旅行。南極人帶來了冰,赤道人帶上了水,在他們眼媢鴾鞊a的都與自己帶的是截然不同的怪物。可是白天的高溫使冰化成了水,晚上的嚴寒使水結成了冰,倆人才發現這兩樣東西其實是一樣的,替換使用具有物理結果的不變性,因此水和冰具有“對偶性”。又比如我從你的反對者口中了解到你這個人“剛愎自用”和“一意孤行”,於是決定聘用你為公司總裁,因為公司正需要一個“當斷則斷”和“意誌堅定”的領導者,而前後兩組詞正好具有“對偶性”。掌握對偶替換也是一門做人的藝術,一個姑娘給你的觀感是“不漂亮”,你就誇她“有氣質”好了,這樣既不得罪人,又不至於睜著眼睛說瞎話。??!扯遠了。

  中國詩詞和對聯講究的“對仗”也叫“對偶”: 雲對雨,雪對風,晚照對晴空;春對夏,秋對冬,暮鼓對晨鍾。現在看威滕怎樣用這種修辭術為我們把五個超弦理論拚接成一幅統一優美的詩畫?他發現了超弦理論中的兩種對偶性——S對偶和T對偶。

  所謂S-對偶指的是強—弱(Strong-weak)耦合常數的對偶性。前麵說過耦合常數是弦的內稟特征之一,表征弦相互作用發生的幾率,耦合常數大說明相互作用強,反之說明相互作用弱。圖22.9右表示兩個電子(e-)在兩根弦的交彙處交換一個光子(碰撞)然後散射。如果到此為止,則平安無事。問題是,由於不確定性原理的作用,從兩根弦合並開始到再次分裂之間的那根大弦管中,還可能發生許多故事。比如,它們之間交換的光子會從環境中借來能量分裂出一個正負電子虛弦對——e+和e-(圖22.9左,對不起,麻煩大家在觀念中把這些線想像為弦),然後湮滅為光子γ,然後又產生虛弦對,然後湮滅,乃至無窮。這種量子漲落會對這個電子碰撞作用產生影響,至於影響大小,則取決於耦合常數的大小

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  22.9 右圖為兩個電子相互作用的總過程,左圖為兩個電子交換的光子從被發射後到被吸收前區間精細結構的一個片斷:虛電子對產生—湮滅—再產生,這個片斷可以無限地拚接下去,反正虛時間不算時間。

  耦合常數的大小或強弱的標準為1,大於或等於1則稱為大或強,小於1稱為小或弱。之前的超弦理論是用近似方法或我們以前講過的微擾法來解決量子漲落對相互作用過程的影響的,但這種方法隻有在小耦合常數的條件下才會有效,因為這條件下多階近似影響會越來越小乃至可以忽略不計。比如我有一個底標為100萬的工程要發包,作為投標方的你恰好也做出了一個100萬的標書,但聲明可能會有5%(即遠小於1的0.05)的不可預見費。我就可以考慮把工程發包給你了,因為這個誤差即使發生了,我不過是多付5萬元。可是你接著說你的誤差是“多階”的,5%的誤差還可能有5%的誤差,乃至無窮。那也沒什麼,到了二階誤差就是(5%)2,就是0.25%,2500塊錢,第三階就百把塊錢,再往下算就基本可以忽略不計了,數學上講就是結果是收斂的。光子弦的耦合常數如果能與這個例子類比,微擾法當然是有效的。

  但如果這個常數大於哪怕是等於1呢?也就是標書的誤差率大於或等於100%,那麼哪怕你的標內價值就是1塊錢都不能接受,因為多階近似的結果是發散的。五個弦理論都有決定耦合常數的方程,但奇怪的是,任何耦合常數都能滿足方程的需要。這問題又來了:弦理論為什麼沒有遭遇無窮大災難呢?原來第一次超弦革命的英雄們都不約而同地使用了微擾方法,而這種方法無形中就把耦合常數小於1的假設偷放進了方程中。也許五個弦論的耦合常數都大於1呢?這是個令人不寒而栗的質問!好在現在有S對偶。威滕和其他一些物理學家發現,用Ⅰ型理論與雜化SO(32)理論就具有這樣的對偶性,當對偶雙方的一方耦合常數大到微擾方法失效時,對方的弱耦合剛好就是它的對偶圖像,就可以繼續用對方的圖像來描述自己的物理性質。就像冰化成了水也不影響我們研究它的物理性質(H2O)一樣,反之亦然。兩個理論的強耦合與弱耦合交換具有不變性,因此這兩種理論實際上是一個,超弦理論就從五種降到了四種。

  以後物理學家還發現,ⅡB型超弦理論居然自己跟自己S對偶,即自己的強耦合與自己的弱耦合形成對偶關係。如此一來,當耦合常數大於1微擾法失效時,就可以在這個大於1的常數的倒數(如2的倒數1/2)常數中找到相同的物理結果,就是說,強耦合常數2與弱耦合常數1/2的物理結果是等價的!這樣就保證了微擾方法始終有效。

  




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  (第五篇 第二十二章 宇宙的琴弦)

  五

  所謂T對偶,指的是目標空間的對偶性(Target-space duality)。這種對偶講的是大尺度空間與小尺度空間互換中的不變性。

  我們想像一個緊致的空間維卷曲成一個半徑為R的圓環(這個環在時間中就延伸為管),之前我們都是把弦當作是在這個空間堛漱@個振動模式,能量與這個振動的波長相關,波長越長,能量越小,波長越短,能量越大。能量跟空間環(管)的半徑有關嗎?當然有關。半徑縮小,意味著弦的位置的不確定性減小,則動量的不確定性變大,我們測得的能量也就變大,反之則變小。我們把這個振動模式想像為圖22.10的樣子,波穀連線構成的一個圓就是空間環。空間環半徑減小,意味著圓周縮短,這個振動要維持振動次數(頻率)不變,就隻能縮小波長,而短波長對應著大能量,這點你懂的。相反半徑加大,波長變長,能量也就變小。因此振動模式的能量與空間半徑成反比關係。在這堙A弦量子與點量子沒什麼區別,我們隻考慮了弦的類點性質。

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  圖22.10 超弦的振動模式和纏繞模式

  如果沒有弦,或者隻有開弦(有兩個端點的線段),對超弦的能量方式的考察就到此為止。但存在著閉弦(沒有端點的環),就還有另一種方式:纏繞方式,即弦纏繞在空間管上運動。弦的能量與弦的長度正相關(弦越長能儲存的能量就越大),所以纏繞的圈數越多,能量就越大。跟管徑半徑的關係呢?大家自然會想到,當然也是正相關,半徑越大,周長越長,能量當然就越大了。我們把這根閉弦想像為與圖22.10中間的那個空間環重合的一根橡皮筋,周長越長,橡皮筋就拉得越長,張力就越大,等價於能量越大。

  於是弦就有了兩種能量方式——振動能的纏繞能。在絕大部分的情況下,二者成反比關係,對同一根弦,測得的振動能越大,纏繞能就越小,反之亦然。假設空間環的半徑R=1(1個普朗克長度),用兩種方式來測量超弦的能量,得到振動能=纏繞能。廣義相對論告訴我們,時空是動態的。如果半徑變化了呢?比如R=2,會發生什麼情形?圓周長=2πR,圓周比原先長了,自然,振動能變小,纏繞能變大——纏繞能>振動能。假設這時的纏繞能為X。

  好,現在我告訴你超弦的能量為X,你能反推出空間的半徑是多大嗎?如果你回答說是2,你就上當了。我會告訴你是1/2,因為這個X的能量是我從半徑為1/2的空間測到的振動能。當然你也不是那麼好欺負,你會爭辯說:“那我也沒有錯呀,從半徑2測到的纏繞能確實也是X呀!”

  於是我們的結論就出來了,在通過兩種能量模式的替換操作,大空間與小空間(在上麵的例子中是半徑2和1/2)具有對偶性,即物理性質是等價的。當我告訴你一個能量,但不告訴你測量方式(振動或纏繞)時,你是不知道空間的大小的。換個說法,如果在A空間不方便用一種方式(如纏繞)測量能量時,我們就可以在另一個半徑為A空間半徑的倒數的空間堨峊t一種方式(如振動)測量能量,物理結果是決無二致的。咱們走走極端。時空維度原先都是卷曲在普朗克時空中的,大爆炸使其中四維舒展到了半徑137億光年,構成了可見的大宇宙,根據T對偶,這個大宇宙將與一個半徑為10^-61普朗克長度的小宇宙對偶。當你告訴我光子的一個極小能量時,如果我理解為纏繞能,我會斷定這是來自半徑隻有10^-61普朗克長度的小宇宙的報告。

  這種瘋狂的解釋可能會越解釋越糊塗,不是說普朗克長度是極小的底線嗎,怎麼會有比這個長度小61個數量級的世界?也許再瘋狂一點才能明白。如果真的存在這樣的世界,我們在這個人存的宇宙中測量到的振動能將隨著半徑的縮小放大到無以倫比的程度,於是測量振動能將變成一樣很困難乃至不可能的事。根據科學的經濟原則,“小宇宙的”科學家肯定是采用更方便的纏繞能方式測量能量,而纏繞空間的半徑與振動空間的半徑是互為倒數的,而1/10^-61普朗克長度正好等於137億光年!因此在那個世界堛韃”拑M是宏大的,普朗克長度同樣不可突破。而我們報告振動能數據隻能來自半徑為10^-61普朗克長度的虛似宇宙。這也是普朗克長度不可突破的一個邏輯證明。聯想到量子宇宙學關於宇宙命運的探索,T對偶是否暗示了:當我們這個振動模式的宇宙最終走到大擠壓時,一個纏繞能的宇宙將對偶地開始爆炸、膨脹?

  T對偶實際上在第一次超弦革命爆發時的1984年已經由兩位日本物理學家發現了,但不知有什麼用,超弦革命的熱情也淹沒了大家對其他新鮮事物的好奇。現在威滕發現,ⅡA型超弦理論和ⅡB型超弦理論,雜化SO(32)理論和雜化E(8)×E(8)超弦理論,這兩個對子,就像兩幅對仗工整的對聯,彼此間都可以用自己半徑R的宇宙模型去描述對方半徑1/R的宇宙模型,因此這四個超弦理論實際是兩種。加上S對偶實現的Ⅰ型理論與雜化SO(32)理論的統一,五種超弦理論就合並為僅僅兩種。而最終合並為唯一的一種,似乎也沒有原則上的障礙。

  在95弦論會議上,威滕還公布了一個爆炸性的發現,當時與會者的嘴巴都張成了O型。他說,當ⅡA型超弦理論的耦合常數逐漸增大,理論就自動生成一個額外的蜷曲維度——第十一維,而這個新維度的物理意義,正是踏破鐵鞋無覓處的“超引力”!

  我們知道,愛因斯坦的後半身就是栽在了引力的手上。費曼在完成了QED的建構後,也曾投身量子引力論事業。1962年他在華沙參加了一個引力會議,會議期間他獲得了頓悟,沒等散會就得妻子寫了封信,交待到:“記得提醒我,以後不要參加任何引力會議!”用QED的方法之所以不能將引力納入標準模型,是因為前麵說過的無窮大問題。1970年代末1980年代初,第一次超弦革命前夜,一種新的量子引力模式被發明出來——“超引力論”。大概的思路是:引力存在著超對稱性,引力子(現在叫做“超引力子”)還有一個還未被發現的“超夥伴”——一個自旋為半整數的費米子叫“引力微子”。引力作用交換的總是成對成對的超引力子—引力微子。在宇宙現狀的低能狀態下,引力微子對引力作用的貢獻是可以忽略不計的,但在大爆炸之初或黑洞堛滌狗鄋牯A下,它的貢獻就變得不可忽略,而這個作用,剛好就把無窮大給吸收掉了。謝爾克也參加了超引力論的建構,他和其他幾位物理學家當時就發現,這個模型要能成立,時空維應該是11維,而不是早期弦論認為的10維。接著超弦革命爆發了,革命大軍洪流滾滾,這支小股遊擊隊就無人問津了。

  一個奇異的觀點被不謀而合地提出兩次,不定它就有更深刻的玄機。弦理論好歹也二十多年了,第一次超弦革命幾乎是人海戰術,怎麼就沒人發現這第十一維呢?威滕說,這是一個很深刻的方法論問題。以前大家都一廂情願地使用微擾方法,而忽略了超弦的非微擾效應,即耦合常數大於1的問題被回避了。而實際上,當強耦合發生時,量子漲落的貢獻是不可忽略的並且是發散的。當考慮到高能條件下的這種發散結果時,某根一維的弦就會展寬為一張二維的膜,就像織布機上一根一根的線疊加起來就成了一片布——新的一維誕生了!看來“無窮大”也不純粹是災難。

  於是超引力遊擊隊被收編進超弦大軍,M理論現在有六大主力——五個10維的超弦理論加上一個11維的超引力理論。M理論現在就是一個六角形(圖22.11),每個角駐紮一支主力部隊,憑著對偶性的密碼本它們互相聯絡,各自在不同的戰區作戰,分別解釋各種不同極限條件下的物理現象。

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  圖22.11 M理論統一框架

  




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  (第五篇 第二十二章 宇宙的琴弦)

  六

  啊,偉大的二十世紀!量子假設的晨鍾,喚醒了在現代物理的黎明;當時間的老人即將敲響世紀的暮鼓時,M理論來了。科學家們欣喜地看到一個萬物之理的雛形,二十世紀的晚霞,也許就是物理學勝利終結的慶典!這是二十世紀物理學家的驕傲。十九世紀物理學家留給二十世紀的遺產是“兩條烏雲”,而我們將在二十世紀的西天,降下一輪俊朗的夕陽。咦,難道是幻覺?跨越世紀門檻的物理學家,現在從天空上看到的,也是“兩朵烏雲”——暗物質和暗能量!

  從上世紀中期開始,天文觀測就發現了暗物質的跡象,從甯P軌道推算出來的星係總質量和實際觀測到的星係的所有甯P、氣體和塵埃的總質量不符。天文學家觀測了100多個星係,觀測值與推算值都不一致,而且還不是小的不符,而是相差了10倍!到了上世紀的70年代,科學界就普遍認同了暗物質的假設,即認為還存在著既不發光也不反射光的暗物質。可是宇宙並沒有就此讓科學家消停。1998年,美國物理學皮爾姆特(Saul Perlmutter)和澳大利亞物理學家施密特(Brian Schmidt)領導的兩個小組分別觀測發現,那些遙遠的星係正在以越來越快的速度遠離我們。 換句話說,宇宙是在加速膨脹!但是按照廣義相對論方程,137年前大爆炸驅動的宇宙膨脹,按可見物質加上假設的暗物質算,其膨脹速度都應該是減速的!因此隻能再假設一種觀測不到的暗能量,隻有這種能量的內稟斥力大於宇宙質量的內稟引力,才能合理地解釋一個加速膨脹的宇宙。現在科學家給我們提供的宇宙模型是:可見物質——4%,暗物質——22%,暗能量——74%。

  天?!還談什麼萬物之理?就算都說清楚嘍也隻是這個宇宙的百分之四,而對這占了宇宙絕大部分的的暗物質和暗能量,尤其是後者,號稱萬物之理的超弦理論居然不能作出預言,哪怕是一點點暗示。這不就像上個世紀六、七十年代,一個占世界人口三分之一的民族,正走向“國民經濟崩潰的邊緣”,卻在作“解放世界上三分之二受苦人”的夢?

  相比之下廣義相對論倒有可炫耀之處。它沒有預言大爆炸,但它的運動方程邏輯上包含了動態宇宙的模型。愛因斯坦說他的宇宙常數是一生中犯下的最大錯誤,現在看來還未必是什麼錯誤,我們現在不還是需要一種抗衡宇宙收縮的力量嗎?隻不過這個力量在愛因斯坦那堨s宇宙常數,現在叫暗能量而已。當然不能說廣義相對論邏輯地與新的觀測發現相協調。愛因斯坦的宇宙常數是“手動的”,並不能從基本方程邏輯地導出。他當初的設想是,真空能量並不一定嚴格為0,哪怕有那麼一丁點,整個宇宙的真空能量也是不可忽略的,這就是宇宙常數表征的對象。有趣的是,宇宙常數可以是正的,這是一種膨脹的力量;還可以是負的,則是一種收縮的力量。為了平衡宇宙質量的引力收縮,愛因斯坦手動地外加了一個正值的宇宙常數。當人們找到了“大爆炸”這種膨脹力量時,這個常數就變得沒有意義了。

  真空能量不是量子力學的一個邏輯推論嗎?你就甭提這事兒了,直到現在我還不好意思說呢——這是科學史上的一項最糟糕的預言!用不確定性原理計算,正值的宇宙常數是觀測值的10120(1後麵加120個0)倍!1998年前的弦論科學家也有探索過弦論中的宇宙常數的,但似乎都在建構負常數模型。這是削理論之足去適應經驗之履。削完之後才發現,經驗竟然不是小鞋而是大鞋!那就再想辦法把腳拉長。於是又開始了包含正宇宙常數的超弦模型的嚐試。挺狼狽的哈?是的,宇宙暗能量絕對是現代科學範式的一場真正的危機!

  超弦理論就這樣壽終正寢了?人類的統一夢就這樣徹底破滅了?我們剛開始談超弦理論時,科學的天空還日朗雲白,現在似曾相識地也飄來了“兩條烏雲”。然而超弦理論與相對論和量子力學究竟同屬“現代科學”呢?還是革命的“後現代科學”?對此我也說不好,新的實驗反常或危言聳聽之“科學危機”,對超弦理論是好事還是壞事?我們現在似乎又回到了這個量子之旅的起點,又一次陷入迷茫困惑的濃雲迷霧——物理學大廈是在做最後的裝飾呢?還是再一次從基礎起的重建?人類能否最終得到一個統一理論,得到一個萬物之理?M理論並沒有給出一個明確的答案。也許物理學家最終能建構出一個獨一無二無所不包的M理論,或許M理論不過是又一個“哥本哈根詮釋”,告訴我們這個世界有許多的等價解。但這種等價解肯定不像80年前那麼輕鬆——波動和粒子的雙重解,有可能是,10^100或者10^1000個等價解!

  說超弦理論壽終正寢可能為時尚早,第二超弦革命誕生的M理論又為弦論研究綱領開拓了開闊的前景。這個世界不僅有弦,還有膜。什麼“P膜理論”,“D膜理論”的研究又給科學家們帶來新的振奮人心的消息。難道從超弦理論中又會嬗變出超膜理論?如果這樣又會給我們帶來什麼樣的理論前景?

  不過我是解脫了。諸位交我的團費買的是二十世紀物理學瀏覽,而超弦理論是二十一世紀物理學偶然落在二十世紀的碎片,我這個蹩腳導遊已經為大家提供了超值服務。這是新世紀物理學的序言,光輝的新篇章由新一代人書寫,謀篇布局,遣詞造句,作者也許有你?我能預言的隻有:人類永遠有夢,科學家永遠有迷,因此一定會有新的荒唐、新的瘋狂、新的石破天驚、新的驚世駭俗、新的異彩紛呈和新的波瀾壯闊!

  (第二十二章完)




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完全是模仿《上帝擲骰子嗎》,語言組織,結構都是模仿的,甚至有是就的照抄的。

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原帖由 索圖瀚 於 2011-11-26 23:57 發表
完全是模仿《上帝擲骰子嗎》,語言組織,結構都是模仿的,甚至有是就的照抄的。


這話說的!∼∼∼曆史本來就是一個麵目,愛因斯坦隻有一個,你先說就是你的別人再說就是照抄!∼

真滑稽~~~~~~``按此在新窗口瀏覽圖片




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  磁單極子——一個美麗的迷

  感謝超大兄和IO兄的精彩發言。在這個問題上我沒有發言權,僅介紹一下這個理論的來龍去脈,幫助大家了解你們爭論的背景。

  磁單極子是物理學的一個優美的迷,像蒙娜麗莎的微笑。不,蒙娜麗莎的微笑是看得見,猜不透;磁單極子是猜得透,卻看不著。

  麥克斯韋方程是科學史上少有的幾個最優美的理論之一,電場和磁場具有對偶的對稱性,二者具有變換乃至交換的不變性。而缺失的磁單極子,則是這個優美理論的一個瑕疵,就像美女臉上的一塊疤。很簡單,電極是可以獨立的——電子有一個負電荷(圖1),質子有一個正電荷;但誰也沒有見過磁單極——一塊磁石總有南北兩極(圖2),哪怕把它打成無數個碎片,就像一條蚯蚓,切成兩段它變成了兩條有頭有尾的蚯蚓,而不是一條單頭蚯蚓和一條單尾蚯蚓。因此電磁學中隻有電荷單位,而沒有磁荷單位,對稱性在這堹吤╮C

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  圖1 電極是可以孤立存在的,這是一個負電“單極”,把圖中的箭頭倒過來就是正電“單極”。

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  圖2 條形的磁鐵總有南北兩極,磁力線成閉合回路,即使把這條磁鐵不斷地切割,它的切片的兩端永遠是南北極,而不可能切到隻有一極的“磁單極子”。

  狄拉克是一個科學唯美主義者,在他看來,理論的優美比符合經驗事實更重要,“沒有經驗依據”,不能成為塑造美的障礙。在1931年的一篇論文中,他證明了電荷和磁荷具有互為倒數的對偶關係。即,基本電荷與基本磁荷的乘積是一個常數,類似於不確定關係式,一個數很大的時候,另一個數一定很小,反之亦然。我們已經知道了基本電荷的值,由此可以算出,基本磁荷比基本電荷大68.5倍。

  狄拉克這個理論的美學價值是很高的,不僅修補了麥克斯韋理論的缺陷,還實現了電磁理論與量子力學的漂亮的對接。以前電荷的量子化隻是一個觀測事實,現在可以成為一個邏輯推論。我們知道,盡管誇克具有分數電荷,但誇克是被“禁閉”的,我們能觀測到的,最小的電荷即一個電子攜帶的電荷,而電磁作用千變萬化,所有的電荷一定是這個基本電荷(電荷量子)的整數倍。而狄拉克現在證明,隻要宇宙存在著一個磁單極子,則所有的電荷都是磁荷倒數的整數倍!

  可是狄拉克的腦袋太特別了,也許是上帝暗遣的新聞發言人,那其中的玄機,也許隻有他和上帝知道。於是他的磁單極理論被當作一幅優美的油畫掛在牆上,任憑神秘微笑逼視也無人去琢磨。直到1970年代,物理學家在建構大統一理論的時候,發現磁單極子卻不請自來了!在大統一理論的規範對稱性破缺的時候,基本場可以變得“扭曲”,而這種扭曲的某種位形,正是磁單極子(圖3)。

  從理論上解釋還挺複雜,涉及到這個位形的拓撲結構,簡單地說,這個理論證明了宇宙大爆炸的初始階段,曾經產生過大量的磁單極子。然而拓撲結構具有超穩定性,就像一個麵團,隨便怎樣揉捏,隻要不穿洞,都具有等價性。那麼,理論上這些磁單極子現在應該還存在,可是我們為什麼觀測不到呢?科學家用宇宙的“暴漲”理論來解釋了這一現象——磁單極子在暴漲時期被“稀釋”了。

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  圖3 “扭曲場”的一種位形,磁力線從一個中心出發,向四周發散,類似於正電極的模型,這就是理論上的磁單極子。

  自然觀測不到,咱就把它造出來。實際上,二戰以後的重大物理學“發現”,大部分都是製造出來的。磁單極也許已經製造出來了,但還是觀測不到!二十一章談到的超導屏蔽外磁場的效應,這種效應可以使一塊磁鐵在超導體上懸浮起來(圖4),懸浮高速列車利用的就是這個原理。

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  圖4 實驗室堣@塊磁鐵懸浮在超導體上

  這種現象的直觀理解是,磁鐵的磁力線被超導體的一個力量給“頂”回去了,反衝力使磁鐵乃至整個沉重的列車,都懸浮了起來。什麼力量那麼強大?磁力可是“無孔不入”的呀!兩位俄國物理學家給出了一個理論模型:在超導體中,一個北磁單極子和一個南磁單極子交換磁荷,形成一個“磁管”(圖5),磁管堛犖洃O線像一根橡皮筋,其能量與磁單極子的距離成正比。外磁場的磁力線欲侵入這根磁管時,就相當於拉長這根橡皮筋,使其力量倍增,道高一尺,魔高一丈,外磁場越強,“橡皮筋”的能量就越大,因此外磁場會被嚴密地抵禦在國門之外。這兩位物理學家因此獲得了2003年的諾貝爾物理學獎。

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  圖5 南磁單極子(S)和北磁單極子(N)交換磁荷形成的一個磁管。

  為什麼觀測不到磁單極子或磁荷呢?哈哈!有朋友已經看出來了,這個磁管的機製跟強力作用機製是一樣一樣的。核子或強力介子都是誇克交換色荷構成的,但我們從來也觀測不到獨立的誇克和色荷,強力機製總要把色荷配到無色才讓你看。而要切斷色荷線使誇克和單色獨立出來是不可能的,因為分裂的力量會增強團結的力量,因此誇克和色荷被禁閉了。同樣的機理,磁單極子和磁荷也是被禁閉的。

  這個磁管機製也被用來類比質量形成機製,即希格斯場。實際上,就算磁單極子存在也不能直觀的理解為磁鐵那樣有形狀有硬度的東東,理論上它們是一個“能量堆積”,能觀測的也是它們的場效應。

  超大兄說可以用磁單極做成永動機,這個創意太誘人了!世界能源危機一夜之間人間蒸發,動蕩的中東也可以消停下來。遠的不說,跟超大兄訂購一台磁單極車,NND,發改委那汽油價你愛調不調!不過“永動機”這個詞在科學史上與“醜聞”等效。但是誰又說得好呢?許多荒唐和瘋狂的理論最終不也修成了正果?還是希望這事兒能成。不過超大你現在遇到了點麻煩——半路殺出了個IO兄!我的訂單晚點下,你倆打清楚先。哈哈!
  

[本帖最後由 灌水大盜 於 2011-11-29 23:00 編輯]




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  歐洲科學家稱下周二有望首次發現上帝粒子

  2011年12月09日 08:16 新浪科技微博

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  尋找希格斯玻色子正處於最關鍵的最後階段

  新浪科技訊 北京時間12月9日消息,據國外媒體報道,歐洲粒子物理研究所著名科學家約翰-埃利斯近日表示,下星期將有望能夠首次發現所謂的“上帝粒子”--希格斯玻色子。這一發現將是大型強子對撞機所取得的媯{碑式研究成果。

  位於法國和瑞士邊境的大型強子對撞機的關鍵目標之一就是尋找希格斯玻色子。這台粒子加速器讓質子束實現正麵高速碰撞,在碰撞的殘骸中或許能夠找到希格斯玻色子存在的跡象。希格斯玻色子的顯著特點之一就是難以發現和分辨,它的存在性可以幫助科學家理解為什麼粒子會存在質量的謎團。

  尋找希格斯玻色子已成為現代物理學最熱門的課題。下周二,兩個獨立的研究團隊將分別公布他們對大型強子對撞機碰撞數據的研究成果。其中一個課題組的發言人介紹說,今年他們已經單獨在一些350萬億電子伏特能量粒子碰撞的殘骸中進行搜索,發現隻有10個左右的殘骸可能有希格斯玻色子存在的跡象。

  兩個課題組的實驗獨立完成,他們分別使用不同的探測器,即ATLAS探測儀和CMS探測儀,兩種探測器也是采用完全不同的技術。通過這種獨立工作的方式,它們的探測結果相互獨立,但又可以互相驗證。兩種探測結果相近程度將是確定是否發現希格斯玻色子的重要衡量指標。

  兩個課題組都發誓要保守秘密。但是,歐洲粒子物理研究所的各種不同物理博客都在熱議希格斯玻色子存在的可能性,許多物理學家也在期待和預測即將公布的發現結果。課題組的科學家們通過劃分希格斯玻色子可能潛伏的能量範圍來逐漸縮小尋找範圍。科學家們希望能夠在120到125吉電子伏特間發現希格斯玻色子,而1吉電子伏特則大約相當於一個質子的質量。

  歐洲粒子物理研究所理論物理學前首席科學家約翰-埃利斯對於下周二科學大會上公布的研究成果充滿期待。“我認為,我們即將首次看到希格斯玻色子。大型強子對撞機的各項實驗已經在努力尋找。發現希格斯玻色子對於現代物理學來說意義重大。我們目前所采用的是所謂的標準模型,它描述了所有基本粒子的物理學原理。你可以把它看作是一個超級巨大的七巧板,但是恰恰在中間丟失了一塊。我們已經尋找了30年。最後,它有可能存在於大型強子對撞機沙發的背後。我們最終會找到它。”

  課題組認為,下周即將公布的結果並不能算是正式的“發現”聲明,因為他們目前還沒有足夠的實驗數據來支持這一聲明,也許到明年夏季才會有正式聲明。科技記者們得到的消息是要他們等待下周科學大會的簡報,但是課題組的科學家們已難掩興奮的表情。

  也許課題組的科學家們比埃利斯表現得更加謹慎。歐洲粒子物理研究所課題組負責人塞爾吉奧-貝爾托盧西神秘地告訴記者,“現在說成果太早了。我認為我們可能已經發現了與希格斯玻色子不存在理論不一致的跡象。我比較傾向於一種說法,即我們正在沿著朝向發現的方向闊步前進。”(彬彬)

  




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  2011——“上帝粒子年”?

  無功

  據英國《每日郵報》12月8日報道,歐洲核子研究中心(CERN)表示,對被稱為“上帝粒子”的希格斯玻色子的搜尋行動取得重大突破,大型強子對撞機(LHC)或已捕捉到了首個希格斯玻色子的信號。

  說起“質量”,朋友們也許會認為就是通常說的“重量”。其實質量是重量之源,但還不等於重量,否則隻要登上月球,每個人都可以成功減肥到原體重的1/6。準確地說,重量是一定質量的物體在特定引力場(比如地球)中所產生的重力效應。不過在同一引力場中,不太準確地替換使用質量與重量這兩個概念也未嚐不可,反正在地球上你比我重一倍,咱倆一塊登上月球你還是比我重一倍。

  如果有愛刨根問底的孩子再追問一句:質量是重量之源,什麼是質量之源呢?這就有點尷尬。在牛頓的質點動力學中,物體被視為沒有大小的“質點”,它們的唯一屬性就是質量,物體就是質量,質量就是物體,還能問什麼質量之源?幼稚!可是科學就是在“幼稚”地追問中發展的,到上個世紀的六十年代,質量之源還真成了一個重大的物理學問題。

  1900年,德國物理學家普朗克提出“量子”概念,量子物理由此誕生,到1920年代末,公理化的量子力學運動方程建構完成,物理學家就有了認識微觀世界的理論武器。1930年代起,物理學中一門專門研究亞原子粒子的學科——粒子物理學誕生。約二千七百年前,古希臘哲學家和科學家德漠克利特就提出:大千世界,無非原子、虛空二物,原子構成了所有的有形物體,而虛空提供了物體的運動和變化的場所。粒子物理學就是要實現自德漠克利特以來人類刨根問底地了解世界的夙願。

  現在物理學家發現,物體確實是由原子構成的,但原子還不是終極之物。原子由帶負電的電子和帶正電的原子核構成,而原子核又由核子、即帶正電的質子和不帶電的中子構成。這還沒完,1960年代,美國物理學家蓋爾曼等發現,質子和中子還由更小的粒子——紅、綠、蘭三種“誇克”組成。誇克和電子,此類可以組成複合物(如核子或原子),又不由更小的粒子組成的粒子,就叫“基本粒子”。另外,在質子變成中子或中子變成質子的核子衰變中所產生的電子(與組成原子的電子同類,隻是能量更大)和中微子,也屬於基本粒子。這些基本粒子統稱為“費米子”,這是由於這類粒子符合以意大利物理學家費米的名字命名的費米統計規律而得名的。費米子的特性是服從“泡利不相容原理”,簡單地說就是,費米子是相互排斥的,兩個費米子不能占據同一個空間。中世紀經院哲學不是有個論題叫“一個針尖上能站幾個天使”嗎?現在有答案了:如果天使是由費米子組成的,那一個針尖上就隻能站一個天使。

  物體搞清楚了,接下來就要研究物體間的相互作用。經典物理發現的作用力有兩種——引力和電磁力。由於亞原子層次引力作用微乎其微,因此粒子物理學不研究引力。電磁現象大家都很熟悉——電動機、電燈、電話、無線電,光照也是一種電磁波,也屬於電磁現象,但還不僅於此,比如你推一部小車,使它從靜止狀態變為運動狀態,就可以理解為你手掌原子的核外電子與小車原子的核外電子的排斥作用。大家知道,電磁作用的原理是“同性相斥,異性相吸”,我要告訴大家的是這種作用並不是在構成物體的費米子之間直接進行的,而是通過傳遞光子進行的。相互作用的兩個費米子就好比兩個坐在輪椅上的籃球運動員,同性相斥的情況下它們互相傳遞一個光子籃球,反衝力使它倆互相遠離;異性相吸的情況下它倆互相拽這個籃球,拉力使它們互相趨近。光子就是傳遞電磁相互作用信息的“信使粒子”。在粒子物理學中,光子也是一種不被其他粒子複合的基本粒子。怎麼聽起來怪怪的?光子不就是光線嗎?整日那麼多光子打在我的臉上怎麼就不覺得疼呢?對,這是一種與構成你的費米子不同的粒子叫“玻色子”,因為符合以印度物理學家玻色命名的玻色統計規律而得名。玻色子的特點是不遵從不相容原理,就是說玻色子不像費米子那麼小氣,它們占據的空間其他粒子還可以來占據。如果天使是由玻色子構成的,則一個針尖上可以站無數個天使。充滿玻色子的空間由於玻色子的“虛懷若穀”,也可以像德漠克利特那樣稱之為“虛空”。光子不僅要傳遞作用量大小的信息,還要傳遞“規範”信息(該遠離還是趨近?),所以光子這個信使粒子也叫“規範玻色子”。

  好,我們現在回到原子內部。在這堙A除了正電粒子和負電粒子之間的電磁作用外,還有另外兩種相互作用力。一種是管核子衰變的“弱相互作用力”,使質子變為中子或使中子變為質子。另一種是“強相互作用力”,管把誇克吸引在一起組成核子和把核子吸引在一起組成原子核。舉一反三,弱力作用和強力作用也是通過傳遞規範玻色子實現的。現在質量問題出來了!

  光子是一種沒有靜止質量,能量也很小的粒子,其傳遞的電磁作用力是一種“長程力”,這很合理。但弱力和強力都必須是一種“短程力”,就是說隻能在短時間小範圍(“雙規”)內進行。傳遞弱力的玻色子必須壽命很短,短到核子還沒有作出反應信使粒子就“湮滅”了,保證核子隻有很小的概率發生衰變。否則不說別的,我們體內的核子時時刻刻發生衰變咱們就受不了,因為核子衰變會產生一種高能電子——貝塔射線,這種射線對人體有極大的殺傷力,居堣狺H的早逝貝塔射線就是主要殺手。強力作用的範圍也隻能在原子核大小的極小的範圍內進行,否則強大的吸引力把核外電子吸引到原子核造成“原子坍縮”,整個世界也就跟著灰飛煙滅!而能對弱力和強力實行“雙規”的唯一辦法是使傳遞這二種力的玻色子帶有光子所沒有的質量,而且還是很大的質量。然而物理學家在建立弱力和強力的數學模型時卻發現:弱力玻色子和強力玻色子都必須是像光子一樣的無質量的粒子才能成立,而這又與實驗結果明顯不符。現在手心是理論,手背是實驗,如何取舍?唉,兩難?!

  為什麼理論上非得無質量呢?這跟“對稱性”的概念有關。對稱性是客觀存在的一種普遍現象。自然界中對稱產生美,比如人體就是左右對稱的,看你一個側麵就可以畫出你的整體畫像,不對稱就被叫做“歪瓜裂棗”。社會中對稱產生和諧,比如上學讀書,作為“同學”全班人具有對稱性,你說“我爸是李剛”,他說“我爸是蓋茨”,這個班集體就不會是和諧的。科學中對稱產生規律,英國物理學家麥克斯韋在對稱性的基礎上建構出電磁統一動力方程,預言了電磁現象,才有了歐洲以電力使用為特征的第二次工業革命,否則我現在隻能點著油燈用毛筆來寫這篇文章,派快馬送到北京。同樣,信使粒子如果不具有無質量的對稱性,我們就無法建構各種作用力的規律,也就無法利用這些規律來為人類的目的服務。

  有沒有可能理論上信使粒子無質量是對的,實驗觀測到的信使粒子有質量也是對的?嘿,這是強詞奪理嘛!別急,還是有道理講的。你們全班同學具有對稱性不假,但大家總要畢業進入社會,從事不同的行業,成就、財富都會有差別甚至是巨大的差別,所以說同學這種對稱性是必然會被打破的,物理學上這叫“對稱性自發破缺”。人是進步的,生物是進化的,信使粒子就一定有一成不變的“先天本質”? 宇宙大爆炸之初,世界多簡單?,隻有離散的電子、光子、中微子、質子和中子,傳遞作用信息任務很簡單,三種作用力還無明確分工。以後宇宙冷卻,才形成了核子,之後原子、分子,作用力才有了分工。就像以前業務簡單時,就一個郵電局,以後量大了,就分出了郵政局和電信局,再複雜一點電信中還分出了移動。對,現在看似不同的信使粒子原本都在同一個郵電局,具有精確的對稱性,以後郵電局拆分了,才分配到了不同的單位,對稱性才發生了自發破缺。

  現在的關鍵是,建立一個基本粒子的“對稱性自發破缺機製”。本文的主角閃亮登場。1964年,35歲的英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)在歐洲核子研究中心的《物理快報》(Physics Letters)上發表了《破壞了的對稱性、無質量的粒子和規範場》等兩篇論文,提出了 “希格斯機製”, 並預言了這種機製的一個產物——“希格斯玻色子”。根據希格斯的假設,空間彌漫著一個希格斯場,希格斯粒子是這個場的量子化激發態。在早期宇宙中,希格斯場是各向同性的,這也是標準模型中的規範玻色子嚴格對稱的注腳。但是大爆炸之後,由於不確定性微擾,這種對稱性很快地就自發破缺掉了,在時空上分化出了四個極化分量——兩個帶電的兩個中性的。前三個分量與基本粒子發生耦合,使基本粒子獲得質量和不同的電性,剩下一個電中性的分量就是希格斯玻色子。

  1967年,美國物理學家溫伯格和巴基斯坦物理學家薩拉姆用希格斯的對稱性自發破缺機製成功地構造了一個電磁力與弱力統一的理論,這個理論被命名為“溫伯格—薩拉姆模型”,在這個模型中,電弱玻色子場與希格斯場耦合,“吃掉”兩個帶電的分量和一個中性的分量,從而獲得質量(約比質子質量大80~90倍),形成三種分別帶正電、負電和中性的玻色子,命名為W+、W-和Z0玻色子,而不與希格拉場發生耦合的玻色子依然沒有質量,這就是光子。所以三個弱力玻色子和光子本來都是一個班的同學,進入希格斯場這個社會後,由於融入(耦合)與不融入的區別,W和Z粒子為質量所累而步履蹣跚,在“雙規”下傳遞短程的弱力作用,光子出汙泥而不染保持無質量本色而秒行三十萬堙A傳遞長程的電磁作用,對稱性就是這樣自發破缺了。

  電弱統一理論被視作與麥克斯韋統一電磁場理論同樣科學奇跡,瑞典皇家科學院一激動就把1979年的諾貝爾物理學獎以“對基本粒子弱相互作用理論的貢獻”的名義授予了格拉肖(電弱統一模型的最早提出者)、溫伯格和薩拉姆。一向處事謹慎的諾獎委員會這次可是冒了個天大的風險——“溫伯格—薩拉姆模型”預言的W和Z粒子還沒有被實驗證實呢!1983年,位於日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN),在意大利物理學家魯比亞領導下的100多位世界各國科學家協作,通過質子—反質子對撞機發現了這三種玻色子,諾委會的委員們這才如釋負重,長籲了一口氣。下一年,就神速地把1984年的諾貝爾物理學獎授予了魯比亞,這大概也包括了感謝他對諾委會的救贖。

  其實何止規範玻色子需要對稱性破缺機製?宇宙大爆炸之初,世界就是一混沌的能量團,也需要一個對稱性的破缺機製,分化成質量和電性各異的費米子,以構建千姿百態的宇宙萬物。有希格斯機製為後盾,物理學家就有信心像化學元素表一樣建立一個邏輯嚴整的基本粒子表,這就是“粒子物理的標準模型”。在這個模型中,包括三代誇克和三代輕子(電子及其中微子),以及它們的反粒子,總共48種費米子;此外還有三類信使粒子:傳遞電磁力的光子、傳遞弱力的W±和Z0粒子和傳遞強力的八種膠子,總共12種規範玻色子。合起來總共60個基本粒子,據此我們就可以解釋天上地下,一切物質和一切運動。如果說宇宙是一座大廈,費米子就是磚塊,玻色子就是混凝土。這是一個很漂亮的模型,具有優美的邏輯流形和完美的對稱性。神奇的是,這個模型邏輯需要的所有粒子,全部都被觀測驗證,具有紮實的經驗基礎。從粒子加速器被發明以來,半個多世紀物理共同體積累下來數以萬億計的實驗事例,居然全部符合標準模型,無一例實驗反常!粒子物理的標準模型不愧是二十世紀物理學天空最耀眼的一顆明星!

  且慢!我們說標準模型具有優美的對稱性是排除了質量考慮的。考慮這一因素,似乎就不太雅觀。同樣是誇克,最大的和最小的居然有70000倍之差,同樣是玻色子,光子0質量而弱力玻色子是比質子都要大近百倍的巨無霸,把姚明們和侏儒們參差地排成一個隊列,能好看嗎?為什麼可以忽略質量呢?那不是還有希格斯嘛,希格斯機製把質量形成的秘密說出來,這一切就會變得無比優美。這就是標準模型的第61個基本粒子——希格斯玻色子。物理學家已經見到的那60個基本粒子可不能與這一個等量齊觀,這一個希格斯玻色子可是全部標準模型大廈的基石,沒有她,整個大廈就會轟然倒塌。可是,恰恰是這個最重要的希格斯正色子,是標準模型堸艉@一個沒被觀測證實的基本粒子!該死的!

  因此希格斯玻色子令人又愛又恨。愛的是她把握著一個宇宙的終極秘密,這可是無價的精神財富?!恨的是她老那麼遮遮掩掩,像一個絕色美女,隻向你拋媚眼卻不讓人你親熱。1988年的諾獎得主美國物理學家萊德曼將她稱為“一個無處不在的幽靈一樣的大壞蛋”。為了尋找她必須建造巨無霸式的粒子對撞機,那巨額的投資連美國財政部長的手都要打哆嗦。因此隻好各發達國家湊份子建造,多國科學家合作攻關。萊德曼(Leon Lederman)寫過一本介紹希格斯機製的書,書名叫做《該死的粒子(goddamn particle)——假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》。編輯覺得“goddamn”這種罵人的話出現在書名上也太有失斯文,不同意使用。萊德曼一氣之下就把這個詞的後四個字母劃掉變成了“God”,於是出版時變成了《上帝粒子(God particle)——假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》。歪打正著,“上帝粒子”這個名詞倒很傳神——希格斯玻色子既不做宇宙大廈的磚塊,也不做混凝土,但她管這些建築材料的成型,是這座大廈的總設計師和總工程師。她揮動著上帝之手,指揮著宇宙威武雄壯的交響曲!

  希格斯玻色子很迷人,但並非所有的物理學家都青睞她,宇宙學大師霍金就不看好,並且公開發表他的反對意見。在2002年9月的一次晚宴上,談及霍金希格斯不無怨氣地對一位記者說:“霍金由於其特殊的名望獲得了本不該有的、順手拈來的權威性,同時他與其他領域的理論家們交流起來很困難。”這事被媒體大肆炒作,希格斯未免尷尬,忙給霍金去信說明自己的本意。霍金表示對此並不介意。

  霍金的不介意還有另一層意思,就是他不會因為希格斯的態度而改變觀點。CERN於2008年9月啟動的大型強子對撞機(LHC),其首要任務就是找尋希格斯粒子。世界科學家都為此激動不已。這一年已經79歲希格斯說,如果發現了希格斯玻色子,他將打開一瓶香檳,還說希望能用這一好消息來慶祝自己的80大壽。霍金在物理圈“嗜賭成性”是出了名的,在接受BBC電台采訪時說他已出資100美元賭LHC不會發現希格斯玻色子。但是大師級人物改行做預測往往敗績居多,如前球王貝利,霍金在以往的物理打賭中似乎全無勝績。

  2011年,LHC追尋上帝粒子之旅進入第三個年頭,有樂觀者預言這一年將會有勝利的結果,這可是物理學史上媯{碑式的大事件,因此2011年將會成為物理學的“上帝粒子年”!時間進入12月,眼見這個預言就要落空,近日歐洲核子研究中心(CERN)突然宣布:搜尋行動取得重大突破,大型強子對撞機(LHC)或已捕捉到了首個希格斯玻色子的信號。可是科學法庭跟社會法庭一樣,判決要有完整的證據鏈,孤證不能成立。這個“信號”能否成為希格斯玻色子的出生證,還有賴於今後的重複實驗和對比實驗的反複證實,以及物理共同體對實驗證據的理論研判和公認。於是時間在這堶邠y,2011年是不是“上帝粒子年”,由今後的時間決定。我現在最頭疼的問題是:已經準備的一瓶慶祝上帝粒子誕生的茅台,現在該不該喝?朋友們,給個意見吧!

  20111212

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