接上篇，繼續(xù)講時(shí)間簡(jiǎn)史……
第五章 基本粒子和自然的力
導(dǎo)讀：本章是我感覺這本書最晦澀難懂的一章了，因?yàn)橹v的是基礎(chǔ)物理學(xué)，今天終于硬著頭皮讀完了。
主要講了兩個(gè)物理概念：
第一：組成物質(zhì)的基本單位（粒子）都有哪些？
簡(jiǎn)言之，宇宙或者說我們的世界是由不同的物質(zhì)組成的，大到星球星系，小到地球的動(dòng)物植物一切的一切，都是由分子組成的，分子是由原子組成的，原子是由原子核和電子組成的，原子核是由夸克組成的，夸克又分為了上夸克、下夸克、魅夸克、底夸克和頂夸克。我們宇宙可能還有一個(gè)鏡像的宇宙，以上的所有粒子都有其反粒子，比如反電子、反夸克等等。本書就介紹到這個(gè)細(xì)微級(jí)別了，隨著物理學(xué)的發(fā)展，未來還會(huì)發(fā)現(xiàn)更為基礎(chǔ)的粒子。
第二：宇宙有四種力，引力、電磁力、弱核力和強(qiáng)核力?；A(chǔ)物理學(xué)的終極目標(biāo)就是統(tǒng)一這四種力，目前只把后三種統(tǒng)一起來了，叫做CPT大統(tǒng)一理論，引力還沒有。霍金通過研究黑洞得出的一些理論為未來真正的量子引力論奠定了基礎(chǔ)。
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盧瑟福-查德威克原子模型，
電子繞著質(zhì)子和中子構(gòu)成的微小的密集的核公轉(zhuǎn)
存在有幾種不同類型的夸克——至少有六種以上的“味”，這些味我們分別稱之為上、下、、魅、底和頂。每種味都帶有三種“色”，即紅、綠和藍(lán)。（必須強(qiáng)調(diào)，這些術(shù)語僅僅是記號(hào)：夸克比可見光的波長(zhǎng)小得多，所以在通常意義下沒有任何顏色。這只不過是現(xiàn)代物理學(xué)家更富有想像力地去命名新粒子和新現(xiàn)象而已——他們不再將自己限制于只用希臘文?。┮粋€(gè)質(zhì)子或中子是由三個(gè)夸克組成，每個(gè)一種顏色。一個(gè)質(zhì)子包含兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克；一個(gè)中子包含兩個(gè)下夸克和一個(gè)上夸克。我們可用其他種類的夸克（、魅、底和頂）構(gòu)成粒子，但所有這些都具有大得多的質(zhì)量，并非?？斓厮プ兂少|(zhì)子和中子。
中子包含兩個(gè)具有-1/3電荷的下夸克和一個(gè)具有+2/3電荷的上夸克，其總電荷為0
夸克存在6種味，每一種又有3種顏色。和夸克一樣，反夸克也存在6種味，每一種又有3種反顏色。
現(xiàn)在我們知道，不管是原子還是其中的質(zhì)子和中子都不是不可分的。問題在于什么是真正的基本粒子——構(gòu)成世界萬物的最基本的構(gòu)件？由于光波波長(zhǎng)比原子的尺度大得多，我們不能期望以通常的方法去“看”一個(gè)原子的部分，而必須用某些波長(zhǎng)短得多的東西。
基本粒子具有稱為自旋的性質(zhì)。自旋0的粒子從所有方面看都一樣（A）。自旋1的粒子當(dāng)它被轉(zhuǎn)動(dòng)整整360°后顯得一樣（B），而自旋2的粒子則只需要旋轉(zhuǎn)180°（C）。然而，自旋1/2的粒子必須旋轉(zhuǎn)兩整圈才會(huì)顯得一樣（D）。
粒子的自旋真正告訴我們的是，從不同的方向看粒子是什么樣子的。一個(gè)自旋為0的粒子像一個(gè)圓點(diǎn)：從任何方向看都一樣（圖5.1－A）。而自旋為1的粒子像一個(gè)箭頭：從不同方向看是不同的（圖5.1-B）。只有把當(dāng)它轉(zhuǎn)過完全的一圈（360°）時(shí)，這粒子才顯得是一樣。自旋為2的粒子像個(gè)雙頭的箭頭（圖5.1－C）：只要轉(zhuǎn)過半圈（180°），看起來便是一樣的了。類似地，更高自旋的粒子在旋轉(zhuǎn)了整圈的更小的部分后，看起來便是一樣的。所有這一切都是這樣的直截了當(dāng)，但驚人的事實(shí)是，有些粒子轉(zhuǎn)過一圈后，仍然顯得不同，你必須使其轉(zhuǎn)兩整圈！這樣的粒子具有1／2的自旋。
宇宙間所有已知的粒子可以分成兩組：組成宇宙中的物質(zhì)的自旋為1/2的粒子；在物質(zhì)粒子之間引起力的自旋為0、1和2的粒子。物質(zhì)粒子服從所謂的泡利不相容原理。泡利不相容原理是說，兩個(gè)類似的粒子不能存在于同一個(gè)態(tài)中，即是說，在不確定性原理給出的限制內(nèi)，它們不能同時(shí)具有相同的位置和速度。不相容原理是非常關(guān)鍵的，因?yàn)樗忉屃藶楹挝镔|(zhì)粒子在自旋為0、1和2的粒子產(chǎn)生的力的影響下不會(huì)坍縮成密度非常之高的狀態(tài)的原因：如果物質(zhì)粒子幾乎在相同位置，則它們必須有不同的速度，這意味著它們不會(huì)長(zhǎng)時(shí)間存在于同一處。如果世界創(chuàng)生時(shí)不相容原理不起作用，夸克將不會(huì)形成不相連的、很好定義的質(zhì)子和中子，進(jìn)而這些也不可能和電子形成不相連的、很好定義的原子。所有它們都會(huì)坍縮形成大致均勻的稠密的“湯”。
如果你遇到反你，小心，不要握手！
任何粒子都有會(huì)和它相湮滅的反粒子。（對(duì)于攜帶力的粒子，反粒子即為其自身。）也可能存在由反粒子構(gòu)成的整個(gè)反世界和反人。然而，如果你遇到了反你，注意不要握手！否則，你們兩人都會(huì)在一個(gè)巨大的閃光中消失殆盡。
物質(zhì)粒子之間的相互作用可以被描述成交換攜帶力的粒子
在量子力學(xué)中，所有物質(zhì)粒子之間的力或相互作用都認(rèn)為是由自旋為整數(shù)0、1或2的粒子承擔(dān)。物質(zhì)粒子——譬如電子或夸克——發(fā)出攜帶力的粒子，由于發(fā)射粒子所引起的反彈，改變了物質(zhì)粒子的速度。攜帶力的粒子又和另一物質(zhì)粒子碰撞從而被吸收。這碰撞改變了第二個(gè)粒子的速度，正如同兩個(gè)物質(zhì)粒子之間存在過一個(gè)力。
當(dāng)輪賭盤快速旋轉(zhuǎn)時(shí)，輪賭球可以在所有可能的位_置之間自由運(yùn)動(dòng)。然而，當(dāng)輪賭盤緩慢下來，球就會(huì)停到37個(gè)不同位置中的一個(gè)。不同粒子可能也是這個(gè)原理，本質(zhì)是同一種粒子。
攜帶力的粒子按照其攜帶力的強(qiáng)度以及與其相互作用的粒子可以分成四種。必須強(qiáng)調(diào)指出，將力劃分成四種是種人為的方法；它僅僅是為了便于建立部分理論，而并不別具深意。大部分物理學(xué)家希望最終找到一個(gè)統(tǒng)一理論，該理論將四種力解釋為一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。確實(shí)，許多人認(rèn)為這是當(dāng)代物理學(xué)的首要目標(biāo)。
第一種力是引力，這種力是萬有的，也就是說，每一粒子都因它的質(zhì)量或能量而感受到引力。引力比其他三種力都弱得多。它是如此之弱，以致于若不是它具有兩個(gè)特別的性質(zhì)，我們根本就不可能注意到它。這就是，它會(huì)作用到非常大的距離去，并且總是吸引的。這表明，在像地球和太陽這樣兩個(gè)巨大的物體中，所有的粒子之間的非常弱的引力能迭加起來而產(chǎn)生相當(dāng)大的力量。另外三種力或者由于是短程的，或者時(shí)而吸引時(shí)而排斥，所以它們傾向于互相抵消。
另一種力是電磁力。它作用于帶電荷的粒子（例如電子和夸克）之間，但不和不帶電荷的粒子（例如引力子）相互作用。它比引力強(qiáng)得多：兩個(gè)電子之間的電磁力比引力大約大100億億億億億（在1后面有42個(gè)0）倍。然而，共有兩種電荷——正電荷和負(fù)電荷。同種電荷之間的力是互相排斥的，而異種電荷則互相吸引。一個(gè)大的物體，譬如地球或太陽，包含了幾乎等量的正電荷和負(fù)電荷。由于單獨(dú)粒子之間的吸引力和排斥力幾乎全抵消了，因此兩個(gè)物體之間純粹的電磁力非常小。然而，電磁力在原子和分子的小尺度下起主要作用。在帶負(fù)電的電子和帶正電的核中的質(zhì)子之間的電磁力使得電子繞著原子的核作公轉(zhuǎn)，正如同引力使得地球繞著太陽旋轉(zhuǎn)一樣。
第三種力稱為弱核力。它制約著放射性現(xiàn)象，并只作用于自旋為1/2的物質(zhì)粒子，而對(duì)諸如光子、引力子等自旋為0、1或2的粒子不起作用。除了光子，還存在其他3個(gè)自旋為1的被統(tǒng)稱作重矢量玻色子的粒子，它們攜帶弱力。它們叫W（W正）、W-（W負(fù)）和Z0（Z零），每一個(gè)具有大約100吉電子伏的質(zhì)量（1吉電子伏為10億電子伏）。上述理論展現(xiàn)了稱作自發(fā)對(duì)稱破缺的性質(zhì)。它表明在低能量下一些看起來完全不同的粒子，事實(shí)上只是同一類型粒子的不同狀態(tài)。在高能量下所有這些粒子都有相似的行為。這個(gè)效應(yīng)和輪賭盤上的輪賭球的行為相類似。在高能量下（當(dāng)這輪子轉(zhuǎn)得很快時(shí)），這球的行為基本上只有一個(gè)方式——即不斷地滾動(dòng)著；但是當(dāng)輪子慢下來時(shí)，球的能量就減少了，最終球就陷到輪子上的37個(gè)槽中的一個(gè)里面去。換言之，在低能下球可以存在于37個(gè)不同的狀態(tài)。如果由于某種原因，我們只能在低能下觀察球，我們就會(huì)認(rèn)為存在37種不同類型的球！
第四種力是強(qiáng)作用力。它將質(zhì)子和中子中的夸克束縛在一起，并將原子中的質(zhì)子和中子束縛在一起。一般認(rèn)為，稱為膠子的另一種自旋為1的粒子攜帶強(qiáng)作用力。它只能與自身以及與夸克相互作用。強(qiáng)核力具有一種稱為禁閉的古怪性質(zhì)：它總是把粒子束縛成不帶顏色的結(jié)合體。由于夸克有顏色（紅、綠或藍(lán)），人們不能得到單獨(dú)的夸克。反之，一個(gè)紅夸克必須用一串膠子和一個(gè)綠夸克以及一個(gè)藍(lán)夸克聯(lián)結(jié)在一起（紅＋綠＋藍(lán)＝白）。這樣的三胞胎構(gòu)成了質(zhì)子或中子。其他的可能性是由一個(gè)夸克和一個(gè)反夸克組成的對(duì)（紅＋反紅，或綠＋反綠，或藍(lán)＋反藍(lán)＝白）。這樣的結(jié)合構(gòu)成稱為介子的粒子。介子是不穩(wěn)定的，因?yàn)榭淇撕头纯淇藭?huì)互相湮滅而產(chǎn)生電子和其他粒子。類似地，由于膠子也有顏色，色禁閉使得人們不可能得到單獨(dú)的膠子。相反地，人們所能得到的膠子的團(tuán)，其迭加起來的顏色必須是白的。這樣的團(tuán)形成了稱為膠球的不穩(wěn)定粒子。
由夸克和反夸克還可以組成無色的組合，其顏色被對(duì)消了（如紅+反紅）
統(tǒng)一電磁和弱力的成功，使許多人試圖將這兩種力和強(qiáng)核力合并在所謂的大統(tǒng)一理論（或GUT）之中。這名字相當(dāng)夸張，所得到的理論并不那么輝煌，也沒能將全部力都統(tǒng)一進(jìn)去，因?yàn)樗⒉话ΑＫ鼈円膊皇钦嬲暾睦碚?，因?yàn)樗鼈儼嗽S多不能從這理論中預(yù)言而必須人為選擇去適合實(shí)驗(yàn)的參數(shù)。盡管如此，它們可能是朝著完全的統(tǒng)一理論推進(jìn)的一步。GUT的基本思想是這樣：正如前面提到的，在高能量時(shí)強(qiáng)核力變?nèi)趿?；另一方面，不具有漸近自由性質(zhì)的電磁力和弱力在高能量下變強(qiáng)了。在非常高的叫做大統(tǒng)一能量的能量下，這三種力都有同樣的強(qiáng)度，所以可看成一個(gè)單獨(dú)的力的不同方面。在這能量下，GUT還預(yù)言了自旋為1/2的不同物質(zhì)粒子（如夸克和電子）也會(huì)基本上變成一樣，這樣導(dǎo)致了另一種統(tǒng)一。
在一個(gè)云霧室中加速粒子軌跡的彩色反轉(zhuǎn)片，
在中央交點(diǎn)發(fā)生反質(zhì)子和質(zhì)子的湮滅
可能的質(zhì)子壽命至少應(yīng)為1千萬億億億年（1后面跟31個(gè)0）。這比簡(jiǎn)單的大統(tǒng)一理論所預(yù)言的壽命更長(zhǎng)。
我們沒有直接的證據(jù)表明其他星系中的物質(zhì)是由質(zhì)子、中子還是由反質(zhì)子、反中子構(gòu)成，但二者只居其一，否則我們又會(huì)觀察到大量由涅滅產(chǎn)生的輻射。因此，我們相信，所有的星系是由夸克而不是反夸克構(gòu)成；看來，一些星系為物質(zhì)而另一些星系為反物質(zhì)也是不太可能的。
在瑞士日內(nèi)瓦附近的CERN的ALEPH檢測(cè)器的一個(gè)終端蓋子。在這種加速器中進(jìn)行高能粒子碰撞，研究者可以創(chuàng)造類似于大爆炸之后存在的狀態(tài)
為什么夸克比反夸克多這么多？為何它們的數(shù)目不相等？這數(shù)目有所不同肯定使我們交了好運(yùn)，否則，早期宇宙中它們勢(shì)必已經(jīng)相互湮滅了，只余下一個(gè)充滿輻射而幾乎沒有物質(zhì)的宇宙。因此，后來也就不會(huì)有人類生命賴以發(fā)展的星系、恒星和行星。慶幸的是，大統(tǒng)一理論可以提供一個(gè)解釋，盡管甚至剛開始時(shí)兩者數(shù)量相等，為何現(xiàn)在宇宙中夸克比反夸克多。正如我們已經(jīng)看到的，大統(tǒng)一理論允許夸克變成高能下的反電子。它們也允許相反的過程，反夸克變成電子，電子和反電子變成反夸克和夸克。早期宇宙有一時(shí)期是如此之熱，使得粒子能量高到足以使這些轉(zhuǎn)變發(fā)生。但是，為何導(dǎo)致夸克比反夸克多呢？原因在于，對(duì)于粒子和反粒子物理定律不是完全相同的。
直到1956年人們都相信，物理定律分別服從三個(gè)叫做C、P和T的對(duì)稱。C（電荷）對(duì)稱的意義是，對(duì)于粒子和反粒子定律是相同的；P（宇稱）對(duì)稱是指，對(duì)于任何情景和它的鏡像（右手方向自旋的粒子的鏡像變成了左手方向自旋的粒子）定律不變；T（時(shí)間）對(duì)稱是指，如果我們顛倒粒子和反粒子的運(yùn)動(dòng)方向，系統(tǒng)應(yīng)回到原先的那樣；換言之，對(duì)于前進(jìn)或后退的時(shí)間方向定律是一樣的。
在大統(tǒng)一理論中一個(gè)質(zhì)子中的兩個(gè)上夸克和一個(gè)下夸克會(huì)變成一個(gè)下/下反π0介子和一個(gè)反電子
早期宇宙肯定是不服從T對(duì)稱的：當(dāng)時(shí)間往前走時(shí)，宇宙膨脹；如果它往后退，則宇宙收縮。而且，由于存在著不服從T對(duì)稱的力，因此當(dāng)宇宙膨脹時(shí)，相對(duì)于將電子變成反夸克，這些力更容易將反電子變成夸克。然后，當(dāng)宇宙膨脹并冷卻下來，反夸克就和夸克湮滅，但由于已有的夸克比反夸克多，少量過剩的夸克就留下來。正是它們構(gòu)成我們今天看到的物質(zhì)，由這些物質(zhì)構(gòu)成了我們自己。這樣，我們自身之存在可認(rèn)為是大統(tǒng)一理論的證實(shí)，哪怕僅僅是定性的而已；但此預(yù)言的不確定性到了這種程度，以至于我們不能知道在湮滅之后余下的夸克數(shù)目，甚至不知是夸克還是反夸克余下。（然而，如果是反夸克多余留下，我們可以簡(jiǎn)單地稱反夸克為夸克，夸克為反夸克。）
黑洞就是由這種恒星的坍縮和圍繞它們的強(qiáng)大的引力場(chǎng)所產(chǎn)生的。正是黑洞研究給出了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論如何相互影響的第一個(gè)暗示——亦即尚未成功的量子引力論的一瞥。
本系列未完待續(xù)……
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