纸上乱弹物理学——高能与粒子物理

纸上乱弹物理学——高能与粒子物理

Posted on July 6, 2008by gaugephoenix

即使在物理学里，粒子物理也算是比较奇怪的分支了。别的分支，只要不是起了个太后现代的名字，多少能让大家知道它是做什么的。比如地球物理一看就是研究地球本身的，固体物理显然和固体有关，宇宙学……恩，不用说了，我们抬头看到的东西都和它有关。可是粒子物理？谁知道“粒子”是什么玩意儿，有多大，平时都呆在哪儿。恩，这确实是个很不直观的东西，尤其是再考虑到“粒子”这个概念在20世纪至少变了三次，看来粒子物理让人感到困惑也确实没什么奇怪的，甚至可能会有人大吼：“变来变去，难道你们自己也不知道该研究什么吗？” 其实从另一个角度来看，粒子物理研究的内容算是非常清晰。粒子物理只是想回答两个问题：“我们生活的世界到底是由什么东西构成的”“这些东西又是怎么构成我们这个世界的”。这两个问题起源很古老，至少古中国人和古希腊人就试图回答了。无论是“金木水火土”还是“风土水火”都可以看做是“粒子物理”最早的尝试——当然没有任何科学性可言。在现代物理学和分子模型诞生之后，“粒子物理”算是开始走上了正轨。当然了，其实那时候是没有“粒子物理”这个名称的，那时候的人们更倾向于把研究物质基本组成的学科叫做“化学”，呵呵。随着人们发现分子是有原子构成的，而且原子又有那么美妙的周期律，看起来第一个问题回答的真是很清楚了。 可是很快问题又来了，我们一个又一个的发现新的原子（元素）。50，60，70，80一直不停的增加。更为重要的是，连同居里夫人在内的几位物理（化学）家又发现一些原子是可以自然变成另一些原子的……这些可怕的事实似乎提示我们：原子看来也不是什么基本的东西了。在差不多（或稍早）的时候，汤姆孙测量了阴极射线，发现它由一些质量远远小于氢原子的东西（电子）构成。阴极射线是金属加热后产生的，恩，我们似乎得到结论，看来电子像是原子的一个组成部分。这样，从电子发现开始，“粒子物理”算是诞生了，那时候的人们，把质量小于原子，可能是原子组成部分的东西都叫做“粒子”。 20世纪初，卢瑟福用他精妙的实验证明了原子由一个很小的核和外围电子构成。随后物理学家们由确定了原子核是有质子和中子两种粒子构成的。我们的世界看起来真的变得非常简单。电子、质子、中子这三种粒子的不同的组合就形成了我们千变万化的世界。粒子物理现在可以放下第一个问题，专心解决第二个问题就可以了，因为核力确实很奇怪也很复杂。 可惜，世界从来不让人们舒坦着过。在宇宙射线中发现了一种mu轻子。这个奇怪的粒子除了比电子重200倍，剩下所有的性质都和电子一样，但是它又绝对不存在于稳定的物质之中。以至于无数物理学家绝望的仰天呐喊：“Why do we have this guy?”随后他们更加绝望了，在实验室里，粒子物理学家发现了越来越多的类似mu轻子的粒子，有些粒子找到了存在的意义，另一些仍然显得很神秘。当时，这些粒子们都被统称为“基本粒子”。 为了更好的研究这些粒子，物理学家们试图把带电的粒子加速到更高的速度，让它们带有更高的能量，然后相撞。这样，我们就能看到更小的尺度，看到世界更基本的结构。粒子物理学家们需要的能量越来越高，很快一次反应所需的能量就超过了核反应释放的能量。由于这种赤裸裸的对于能量的滥用，粒子物理从此又多了一个称呼“高能物理”。 随后，更高的能量却更快的将粒子物理学家推向了绝望的深渊。新的“基本”粒子赶集一样的出生，很快，小写希腊字母已经不够用了，大写希腊字母也不够用了，甚至在字母上加各种+号-号++号都显得不够用了。粒子物理学家们发现他们面对的是比元素数量还多的“基本”粒子，就好像是开了个乱哄哄的动物园，而且各种新的动物还在不停的往进冲。 终于，盖尔曼不能忍受粒子物理学家变成动物学家这个事实了，他提出了夸克模型，将这几百号动物用几种夸克的不同组合表示出来，成功的将几百压缩到了个位数字。这节省了太多物理学家的寿命，也将物理学家从名字的海洋里解救出来，于是，还没等实验上观测到夸克，瑞典人就把诺贝尔奖发给他了。 现在，粒子物理的标准模型告诉我们，物质是由6种轻子（电子是其中的一种）和6种夸克组成的，这些粒子之间的相互作用由4种规范波色子来传递，再加上一个给大家质量的Higgs波色子（实验上尚未找到），世界一下子又变得清爽多了。到目前为止，标准模型已经诞生了30年，仍然是我们描述世界的最基本也是最精确的理论。 以上的文字简单的叙述了人类对于物质基本结构的探求，简单概括起来，就是：原子->原子核->质子、中子、电子->夸克、轻子。随着我们输入的能量越来越高，上一层次的物质就被打散，出现下一层次的物质。而正因为粒子物理总是要研究最底层的物质，所以我们可以看到，粒子物理研究对象的改变其实是很自然的，每当出现了新的基本结构，粒子物理学家就转去研究这种新的结构，以及它们怎么构成上一层次的物质了。从这种意义上讲，粒子物理算是真正的与时俱进的学科。 到目前为止，我们只看到了回答第一个问题的努力，其实更多的时候，粒子物理学家是在努力回答第二个问题：“粒子之间的相互作用是怎样的”。为了回答这个问题，量子力学被用进来了（因为是微观世界）。随后能量越来越高，粒子运动速度接近光速，狭义相对论也不得不进来了。相对论和量子力学的结合诞生了量子场论。随后群论尤其是李群被拿来分类粒子。再后来随着老杨发明了规范场，微分几何和拓扑学开始大举进入粒子物理。数学家的介入将问题更加复杂化，以至于出现了两个版本的粒子物理，给物理学家的和给数学家的。使用版本一的基本上看不懂版本二，使用版本二的基本上不明白版本一，偶尔有个别天才既明白版本一又明白版本二，好吧，没人能明白他们。物理学家叫field strength，数学家偏要叫curvature。物理学家觉得path integral清晰无比，数学家总觉得这个东西没有定义。现在粒子物理学家开口就是Chern class，Calabi-Yau流形；数学家闭口就是Yang-Mills gauge field。因为局势过于复杂，使用的语言过于奇特，使得任何对于理论粒子物理的科普读物都不可避免的以失败告终。 粒子物理是很美妙的，尤其是你感觉到将世界都简化成几种粒子、几种相互作用和几种对称性的时候。但是粒子物理也有着无可避免的永恒的悲哀。粒子物理学家的目标是“根源”——物质基本结构的“根源”和物质相互作用的“根源”。就像魔术师一样，粒子物理学家追求世间一切的终极原因，希望能有一个解释一切的模型。粒子物理学家相信，随着一代一代的努力，我们可以一步步的接近终极的真理，一点点从上帝紧握的手中推理出宇宙最本源的设计图。可是，粒子物理的结构本身又注定粒子物理学家必须有个出发点，几个作为逻辑起点的假设。我们用Higgs粒子来解释质量的起源，却又发现我们假设了Higgs和物质的相互作用；我们用规范对称性来限制相互作用，却又发现我们没办法解释规范对称性的起源；我们用超代数来统一时空和规范对称性，却又发现物质基本成分的数量又多了一倍……一次次的进步，只是回到了一个新的起点；每一次的循环，却又好像透出了一丝差别。粒子物理学家追求真正的智慧，就在这矛盾螺旋的尽头，就在这无尽循环的终点。 我不知道为什么会被粒子物理所吸引。也许是因为它所拥有的无尽的狂想，也许是因为狂想之后严肃认真的求证，也许是因为注定没有终结的旅程中所拥有的疯狂而又悲哀的色彩。Anyway，我们还是要走下去，带着一点天真和不变的好奇心走下去，重复着问题-解释-新问题的循环。我们用更高的能量来解析宇宙，用更大的对称性包容世界；我们用弦去生成粒子，用额外维来提供新理论的生存空间；我们……。我们不会停下探索根源的步伐，可是，也许根源根本不在我们道路的尽头。 即使这样，我们还是会走下去，啊啊，因为我们很早以前就已经被无尽的螺旋迷住了，即使未来是无回报的毁灭也无法阻止我们追求瞬间的辉煌。