论文部分内容阅读
原子弹的爆炸并没能阻止人们探究世界的脚步。1948年，科学家创立了量子电动力学，将人们引向了一个未知的新世界。随后，一系列的粒子被发现，例如：中微子、正电子、反质子、π介子、μ介子。到20世纪60年代中期，探测到的所谓基本粒于已达100多种，局面一团混乱。夸克于是应运而生。
量子电动力学
朱利安·西摩·施温格（1918～ ），朝永振一郎（1906～1979年），
弗雷曼·约翰·戴森（1923～ ），里查德·菲利浦·费曼（1918～1988年）
20世纪40年代后期，朱利安·施温格、朝永振一郎、弗雷曼·戴森和里查德·费曼共同创立了量子电动力学理论，用图表演示了两个带电粒子的相互作用。
量子电动力学认为，两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的。这种交换可以有很多种不同的方式。最简单的，是其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子。稍微复杂一点，一个电子发射出一个光子后，那光子又可以变成一对电子和正电子，这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子，也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置。更复杂的，产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子，光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用。量子电动力学的计算表明，不同复杂程度的交换方式，对最终作用的贡献是不一样的。它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降。
根据量子电动力学理论，任何一种复杂情况都可能在一瞬间发生，过程越复杂，对力的影响越小。根据量子电动力学的观点，即使是空空荡荡的太空中也充满着高速运动的“虚拟粒子”，但是数字已无法表达粒子的数量。这种理论预测的粒子厚度令人难以置信。没有粒子的这种巨大密度，宇宙恐怕早就被自身的重力压跨了。因而肯定有什么东西尚未发现。
夸克
默里·盖尔曼（1929～ ）
20世纪30年代物理学家们已经知道所有的物质都由三种粒子组成：电子、中子和质子。然而一系列意想不到的其他粒子却开始出现，例如：中微子、正电子、反质子、π介子、μ介子、K介子、λ粒子和∑粒子。到20世纪60年代中期，探测到的所谓基本粒于已达一百多种，局面一团混乱。
美国理论家默里·盖尔曼构想了一种新的深层次的客观存在，使混乱局面重现头绪。他在1964年将这一系列更根本性的粒子命名为“夸克”。如今，人们认为存在六种夸克，称为“上”、“下”、“奇”、“粲”、“底”和“顶”。夸克的不同组合构成了所有那些生命短暂的复合粒子。它们由极其强大但非常短暂的一种力束缚在一起，这种力称为“色力”，由胶粒子传递。宇宙大爆炸后不到一秒，由于温度和密度极高，宇宙成为一个夸克和胶粒子组成的无定形的等离子区，如今科学家正试图在粒子加速器中复制出这种状态。
并非所有的物质都是由夸克组成的。现在我们已经知道构成所有客观存在的物质的三种主要粒子是夸克、轻粒子和携带力粒子。但粒子物理学的这种“标准模式”可能并非最后定论，物质的许多层面尚有待于探究。
统一力
谢尔登·李·格拉肖（1932～ ），阿卜杜勒·萨拉姆（1926～1996年），史蒂文·温伯格（1933～ ）
大自然热衷于神秘的统一。例如，电磁力强度大且波幅长，而微弱的“弱核力”却无法延伸到微小的原子核外。尽管如此，我们却可以把它们看做是相同的。
根据量子电动力学理论，电磁的产生靠的是光子。由于该理论的巨大成功，物理学家们探索对自然界中的其他力量进行类似的描述。1967年，谢尔登·李·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆和史蒂文、温伯格终于设法对弱核力做出类似描述，并获得奖励。他们的理论需要四个载流子粒子。首先，被称作W 、W和Z玻色子的三个粒子管理弱力。1983年，在日内瓦的欧洲粒子物理研究所通过巨大的粒子加速器适时发现W ，W和Z玻色子，证明了这一理论。但三位物理学家发现他们的理论包括了以前人们熟知的电磁载流子——光子。这两种力受完全相同的综合体支配。那么，为什么它们会有如此大的差异呢？
W和Z玻色子非常重，它们必须要“借”许多能量才能突然出现并具有弱力。量子力学认为这是能够做到的，但出现的次数极少并且只能持续很短一段时间。次数极少会使弱力变得微弱，持续时间短暂会使弱力变得波幅短。在温度极高时，这些约束却消失了，此时，电磁和弱力剥去伪装并融为一种单一的“超力”。它们可能已经在时间开始后不到万亿分之一秒时在灼热的新领域得以统一。力分离时产生的拉力甚至可能已经通过引发奇异的被称作“膨胀”——宇宙大爆炸。
超弦
迈克尔·鲍里斯·格林（1946～ ），约翰·H·施瓦尔兹（1941～ ）
一切存在只是在弦上弹拨出的音符。这并不是神秘主义或音乐学，这是对物质世界的一种断言。弦理论认为亚原子粒子根本不是粒子，只不过是无穷小的单向度环状物。这些“超弦”有点像小提琴琴弦，能够颤动——除非其尺寸小于质子的1 000万亿分之一，它们存在于六维额外的空间中，这六维额外空间都与我们所熟知的三维空间垂直，但由于卷曲得很紧所以我们看不到。颤动的音符决定弦的特点：一个音符发出电子，其他的发出夸克、光子、微中子或其他任何粒子。
1984年物理学家迈克尔·格林与约翰·施瓦尔兹证明超弦能够统一自然界。电磁力与核力会成为同一“超力”的不同方面，甚至还有一种能具有引力的弦颤动。不仅所有的力和粒子都会成为弦这一基本内容的表现形式，而且该理论控制着统治宇宙的所有韵律。为什么电子这么轻？为什么有这么多种夸克？为什么微中子会忘记电磁场？弦能从理论上解释这一切。
但也有障碍。根据弦理论进行计算非常困难，几乎还没有具体的预测，因此该理论未经试验证实。有些物理学家反对该理论存在空间与时间的假设，认为一切都基于真实的理论应该也能解释那一切。弦理论有几种不同版本，但埃德·威顿与其他理论学家现在已经证明这些弦理论都只是刚刚触及的最终理论的一些方面，最终理论被称作M理论，我们可能还很陌生。
量子电动力学
朱利安·西摩·施温格（1918～ ），朝永振一郎（1906～1979年），
弗雷曼·约翰·戴森（1923～ ），里查德·菲利浦·费曼（1918～1988年）
20世纪40年代后期，朱利安·施温格、朝永振一郎、弗雷曼·戴森和里查德·费曼共同创立了量子电动力学理论，用图表演示了两个带电粒子的相互作用。
量子电动力学认为，两个带电粒子（比如两个电子）是通过互相交换光子而相互作用的。这种交换可以有很多种不同的方式。最简单的，是其中一个电子发射出一个光子，另一个电子吸收这个光子。稍微复杂一点，一个电子发射出一个光子后，那光子又可以变成一对电子和正电子，这个正负电子对可以随后一起湮灭为光子，也可以由其中的那个正电子与原先的一个电子一起湮灭，使得结果看起来像是原先的电子运动到了新产生的那个电子的位置。更复杂的，产生出来的正负电子对还可以进一步发射光子，光子可以在变成正负电子对……而所有这些复杂的过程，最终表现为两个电子之间的相互作用。量子电动力学的计算表明，不同复杂程度的交换方式，对最终作用的贡献是不一样的。它们的贡献随着过程中光子的吸收或发射次数呈指数式下降。
根据量子电动力学理论，任何一种复杂情况都可能在一瞬间发生，过程越复杂，对力的影响越小。根据量子电动力学的观点，即使是空空荡荡的太空中也充满着高速运动的“虚拟粒子”，但是数字已无法表达粒子的数量。这种理论预测的粒子厚度令人难以置信。没有粒子的这种巨大密度，宇宙恐怕早就被自身的重力压跨了。因而肯定有什么东西尚未发现。
夸克
默里·盖尔曼（1929～ ）
20世纪30年代物理学家们已经知道所有的物质都由三种粒子组成：电子、中子和质子。然而一系列意想不到的其他粒子却开始出现，例如：中微子、正电子、反质子、π介子、μ介子、K介子、λ粒子和∑粒子。到20世纪60年代中期，探测到的所谓基本粒于已达一百多种，局面一团混乱。
美国理论家默里·盖尔曼构想了一种新的深层次的客观存在，使混乱局面重现头绪。他在1964年将这一系列更根本性的粒子命名为“夸克”。如今，人们认为存在六种夸克，称为“上”、“下”、“奇”、“粲”、“底”和“顶”。夸克的不同组合构成了所有那些生命短暂的复合粒子。它们由极其强大但非常短暂的一种力束缚在一起，这种力称为“色力”，由胶粒子传递。宇宙大爆炸后不到一秒，由于温度和密度极高，宇宙成为一个夸克和胶粒子组成的无定形的等离子区，如今科学家正试图在粒子加速器中复制出这种状态。
并非所有的物质都是由夸克组成的。现在我们已经知道构成所有客观存在的物质的三种主要粒子是夸克、轻粒子和携带力粒子。但粒子物理学的这种“标准模式”可能并非最后定论，物质的许多层面尚有待于探究。
统一力
谢尔登·李·格拉肖（1932～ ），阿卜杜勒·萨拉姆（1926～1996年），史蒂文·温伯格（1933～ ）
大自然热衷于神秘的统一。例如，电磁力强度大且波幅长，而微弱的“弱核力”却无法延伸到微小的原子核外。尽管如此，我们却可以把它们看做是相同的。
根据量子电动力学理论，电磁的产生靠的是光子。由于该理论的巨大成功，物理学家们探索对自然界中的其他力量进行类似的描述。1967年，谢尔登·李·格拉肖、阿卜杜勒·萨拉姆和史蒂文、温伯格终于设法对弱核力做出类似描述，并获得奖励。他们的理论需要四个载流子粒子。首先，被称作W 、W和Z玻色子的三个粒子管理弱力。1983年，在日内瓦的欧洲粒子物理研究所通过巨大的粒子加速器适时发现W ，W和Z玻色子，证明了这一理论。但三位物理学家发现他们的理论包括了以前人们熟知的电磁载流子——光子。这两种力受完全相同的综合体支配。那么，为什么它们会有如此大的差异呢？
W和Z玻色子非常重，它们必须要“借”许多能量才能突然出现并具有弱力。量子力学认为这是能够做到的，但出现的次数极少并且只能持续很短一段时间。次数极少会使弱力变得微弱，持续时间短暂会使弱力变得波幅短。在温度极高时，这些约束却消失了，此时，电磁和弱力剥去伪装并融为一种单一的“超力”。它们可能已经在时间开始后不到万亿分之一秒时在灼热的新领域得以统一。力分离时产生的拉力甚至可能已经通过引发奇异的被称作“膨胀”——宇宙大爆炸。
超弦
迈克尔·鲍里斯·格林（1946～ ），约翰·H·施瓦尔兹（1941～ ）
一切存在只是在弦上弹拨出的音符。这并不是神秘主义或音乐学，这是对物质世界的一种断言。弦理论认为亚原子粒子根本不是粒子，只不过是无穷小的单向度环状物。这些“超弦”有点像小提琴琴弦，能够颤动——除非其尺寸小于质子的1 000万亿分之一，它们存在于六维额外的空间中，这六维额外空间都与我们所熟知的三维空间垂直，但由于卷曲得很紧所以我们看不到。颤动的音符决定弦的特点：一个音符发出电子，其他的发出夸克、光子、微中子或其他任何粒子。
1984年物理学家迈克尔·格林与约翰·施瓦尔兹证明超弦能够统一自然界。电磁力与核力会成为同一“超力”的不同方面，甚至还有一种能具有引力的弦颤动。不仅所有的力和粒子都会成为弦这一基本内容的表现形式，而且该理论控制着统治宇宙的所有韵律。为什么电子这么轻？为什么有这么多种夸克？为什么微中子会忘记电磁场？弦能从理论上解释这一切。
但也有障碍。根据弦理论进行计算非常困难，几乎还没有具体的预测，因此该理论未经试验证实。有些物理学家反对该理论存在空间与时间的假设，认为一切都基于真实的理论应该也能解释那一切。弦理论有几种不同版本，但埃德·威顿与其他理论学家现在已经证明这些弦理论都只是刚刚触及的最终理论的一些方面，最终理论被称作M理论，我们可能还很陌生。