粒子物理标准模型
作为现代物理学的最高成就,粒子物理标准模型无疑取得了巨大的成功。在当今世界各种粒子加速器中,粒子之间的碰撞行为都在标准模型的预测之中。粒子加速器越强大,实验值和理论值越接近。
那么,什么是粒子物理标准模型?这套理论是如何创立的?它有多强大?
在自然界中,无论力的作用是怎样的,从根本上都可以归咎为四种基本力:主宰天体的引力、主宰带电粒子的电磁力、主宰原子核的强核力和弱核力。
这四大基本力都有各自的理论进行描述,例如,引力由广义相对论来描述,电磁力由麦克斯韦电磁场方程组来描述。但包括爱因斯坦在内的物理学家认为,四大基本力在本质上是统一的,可以由同一个理论来描述。但纵然是爱因斯坦,他终其一生也没能完成大统一理论。
爱因斯坦想要统一引力和电磁力,始终没有成功。后来的物理学家从其他角度入手,大统一理论开始有了起色。
杨振宁建立了杨米尔斯理论,这为后来的电磁力和弱核力统一奠定基础。电弱统一之后,强核力通过量子场论被统一起来。最终,物理学家得到了统一电磁力、弱核力和强核力的粒子物理标准模型。正因为如此,杨振宁在史上最伟大的物理学家中可以排到前20名,他对现代物理学的贡献无疑是巨大的。
一个好的理论不仅能够准确描述已有的现象,而且还能预言未知的东西。标准模型预言,物体质量一部分源自于希格斯玻色子,这个粒子最终在大型强子对撞机中被发现。在标准模型中,总共存在着61种基本粒子,它们决定了这个世界的构成。
尽管标准模型大获成功,但它存在巨大的缺陷,这个理论不可能是物理学家追求的终极大统一理论,这是为什么呢?
原因在于引力还没有被量子化,或者说描述引力的广义相对论和量子力学无法统一。无论是广义相对论,还是量子力学,它们在各自范围内都是成功的理论,但它们之间就是无法兼容。大统一理论必然是涵盖了四大基本力,广义相对论、粒子物理标准模型都只是大统一理论的近似。
那么,大统一理论究竟是怎样的呢?
在弦理论中,标准模型所认为的基本粒子并不基本,它们都是由尺寸极小的一维弦构成。一维弦具有不同的振动方式,从而表现出不同的性质,这成了我们所观测到的各种粒子。
但遗憾的是,目前并没有实验证据能够支持弦理论,这个理论还只是一个十分高深的数学游戏。因为弦理论所涉及的尺度太小,只有更高的能量才有可能敲开粒子的更深次结构,目前的粒子极速器都无法达到。
之前速说量子中提到过在目前标准粒子模型中物质的最基本单元是夸克然后加上各种玻色子共同构成了我们常见的物质以及它们相互之间的作用力但是这中间唯独不包含引力