已知最精确的科学理论是?
自古以来,人类就不断地在问自己,万物是由什么构成的?它们又是如何结合在一起的?回答这个问题的理论是人类已知最精确的科学理论,然而它却有着一个非常平淡无奇的名字——标准模型。在上个世纪的诺贝尔物理学奖中,超过四分之一都与标准模型有关。
自建立以来,标准模型在过去的50年中经受住了重重严峻的考验,它描述了除引力之外的其它基本力以及组成所有物质的基本粒子。每一个试图超越它的尝试,都必须付出巨大的努力,而且从过去几十年尝试过的例子来看,很多都已经失败了。
探索基本
我们都知道,我们周围的世界是由分子组成的,而分子又是由原子组成的。门捷列夫在19世纪60年代就已经认识到这一点,并将所有原子排列到周期表中。但是,元素周期表中含有的不同化学元素种类多达118种。
○ 元素周期表包含了118个元素,这些元素还可以进一步被分割。| 图片来源:ANTOINE2K/SHUTTERSTOCK
物理学家们总是喜欢简约。他们希望看到事物的本质并揭示它们的基本成分。显然,超过100个化学元素不是简单的。早在二千多年前,古希腊哲学家就把世界的基本单元划分为四个元素:地球、空气、火和水。这比118个元素简单得多,但这是错误的。
到1932,科学家们知道所有这些原子是由三种粒子组成的——中子、质子和电子。中子和质子与原子核紧密结合,而较轻的电子在原子核周围移动。因此,物理学家普朗克、玻尔、薛定谔、海森堡等人开发了一种新的科学——量子力学来解释这一运动。
粒子的数量一下子缩小到3,这似乎是一个令人满意的停止。但它们是如何结合在一起的呢?带负电荷的电子和带正电的质子被电磁力束缚。但是所有的质子都被挤压在核中,它们所需的正电应该能够有效地分离它们。中性中子不起作用。
那么质子和中子的组合是什么呢?也许有人会认为"这是上帝的遗嘱"。但这种情况对上帝来说是一个巨大的挑战,因为他需要密切关注宇宙中的10个质子和中子,并将它们与意志结合起来。
粒子动物园
同时,自然界并不满足于它的粒子动物园,只有这3种粒子。事实上,有4种光子构成光的粒子。当乔林检测到正电子(正电子)从外层撞击地球时,4又变成了5。乔林检测到的正电子是狄拉克曾经预言过的反物质粒子。后来,5又变成了6,因为Yukawa Hideki预言π可以结合在一起。
后来,拉比发现了一个比电子重200倍的μ子,其性质与电子完全相同。在这个时候,这个数字已经上升到7,而且看起来还不够简洁。然而,事情还远未结束。
到了20世纪60年代,出现了数以百计的"基本"粒子。有序的元素周期表被一长串的男爵(如质子和中子)、介子(如π介子)和轻子(如电子和中微子)所取代——随机和非指导原则。
这是一个隐藏在混乱中的标准模型。这不是昙花一现,没有时间让阿基米德跳出浴缸,喊"尤里卡"(Eureka:我找到了它)。相反,它起源于20世纪60年代中期,一系列重要的意见发表了几个关键人物,这使沼泽变成一个简单的理论。其次是五十年的实验验证和理论阐述。
现在我们知道,夸克有6种"味",就像对应于冰淇淋中的香草、巧克力等不同味一样,夸克有上、下、奇、粲、底和顶。 1964年,盖尔曼和茨威格为我们揭示了"食谱":混合搭配任意三个夸克可以构成重子。例如,原本我们以为是基本粒子的质子事实上是由更小的两个上夸克和一个下夸克结合而成的;中子则是由两个下夸克和一个上夸克组成的。一个夸克和一个反夸克则可结合成一个介子。一个π介子是一个上夸克或下夸克、与一个反上夸克或反下夸克的结合。
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