有時(shí)，看似一樁小事卻足以讓你抓狂。20世紀(jì)初，牛頓發(fā)現(xiàn)萬(wàn)有引力并完美解釋了一系列現(xiàn)象，麥克斯韋寫(xiě)出了漂亮的電磁方程組，有一段時(shí)間，物理學(xué)家們似乎認(rèn)為物理學(xué)的框架已經(jīng)基本建立完成，接下來(lái)只是些零碎的修補(bǔ)工作而已。但是重視現(xiàn)實(shí)的開(kāi)爾文提出物理學(xué)上空的兩片“烏云”，這引發(fā)了一場(chǎng)科學(xué)革命。其中一片“烏云”就是熱學(xué)中的能量均分定理在氣體比熱以及熱輻射能譜的理論解釋中得出與實(shí)驗(yàn)不等的結(jié)果，其中尤以黑體輻射理論出現(xiàn)的“紫外災(zāi)難”最為突出。
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)
粒子物理學(xué)和量子力學(xué)的研究對(duì)象都是微觀粒子，這類(lèi)研究方向的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了兩種基本作用力和許多奇怪的基本粒子。但是在上世紀(jì)70年代之前，物理學(xué)家對(duì)微觀粒子的認(rèn)識(shí)還只是停留在已發(fā)現(xiàn)的上百種粒子上，他們的工作也只是檢驗(yàn)和完善標(biāo)準(zhǔn)模型--占有主導(dǎo)地位的理論。30年后，物理學(xué)家利用加速器和對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)亞原子微粒，這很重要。不過(guò)還存在著許多問(wèn)題：為什么有些粒子有質(zhì)量，而有些質(zhì)量為零？四大基本作用力能夠統(tǒng)一起來(lái)嗎？廣義相對(duì)論和量子力學(xué)之間的矛盾能消除嗎？
這些尚未解決的問(wèn)題是否又會(huì)引發(fā)另一場(chǎng)革命？要想找到答案，我們需要更強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)，例如，周長(zhǎng)為16.8英里（27公里）的內(nèi)部溫度低于外界溫度的超導(dǎo)磁體環(huán)，還要能夠在超高真空以接近光速的速度撞擊粒子。2008年9月10日，這個(gè)耗資100億美元的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider ，簡(jiǎn)稱(chēng)LHC），由全球數(shù)百名科學(xué)家和工程師共同努力完成，聯(lián)合歐洲核子研究中心（European Organization for Nuclear Research ，簡(jiǎn)稱(chēng)CERN），很快打破了粒子碰撞的記錄。
讓我們回顧一下研究人員通過(guò)這個(gè)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的研究成果，從最著名的開(kāi)始。
希格斯玻色子
彼得·希格斯教授（Peter Higgs）
在宏觀世界里，我們假設(shè)所有尺寸的粒子都有質(zhì)量。但是在微觀世界中，電弱統(tǒng)一理論將電磁力和弱相互作用力統(tǒng)一為一種隱形的力，預(yù)測(cè)稱(chēng)為介質(zhì)的特殊粒子不應(yīng)該有質(zhì)量，但是問(wèn)題出在其實(shí)有些粒子確實(shí)有質(zhì)量。
介質(zhì)是力的載體。光子其實(shí)就是電磁波在空間中的傳播，可以和其他粒子發(fā)生電磁相互作用，W和Z玻色子傳遞弱相互作用力。不過(guò)，光子是沒(méi)有質(zhì)量的，而根據(jù)歐洲核子研究中心，W和Z玻色子的質(zhì)量差不多等價(jià)于100個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量總和。
1964年，愛(ài)丁堡大學(xué)（University of Edinburgh）的物理學(xué)家彼得·希格斯(Peter Higgs)和弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)以及布魯塞爾自由大學(xué)(Free University of Brussels)的羅伯特·布里特(Robert Brout)團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立地提供一個(gè)解答（后稱(chēng)為希格斯機(jī)制）：假設(shè)存在這樣一個(gè)特殊的場(chǎng)，也稱(chēng)希格斯場(chǎng)，粒子與場(chǎng)的相互作用程度決定了粒子傳遞的有效質(zhì)量。如果希格斯場(chǎng)確實(shí)存在，那應(yīng)該有介質(zhì)粒子——希格斯玻色子，但是需要像大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)這樣的設(shè)備來(lái)檢測(cè)這個(gè)粒子的存在。
2013年，物理學(xué)家證實(shí)希格斯玻色子的存在，其質(zhì)量約為126千兆電子伏特，也相當(dāng)于126個(gè)光子質(zhì)量總和。由于質(zhì)能等價(jià)性，物理學(xué)家有時(shí)候也使用電子伏特作為質(zhì)量的單位。這個(gè)結(jié)論不僅改寫(xiě)了相關(guān)的參考書(shū)，還為研究宇宙的穩(wěn)定性開(kāi)辟了全新的研究領(lǐng)域。比如，為什么宇宙中的物質(zhì)遠(yuǎn)多于反物質(zhì)，以及暗物質(zhì)的組成和豐度。
重四夸克態(tài)
已故的理論物理學(xué)家內(nèi)森·伊斯格爾（Nathan Isgur）
1964年，兩名研究人員在試圖理解強(qiáng)子（參與強(qiáng)相互作用的基本粒子）——強(qiáng)相互作用下的亞原子粒子時(shí)，他們獨(dú)立提出了相同的觀點(diǎn)，即亞原子粒子是由三種類(lèi)型的粒子組成的。喬治·茨威格（George Zweig）給它起名為艾斯（Aces）， 默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）稱(chēng)之為夸克，三種夸克中兩種同位旋為1／2，另一種同位旋為0。在同位旋為1／2的兩種中，同位旋向上的，稱(chēng)為上夸克（up）；同位旋向下的，稱(chēng)為下夸克(down)；同位旋為零的則稱(chēng)為奇異夸克(strange)。后來(lái)物理學(xué)家又發(fā)現(xiàn)另外三種夸克，并分別命名為粲夸克（charm）、頂夸克（top）和底夸克（bottom），每個(gè)夸克有紅、綠、藍(lán)三味。
多年以來(lái)，物理學(xué)家一直根據(jù)夸克的制造方式將強(qiáng)子分為兩類(lèi)：由三夸克組成的重子（包括質(zhì)子和中子）和由夸克-反夸克對(duì)組成的介子（如π介子和k介子）。但是這些是唯一可能的組合嗎？
2003年，日本的研究人員發(fā)現(xiàn)了一種奇怪的粒子——X(3872)，似乎是由一個(gè)粲夸克、一個(gè)反粲夸克和其它兩種以上的夸克組成的。在探索粒子是否存在的同時(shí)，研究人員還發(fā)現(xiàn)了Z(4430)，這明顯是一個(gè)四夸克粒子。后來(lái)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)還發(fā)現(xiàn)了數(shù)個(gè)證明這些粒子存在的證據(jù)，這和已經(jīng)建立的夸克排列模型相悖，至少有點(diǎn)矛盾。這樣的Z粒子是轉(zhuǎn)瞬而逝的，可能在大爆炸后微妙內(nèi)出現(xiàn)過(guò)。
未被證實(shí)的超對(duì)稱(chēng)性
大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的通用探測(cè)器
理論學(xué)家提出了超對(duì)稱(chēng)性，簡(jiǎn)稱(chēng)SUSY，用來(lái)處理一些標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法得到解答的問(wèn)題，比如，為什么一些基本粒子有質(zhì)量？如何將電磁和強(qiáng)弱核力聯(lián)系在一起？暗物質(zhì)是有什么組成的？另外，超對(duì)稱(chēng)性還在夸克和輕子之間就如何構(gòu)成物質(zhì)建立了一定的關(guān)系，而玻色子則是它們之間相互作用的媒介。就像前面提到的重子一樣，輕子（如電子）屬于一種亞原子粒子，稱(chēng)為費(fèi)米子，和玻色子的量子特性相反。然而，根據(jù)超對(duì)稱(chēng)性的說(shuō)法，每個(gè)費(fèi)米子都對(duì)應(yīng)著一個(gè)玻色子，反之亦然，每個(gè)粒子都可以轉(zhuǎn)化成它對(duì)應(yīng)的粒子。
如果這是真的，那么超對(duì)稱(chēng)性就意味著兩種基本粒子類(lèi)型（費(fèi)米子和玻色子）只不過(guò)是同一枚硬幣的兩面。如果讓對(duì)應(yīng)的粒子相互抵消，數(shù)學(xué)中的某些無(wú)法控制的無(wú)窮量可以消去。另外，標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)地心引力的解釋也有明顯的漏洞，因?yàn)橘M(fèi)米子和玻色子之間的轉(zhuǎn)換可能涉及到引力子，引力子早期就由物理學(xué)家提出作為地心引力的載體。
物理學(xué)家希望大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠找到支持超對(duì)稱(chēng)性的證據(jù)，然后揭示出更深層的問(wèn)題，這有可能引導(dǎo)新的理論提出，甚至意味著新的實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。到目前為止，超對(duì)稱(chēng)性在自然界中尚未被觀測(cè)到。不過(guò)，超對(duì)稱(chēng)性也有很多版本，每個(gè)版本都與特定的假設(shè)有關(guān)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)只是選擇了形式最優(yōu)美的版本。
協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)
歐洲核子研究中心當(dāng)天的湯是一種夸克-膠子等離子體。
當(dāng)研究人員校準(zhǔn)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的儀器時(shí)，他們一般不進(jìn)行常用的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞，而是選擇利用質(zhì)子撞擊鉛核，這是產(chǎn)生了一個(gè)令人吃驚的現(xiàn)象：產(chǎn)生的亞原子碎片通常選用的隨機(jī)路徑被顯性協(xié)調(diào)取代了。
對(duì)于這種現(xiàn)象，一種理論認(rèn)為，質(zhì)子和鉛核之間的撞擊導(dǎo)致了一種叫做夸克-膠子等離子體（QGP）的奇異狀態(tài)產(chǎn)生，它像液體一樣流動(dòng)，并在冷卻時(shí)產(chǎn)生協(xié)調(diào)粒子。布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Brookhaven National Laboratories)和大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)都曾經(jīng)通過(guò)碰撞鉛和金等重離子產(chǎn)生出夸克-膠子等離子體——黑洞之外最密集的物質(zhì)形式。如果由質(zhì)子引導(dǎo)碰撞產(chǎn)生夸克-膠子等離子體被證明是可能的，那么雖然它在大爆炸之后存在的時(shí)間很短暫，但是對(duì)后來(lái)科學(xué)家觀測(cè)大爆炸之后的宇宙狀態(tài)的影響十分顯著。不過(guò)現(xiàn)在的問(wèn)題是：碰撞釋放的能量還不足夠制作出假設(shè)的夸克湯。
盡管大多數(shù)物理學(xué)家都贊成這個(gè)觀點(diǎn)，但還有部分物理學(xué)家持反對(duì)意見(jiàn)，還提出了一些解釋?zhuān)谀z子創(chuàng)造的理論場(chǎng)中，粒子作為強(qiáng)作用力的載體，將夸克和反夸克變成質(zhì)子和中子。他們假設(shè)，膠子在接近光速的狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)形成了這種理論場(chǎng)，夸克和反夸克在場(chǎng)中相互作用形成質(zhì)子和中子。如果這個(gè)假設(shè)成立，這個(gè)模型倒是可以為質(zhì)子結(jié)構(gòu)和相互作用提供有價(jià)值的見(jiàn)解。
新物理的標(biāo)志…也許不是
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