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另外,弱相互作用通过发射和吸收非常重的粒子(称为W及Z玻色子)来传递。
最后,未纳入标准模型的,还有引力。
它在具有质量或能量的物体间相互作用,并通过引力子的交换传递作用力,引力子是引力的媒介子,目前还没有被实验检测到。
力的媒介子拥有整数自旋(1或2),它与自旋为0的粒子均为玻色子。
夸克和轻子是物质的组成部分,它们的自旋分数为12,通常被称为费米子。
标准模型的原型是弱相互作用与电磁相互作用的统一,这变成了单一力的两种不同表现形式,即电弱相互作用。
一切都源于形式上的类推,这种类推加强了费米开始定义弱相互作用的直觉。
描述这两种相互作用的方程实际上是相同的,这种形式的一致不可能是一种巧合。
在19世纪,法拉第、麦克斯韦和洛伦兹提出的统一的电磁学理论与电磁学现象交会在一起,奇迹又一次发生。
这一发现不仅从根本上改变人们对自然的理解,也可能彻底改变了整个社会。
当普通记者请我用简单的术语解释关于希格斯玻色子的新科学发现可能产生的经济和社会影响时—这是我经常提到的一个话题—我无法回答这个问题,但我知道,如果今天不了解电磁学,我们仍然会乘坐蒸汽火车,会使用蜡烛和煤气灯来照明,用信鸽来交流。
我不知道电弱统一是否会带来新技术,但我知道,在19世纪下半叶,当制定麦克斯韦定律时,没有人能想到世界会因这四个方程而发生如此迅速和深刻的变化。
另一个比萨学生的疯狂想法
标准模型的成功与欧洲核子研究组织进入国际物理学领域发生在同一时间。
成立于1954年的欧洲实验室起初努力在高能物理领域建立自己的地位,而这一领域传统上是由超级大国美国主导的。
欧洲核子研究组织的第一个重要成果是在20世纪70年代发现中性流(中性流是一种难以捉摸的现象,它构成了“标准模型假设的Z玻色子存在的第一个间接证据”
)。
在20世纪80年代,伴随着弱相互作用的媒介子W及Z玻色子的发现,这一理论达到了顶峰。
这一发现的主角是另一位曾在比萨大学就读的学生,也是一名优秀的师范学院学生。
自费米发表关于弱相互作用的文章以来,已经过去了40年,当时还没有人发现这种力的媒介子,该理论预测这种力的质量非常大。
为了克服这些困难,年轻的鲁比亚[18]向欧洲核子研究组织提议建造一个前所未有的加速器。
这是一个革命性的想法,乍一看很疯狂:在同一台加速器中,让质子束和反质子束循环,并使它们发生碰撞,从而有足够的能量产生幽灵般的粒子。
这个想法涉及从根本上改动欧洲核子研究组织最强大的加速器,使其适应新的特性,并涉及解决一系列令人记忆深刻的技术问题。
鲁比亚性格暴躁,工作中会忍不住动手。
为了帮助他,著名的加速器专家之一、荷兰物理学家西蒙·范德梅尔进入了这个领域,提出了一种建立和保持反质子束聚焦的革命性方法,这是在碰撞中获得足够强度的决定性因素。
即使最不情愿的同事也深信不疑,在20世纪80年代初新加速器将开始运行。
一切都进行得完美而迅速,在相互作用区周围建造的巨大探测器里,期待已久的信号出现了。
1983年12月,在欧洲核子研究组织的一次研讨会上,鲁比亚向世界宣布了W和Z玻色子的发现。
在第二年,他与西蒙·范德梅尔因此共同获得诺贝尔物理学奖。
我也是当时聚集在中央礼堂的数百人中的一员。
当鲁比亚一张张地讲述几百张幻灯片,向一群紧凑而安静的观众展示少量Z玻色子和第一批W玻色子时,我仍然记得,在那一刻,我有一个清晰的想法—有点像白日梦。
有那么几秒钟,我想象着自己在未来的某一天站在那个讲台上,在那个挤满了物理学家的礼堂里,展示一种新粒子的第一个证据,这种新粒子将永远改变我们对世界的看法。
我相信,像我一样出席研讨会的所有年轻物理学家都拥有同一个梦想。
质量的难题
标准模型所积累的成功并不能掩盖隐藏在整个理论构建中处于框缘的一个潜在问题。
这两种如此不同的相互作用,怎么可能是同一种力的表现呢?电磁力的作用范围是无限的,照亮我们街道的灯泡发出的光子,在适当的时间,将抵达宇宙最偏远的角落;而几千年来我们一直可以忽略弱相互作用,因为它只发生在非常小的亚核距离内,并立即消失。
物理学的一般定律告诉我们,力的作用范围与其承载的粒子质量成反比。
这就是为什么电磁力的作用范围是无限的—这是只有零质量的光子才能给予的礼物。
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