——邦迪(H. Bondi)
理論物理“傳統”的美往往體現在其方程之上。如果我們想描述某事/某物,或者某事/某物的行為,我們就可以寫下一個我們認為它們會遵守的方程來描述其行為。
舉個簡單的例子,給定一個球的質量、高度、角度以及它被扔出去的力度,物理方程就能精確地告訴你球在空氣中的路徑,它會在空中持續多久,它能飛出去多久以及在什么地點落地。只要一些簡單的信息,物理就可以描述整個系統。
但是,你要如何描述球本身呢?我們可以說它是紅色的,但這究竟是什么意思?想要描述顏色你就必須考慮從球上反射的光。你可以說球是由塑料制成的,但是你需要描述分子,以及構成它們的原子,接著要知道構成原子的亞原子,等等......
理論物理學家所追求的是用一個“萬有理論”或“大統一理論”來描述萬物,但是目前為止,這樣的一個理論并不能囊括引力。
電磁力、強核力和弱核力。(? Physics.info)
除了引力外,粒子物理學的標準模型就是用來描述宇宙中的萬物,包括已知的所有粒子,以及這些粒子如何通過其它三種力(電磁力、強核力和弱核力)相互作用。
所以,在多數情況下,當我們提起物理學中的標準模型時,腦中總是浮現出如下表格:
它跟元素周期表類似,描述了粒子的性質,比如質量、電荷和自旋。圖中我們可以看到,基本粒子被分為兩類:費米子和玻色子。費米子中又分為夸克和輕子。所有構成人體的物質只需要包含三個費米子:兩個夸克和一個電子。
粒子物理學的標準模型中的所有基本粒子:夸克、輕子、反夸克、反輕子和玻色子。(? E. Siegel)
但標準模型并不是由一張表格開始的。這個幾乎描述了萬物的宏偉理論其實是由好幾個數學模型集合而成的,它們描述了物理學的基本定律,并獲得了巨大的成功。
現在我準備展示給你們的就是這個描述萬物的方程。方程以拉格朗日量呈現,簡單來說,一旦知道了一個系統的拉格朗日量,基本上你就可以知道一個系統所需要知道的一切。
理論物理學家總是說標準模型的方程美麗、優雅又簡潔,并且呈現了我們期待在自然界見到的許多對稱性。現在我們就來看一下標準模型方程的拉格朗日量:
標準模型的拉格朗日量(? T.D.Gutierrez)
看完該方程后,告訴我你現在內心的真實想法是什么?
除了方程的長相外,就像我們可以通過幾個簡單的信息就能計算出球在空中的路徑,標準模型方程通過一些參數就可以確保粒子的動力學跟我們在真實世界中看到的一致。
現在把這個方程大卸五塊,分別認識一下。(如果想要理解每個符號的含義,則需要在物理專業上研修好幾年。)
1.
這個部分是用來描述標準模型中的膠子,也就是傳遞強核力的玻色子。膠子共有八種,并且具有“色荷”的性質,因此它們之間可以相互作用。
2.
大概一半的方程是用來解釋玻色子之間的相互作用的,特別是W和Z玻色子。
玻色子幫助其它粒子“交流”,這種交流我們稱之為力。三種基本相互作用力中有四種玻色子分別跟其它粒子作用。當兩個電子相互排斥時,它們交換光子,這種交換我們稱為電磁力。因為光子是沒有質量的,所以他們的傳播距離可以很長。除了電磁力,還有其它的玻色子用來傳遞其它的力,無質量的膠子傳遞強核力,以及重W和Z玻色子傳遞弱核力。前幾年剛發現的上帝粒子——希格斯玻色子,有點不同;它的相互作用會出現在方程的下一部分。值得一提的是,W玻色子帶有電荷,因此它們可以跟光子相互交流。
3.
這個部分的方程描述了基本物質粒子與弱核力之間是如何作用的。根據該公式,物質粒子共分為三代,每一代都有不同的質量。弱核力幫助那些質量較大的粒子衰變為質量較小的粒子。
這部分也包括了與希格斯場的基本作用,也就是一些基本粒子獲得質量的來源。
有趣的是,這部分方程的其中一個假設與物理學家近年的發現相悖。它錯誤的假設中微子是沒有質量的。而我們在實驗中已經探測到中微子具有微末的質量。
4.
在量子力學中,粒子的運動路徑并不是單一的,也就是說有時候在這一類型的數學方程中會出現“冗余”。為了消除這些冗余,理論學家經常利用虛粒子,他們稱之為鬼粒子(或鬼場)。
這個部分的方程描述了物質粒子如何與希格斯鬼粒子(希格斯場的虛擬實體)作用。
5.
方程的最后一部分包括了更多的鬼粒子,它們叫做法捷耶夫-波波夫鬼粒子,用來抵消發生在弱核力的相互作用時的冗余。
【注】Thomas Gutierrez是從諾貝爾得住Martinus Veltman的《Diagrammatica》一書中推導出這個方程的。他花了將近四個小時的時間才用Latex打寫了整個方程。但是他后來發現這個方程中有一處符號錯誤,不過相信你也不會愿意去找。
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