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看似杂乱无章的世界 ,是不是可以归结为极少数的东西?不消说,用一个简单的理论,即全能的“超统一理论 ”来描述我们生活的宇宙的错综复杂性 ,是每一个物理学家的梦想。
然而,这谈何容易?伟大的爱因斯坦用他一生的大部分精力试图统一引力和电磁力,但没有结果 ,最终他还是抱憾离去。
尽管难以企及,寻求“统一”的接力依旧还在传递 。莱德曼就是这诸多孜孜以求者当中极为执著的一位。在《上帝粒子》一书的开篇中,他有这样一段描述:
我是在布朗克斯长大的,那时我经常一连几个小时地看我哥哥摆弄化学药品。他是一个神童 。我情愿做所有的家务活 ,以便他允许我看他做实验。现在他在做一些新奇商品的买卖,出售的东西包括狂欢的软垫 、升降机牌照或者印有流行字眼的T恤等。这些T恤能够让人们用一句长度不超过胸宽的话总结出他们的世界观 。科学家的目标也不过如此。我的目标就是活到能看到所有的物理学定律都被还原为一个简洁优美的公式,可以非常轻松地印到一件T恤的胸前。
少年时代读过的一本书给莱德曼留下了极为深刻的印象。10岁那年 ,莱德曼曾因为出麻疹而卧床不起,为了给他解闷、鼓劲,父亲给他买了一本爱因斯坦和英菲尔德合著的《相对论的故事》 。书里讲的是科学上的侦探故事 ,每一个故事中都包括一个谜案、几条线索和一个侦探。侦探通过线索来解决这一谜案。而数十年后莱德曼在《上帝粒子》一书中讲述的故事,则有两个谜案需要去解决,它们都跟粒子有关 。
第一个就是人们苦苦追寻的由德谟克利特最早提出的不可见也不可分的物质粒子——“原子” ,它位于整个粒子物理学讨论的基础问题的核心。人们已经为解决这个谜案奋斗了2500年,积累了上千条线索。在《上帝粒子》的前几章中,莱德曼详细地回顾了前辈们所做的工作 。他告诉我们 ,有许多“现代 ”的思想,实际上早在16和17世纪,甚至在基督教产生之前几个世纪就已经出现了。在《上帝粒子》的后几章中,莱德曼又引导我们回到现在来追寻第二个 、也许是更大的一个谜案 ,其主角便是他认为在指挥着宇宙交响曲的粒子。
在莱德曼生动流畅的笔触中,我们可以看到两位不同时代的科学家之间存在的天然的血缘关系 。其中一位是个16世纪的科学家,他从比萨斜塔上将两个重物抛了下来;另一位是个当代的粒子物理学家(说的大概就是莱德曼自己吧?) ,他坐在寒风扫过的伊利诺伊平原上一间临时营房里,冻僵了手指,还在检查从埋在封冻的地下、价值5亿美元的加速器里流出来的数据。他们都问了相同的问题:什么是物质的基本结构?宇宙是怎样运行的?
在寻找这样一件终极T恤的过程中 ,人们付出了持续几个世纪的努力,并且取得了显著的进步。例如,牛顿发现的万有引力 ,可以解释好多看起来毫不相关的现象:潮汐、苹果落地 、行星运行和星系的形成 。牛顿的T恤上写着F=ma。再往后,法拉第和麦克斯韦揭开了电磁波谱的秘密。电、磁、阳光 、无线电波和x射线都是同一种力的表现。1929年,劳伦斯建造了世界上第一台粒子回旋加速器 ,打开了探索未知亚原子世界的大门……由此,物理学们家一步步地形成了对天地万物组成的基本认识 。
如今,通过对多种粒子的研究,我们已经建立了“标准模型” ,可以把现实中的一切归结为大约12种粒子和4种作用力。这个标准模型至今仍被证明是正确的,它将那些组成天地万物的所有基本微粒系统地分门别类,形成了一张简单的列表 ,并阐明了微粒之间相互作用的规律。
可是,在粒子物理学家眼中,标准模型里仍有两种令人烦恼的缺陷 。第一种与它的不完备性有关。顶夸克直到1993年初仍没有找到(1995年宣布找到了)。中微子中尚有一种(τ中微子)也没有被直接观测到 ,物理学家所需要的许多数字还没有获得精确值 。例如,我们不知道中微子是否有静止质量。我们需要知道CP对称性的破坏——物质的起源过程——是如何出现的。第二种缺陷则纯粹是美学上的,因为标准模型还没能达成数学的一致性 。
到底是什么东西在阻碍我们得到那件完美的T恤呢?
莱德曼“咬牙切齿”地说:“宇宙中有一个无所不在的幽灵一样的大坏蛋 ,正在阻止我们理解物质的真正本质,阻止我们获得终极的知识。 ”这个看不见的阻止我们了解真相的障碍叫希格斯场(HiggsField)。它那阴冷的触角伸向宇宙的各个角落,而它的科学和哲学意义让物理学家起了一身鸡皮疙瘩 。希格斯场通过一种粒子来施展它的邪恶的魔力。这种粒子的名字就叫做希格斯玻色子(Higgsboson)。寻找希格斯玻色子就是建造超级对撞机的主要原因之一。
今天 ,这种小得超乎想像的微粒已经处于当今物理学疆域的核心,它对于我们最终理解物质的结构举足轻重;而同时,它又是那样的难以琢磨,所以莱德曼给它取了一个绰号:上帝粒子(GodParticle) 。
不过 ,莱德曼原来取的名字是“该死的粒子”(GoddamnParticle):“考虑到它那‘恶毒’的本性,再加上花在它身上的巨额资金,我认为这个名字可能更加合适。”但出版商不干 ,于是变通一下就成了“上帝粒子 ”。
其实这个名字也是非常合适的,因为这个“该死的粒子”是如此神秘,与我们已知的任何东西都全然不同 。如果希格斯玻色子真的存在(对此仍还有些疑问) ,并能识别出来,那就能回答一个长期以来只有哲学家和疯子才会提出的“傻”问题:物质为什么会有质量?借用欧洲原子能委员会的发言人彼得·杰尼的说法:物理学家需要希格斯玻色子来解释一个对普通人来说不是问题的问题:万物皆有质量。
为了实现那个雄心勃勃的“统一”目标,物理学家一直在跟某些抽象的物理和数学理论打交道。这些理论有不少晦涩难懂的名称(如超弦、超对称性、超引力等) 。英国著名的理论物理学家霍金说过:“如果我们能找到一个答案 ,我们将宣告人类理智的最后胜利,因为我们将懂得上帝的意图。 ”
是的,在“上帝粒子”的背后 ,揭示了一个辉煌的、令人目眩的世界。可很快我们便会察觉到,我们并没有得到所有的答案:电子 、夸克和黑洞里面到底有什么呢?这些问题将牵引着我们继续探究下去 。 究竟什么才是构成宇宙的终极粒子?从哲学家德谟克利特由闻到烤面包的气味推导出“原子”存在的“思想实验 ”开始,无数的实验家和理论家为解开这一谜案已经苦苦奋斗了2000多年。在本书前几章中,当代最伟大的粒子物理学家之一、1988年诺贝尔物理学奖得主莱德曼用幽默生动的语言 ,引领我们穿越历史的长河,对人类探寻宇宙终极粒子的发现之旅作了简要回顾。从中我们将会看到科学前辈们是如何通过一个一个的“尤里卡时刻”,将这一难题一步一步推进到揭开宇宙最后之谜的关键——上帝粒子 。
“上帝粒子”是利昂·莱德曼对希格斯玻色子的别称。这种粒子是物理学家们从理论上假定存在的一种基本粒子 ,目前已成为整个粒子物理学界研究的中心,利昂·莱德曼更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子 ”。通过莱德曼妙趣横生的讲述,我们不但能够清楚地了解到现代物理学家们是如何寻找基本粒子的 ,读到现代物理学史上的许多趣闻轶事,还能对标准模型、大型一理论 、超弦和暗物质等当代物理学前沿问题有更为深刻的理解,其中也包括“为什么所有的物质都有质量”这一更为基本的问题。
你们知道宇宙中最小的物质是什么吗?
夸克(quark)简介
(一个质子和一个反质子在高能下碰撞 ,产生了一对几乎自由的夸克 。)
1964年,美国物理学家默里·盖尔曼和G.茨威格各自独立提出了中子、质子这一类强子是由更基本的单元——Quark组成的。它们具有分数电荷,是基本电量的2/3或-1/3倍 ,自旋为1/2。夸克一词是盖尔曼取自詹姆斯·乔埃斯的小说《芬尼根彻夜祭》的词句“为马克检阅者王,三声夸克(Three quarks for Muster Mark)” 。夸克在该书中具有多种含义,其中之一是一种海鸟的叫声。他认为,这适合他最初认为“基本粒子不基本、基本电荷非整数 ”的奇特想法 ,同时他也指出这只是一个笑话,这是对矫饰的科学语言的反抗。另外,也可能是出于他对鸟类的喜爱 。
夸克是什么?
1 、没有三个以上夸克组成的粒子。
2、所有的重子都是由三个夸克组成的 ,反重子则是由三个相应的反夸克组成的,比如质子,中子。质子由两个上夸克和一个下夸克组成 ,中子是由两个下夸克和一个上夸克组成 。
性质
它们具有分数电荷,是电子电量的2/3或-1/3倍,自旋为1/2。 最初解释强相互作用粒子的理论需要三种夸克 ,叫做夸克的三种味,它们分别是上夸克(up,u)、下夸克(down,d)和奇夸克(strange,s)。1974年发现了J/ψ粒子,要求引入第四种夸克粲夸克(魅夸克)(charm,c) 。1977年发现了Υ粒子 ,要求引入第五种夸克底夸克(bottom,b)。1994年发现第六种夸克顶夸克(top,t),人们相信这是最后一种夸克。夸克理论认为,所有的重子都是由三个夸克组成的,比如质子(uud) ,中子(udd);反重子则是由三个相应的反夸克组成的。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss),这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子 。顶 、底、奇、魅夸克由于质量太大(参见下表) ,很短的时间内就会衰变成上夸克或下夸克。 夸克按其特性分为三代,如下表所示:
世代 自旋 特色 中英文名称 符号 带电量 / e 质量 / MeV.c-2
1 + 1/2 Iz=+1/2 上夸克(Up quark) u + 2/3 1.5 to 4.0
1 ? 1/2 Iz=?1/2 下夸克(Down quark) d ? 1/3 4 to 8
2 ? 1/2 S=?1 奇异夸克(Strange quark) s ? 1/3 80 to 130
2 + 1/2 C=1 魅夸克(Charm quark) c + 2/3 1150 to 1350
3 ? 1/2 B′=?1 底(美)夸克(Bottom quark) b ? 1/3 4100 to 4400
3 + 1/2 T=1 顶(真)夸克(Top quark) t + 2/3 171400 ± 2100
反重子则是由三个相应的反夸克组成的。比如质子(uud),中子(udd) 。夸克理论还预言了存在一种由三个奇异夸克组成的粒子(sss) ,这种粒子于1964年在氢气泡室中观测到,叫做负ω粒子。
中国的部分物理学家称夸克为层子,因为他们认为:即使层子也不是物质的始元 ,也只不过是物质结构无穷层次中的一个层次而已。
在量子色动力学中,夸克除了具有“味”的特性外,还具有三种“色”的特性 ,分别是红 、绿和蓝 。这里“色 ”并非指夸克真的具有颜色,而是借“色”这一词形象地比喻夸克本身的一种物理属性。量子色动力学认为,一般物质是没有“色”的,组成重子的三种夸克的“颜色”分别为红、绿和蓝 ,因此叠加在一起就成了无色的。因此计入6种味和3种色的属性,共有18种夸克,另有它们对应的18种反夸克 。
夸克理论还认为 ,介子是由同色的一个夸克和一个反夸克组成的束缚态。例如,日本物理学家汤川秀树预言的[[π+介子]]是由一个上夸克和一个反下夸克组成的,π-介子则是由一个反上夸克和一个下夸克组成的 ,它们都是无色的。
除顶夸克外的五种夸克已经通过实验发现它们的存在,华裔科学家丁肇中便因发现魅夸克(又叫J粒子)而获诺贝尔物理学奖 。近十年来高能粒子物理学家的主攻方向之一是顶夸克 (t)。
至于1994年最新发现的第六种“顶夸克 ”,相信是最后一种 ,它的发现令科学家得出有关夸克子的完整图像,有助研究在宇宙大爆炸之初少于一秒之内宇宙如何演化,因为大爆炸最初产生的高热 ,会产生顶夸粒子。
研究显示,有些恒星在演化末期可能会变成“夸克星”。当星体抵受不住自身的万有引力不断收缩时,密度大增会把夸克挤出来,最终一个太阳大小的星体可能会萎缩到只有七、八公里那么大 ,但仍会发光 。
夸克理论认为,夸克都是被囚禁在粒子内部的,不存在单独的夸克。一些人据此提出反对意见 ,认为夸克不是真实存在的。然而夸克理论做出的几乎所有预言都与实验测量符合的很好,因此大部分研究者相信夸克理论是正确的 。
1997年,俄国物理学家戴阿科诺夫等人预测 ,存在一种由五个夸克组成的粒子,质量比氢原子大50%。2001年,日本物理学家在SP环-8加速器上用伽马射线轰击一片塑料时 ,发现了五夸克粒子存在的证据。随后得到了美国托马斯·杰裴逊国家加速器实验室和莫斯科理论和实验物理研究所的物理学家们的证实 。这种五夸克粒子是由2个上夸克、2个下夸克和一个反奇异夸克组成的,它并不违背粒子物理的标准模型。这是第一次发现多于3个夸克组成的粒子。研究人员认为,这种粒子可能仅是“五夸克”粒子家族中第一个被发现的成员 ,还有可能存在由4个或6个夸克组成的粒子 。
陆陆续续地,共有九个实验群组宣称发现了penta-quark的证据。但是在其它较高能的实验组及其数据中,包括使用轻子对撞器如德国 DESY 的 ZEUS 实验,以及日本 KEK 的 Belle 与美国 SLAC 的 BaBar 两大 B介子工厂实验 、以及使用强子对撞器的美国 费米实验室中的 CDF 与 D? 实验 ,都没有观测到应该存在的证据。因此,所谓的五夸克粒子(penta-quark)存在与否,还是一个极具争论性的话题 。同时 ,春天八号也计划将会再提升其效能,以比目前强10倍的辐射光,获取更大量的实验数据 ,来进行统计上的确认。
现在人类只是大胆假设、科学求证,夸克是为了解释一些目前人类无法解释的现象而提出的可能存在的假设,但人类一直没找到夸克存在的直接证据。
1996年12月2日 ,《科技日报》发表了崔君达教授反驳何祚麻院士的文章《复合时空论并非病态科学》。崔在文中进一步指出:"物理学界并非全都公认夸克的存在 。不同意见早在70年代就有了。我国物理学家朱洪元,诺贝尔奖得主量子力学奠基人海德堡都认为:全世界许许多多物理学家花了那么大的力量寻找夸克,如果夸克真的存在 ,早就应该找到了。
这位科学家如此否认夸克当然也不对,像那句“如果夸克真的存在早就应该找到了 ”显然是谬论,就等于说“如果癌症真的存在早就应该治好了”一样 。
总之科学来不得半点虚假与情绪化。夸克不能直接证明它存在,也不能证明(哪怕间接)它不存在,它目前只是种假设。
[编辑本段]夸克的发现
19世纪接近尾声的时候 ,玛丽·居里打开了原子的大门,证明原子不是物质的最小粒子 。很快科学家就发现了两种亚原子粒子:电子和质子。1932年,詹姆斯·查德威克发现了中子 ,这次科学家们又认为发现了最小粒子。
20世纪30年代中期发明了粒子加速器,科学家们能够把中子打碎成质子,把质子打碎成为更重的核子 ,观察碰撞到底能产生什么 。20世纪50年代,唐纳德·格拉泽(Donald Glaser)发明了“气泡室”,将亚原子粒子加速到接近光速 ,然后抛出这个充满氢气的低压气泡室。这些粒子碰撞到质子(氢原子核)后,质子分裂为一群陌生的新粒子。这些粒子从碰撞点扩散时,都会留下一个极其微小的气泡 ,暴露了它们的踪迹 。科学家无法看到粒子本身,却可以看到这些气泡的踪迹。
气泡室图像上这些细小的轨迹(每条轨迹表明一个此前未知的粒子的短暂存在)多种多样,数量众多,让科学家既惊奇又惑。他们甚至无法猜测这些亚原子粒子究竟是什么。
默里·盖尔曼1929年出生于曼哈顿 ,是个名副其实的神童 。3岁时,他就能心算大数字的乘法;7岁拼单词比赛赢了12岁的孩子;8岁时的智力抵得上大部分大学生。可是,在学校里他感到无聊 ,坐立不安,还患有急性写作障碍。虽然完成论文和研究项目报告对他而言很简单,他却很少能完成 。
尽管如此 ,他还是顺利地从耶鲁大学本科毕业,先后在麻省理工学院、芝加哥大学(为费米)工作,在普林斯顿大学(为奥本海默)工作。24岁时 ,他决定集中精力研究气泡室图像里的奇怪粒子。通过气泡室图像,科学家可以估测每个粒子的大小 、电荷、运动方向和速度,但是却无法确定它们的身份 。到1958年 ,有近100个名字被用来鉴别和描述这些探测到的新粒子。
默里·盖尔曼认为,如果应用关于自然的几种基本概念,就可能会弄清楚这些粒子。他先假定自然是简单、对称的 。他还假定像所有其他自然界中的物质和力一样,这些亚原子粒子是守恒的(即质量 、能量和电荷在碰撞中没有丢失 ,而是保存了下来)。
用这些理论作指导,格尔曼开始对质子分裂时的反应进行分类和简化处理。他创造了一种新的测量方法,称为“奇异性(strangness) ” 。这个词是他从量子物理学引入的。奇异性可以测量到每个粒子的量子态。他还假设奇异性在每次反应中都被保存了下来。
格尔曼发现自己可以建立起质子分裂或者合成的简单反应模式 。但是有几个模式似乎并不遵循守恒定律。之后他意识到如果质子和中子不是固态物质 ,而是由3个更小的粒子构成,那么他就可以使所有的碰撞反应都遵循简单的守恒定律了。
经过两年的努力,格尔曼证明了这些更小的粒子肯定存在于质子和中子中 。他将之命名为“k-works” ,后来缩写为“kworks”。之后不久,他在詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的作品中读到一句“三个夸克(three quarks) ”,于是将这种新粒子更名为夸克(quark)。
外部链接
所有粒子
基本粒子
费米子: 夸克:u ? d ? s ? c ? b ? t ? 轻子:e- ? e+ ? μ- μ+ ? τ- ?τ+ ? νe?νμ ? ντ
玻色子: 规范玻色子:γ ? g ? W± ? Z0
合成粒子
强子: 重子/超子/核子:p ? n ? Δ ? ∧ ? ∑ ? Ξ ? Ω ? 介子(列表)/夸克偶素:π ? K ? ρ ? J/ψ ? Υ
其它: 原子核 ? 原子 ? 奇异原子:电子偶素 ? 分子
假想的基本粒子
超对称粒子:轴子 ? 伴胶子 ? 伴引力子 ? 伴希格斯玻色子 ? 中性微子 ? 标量费米子 ? 标量轻子 ? 标量夸克
其它: 轴子 ? 引力子 ? 希格斯玻色子 ? 迅子 ? X?Y ? W' ? Z'
假想的合成粒子
奇异强子: 奇异重子:五夸克态 ? 奇异介子:胶球 ? 四夸克态
其它:介子分子
准粒子
声子 ? 激子 ? 电浆子 ? 电磁极化子 ? 极子 ? 磁振子
基本粒子和基本交互作用
基本粒子
费米子: 夸克 ? 轻子
玻色子 : 胶子 ? 光子 ? W 及 Z 玻色子 ? 引力子 *# ? 希格斯玻色子*
基本相互作用
强相互作用 ? 电磁相互作用 ? 弱相互作用 ? 引力相互作用#
《大爆炸理论》对科学有帮助吗?超对称与经济课
密度最大的
在地球上 ,我们目前已经发现了一百多种元素,在这些元素组成的物质中,密度最大的是金属锇 。饿的密度为22.6×103kg/m3 ,看起来够大了,它是“密度大王”吗?不!我们不能将自己的视野局限于地球,我们要到茫茫宇宙中去寻找“密度大王”。在广阔无垠的宇宙中,有一种叫“白矮星 ”的天体。它的密度是3.0×1010
kg/m3,
是锇密度的106倍(即100万倍) ,很大了 。它能称王吗?也不能!因为还有一种叫“中子星”的天体,它的密度达1016
kg/m3;而另一种天体“脉冲星”的密度更是高达1018
kg/m3,即1cm3的这种物质的质量为10亿吨。然而“脉冲星”也不敢称霸 ,因为新发现的“黑洞 ”的密度比它还要大。根据计算,质量和太阳一样大的黑洞,它的密度可达5×1019
kg/m3 ,在它里面取小米粒大的一小块物质,要用几万艘万吨轮船才拖得动 。而质量更小的黑洞密度就更大了。由于黑洞的密度极大,它的引力也极大 ,连光也不能从中逃脱。
这样说来,“密度大王”的交椅也只有“黑洞”能坐了。
密度最小的
密度最小的金属元素是锂
密度最小的气体是氢气
H元素是质量数最小的,组成单质是氢 ,氢是宇宙中质量最小的(不考虑反物质)
物体三态变化中最小是气体,所以氢气就是宇宙中密度最小的
真空的空间密度最小为零
总结来说,自然界仅限于地球的,因为自然界应该是由生物的自然界 ,所以应该是:锇与氢气,但是像有些人说:黑洞中心与真空也不好怎么去反驳
在“引文否定 ”一集中,艾米和谢尔顿从一篇俄罗斯论文中得知 ,超级不对称已经被发现并被证明是不正确的,他们感到非常震惊 。Sonja Flemming/CBS via Getty Images)
他们说生活是模仿艺术的,但箭头是双向的。更多的时候 ,艺术模仿生活。这就是最近热播电视剧《大爆炸理论》中发生的事情,在《确认两极分化》中,谢尔顿和艾米收到了费米拉布的邮件 。两位科学家证实了艾米和谢尔顿的超不对称理论。研究人员正在研究一种名为kaons的亚原子粒子 ,他们的测量和预测(理论上应该如何表现)并不同意。他们称他们的测量是失败的,直到他们意识到艾米和谢尔顿的论文,仅在几个月前发表 ,解释了差异 。这两位研究人员被空运到加州理工学院(在经济方面,稍后会有更多的消息)去见艾米和谢尔顿。
费米实验室的科学家们正打算获得诺贝尔奖,因为最多只能有三个人获得该奖,他们正试图把艾米从照片中剔除。他们告诉谢尔顿 ,如果他能让加州理工学院院长提名他们三人获得诺贝尔奖,再加上费米拉布校长的提名,他们就有充分的理由获得这一荣誉 。谢尔顿决定 ,如果艾米没有被列入提名名单,他也不想被列入提名名单,他告诉总统 ,总统解释了这将如何导致与费米拉布的争斗;他补充说,他支持艾米。这一集结束时,情况尚未解决。
所以这一集引起了我的注意 ,因为…嗯…费米实验室 。费米拉布是个真实的地方。我每天早上开车去伊利诺伊州的巴达维亚。如果你对亚原子世界感兴趣,这是一个很好的工作场所,我就是 ,这意味着我每天开车带着微笑去工作。但我想人们可能会有兴趣了解这一集的真实和不真实 。[在世界顶尖的物理实验室里]
让我首先说我非常喜欢“大爆炸理论”。作家们在他们的剧集中尽量不偏离真正的科学。事实上,加州大学洛杉矶分校的大卫·萨尔茨伯格既是我的研究合作者,也是该展览的科学顾问 。他确保编剧不包括任何太离奇和不名誉的科学话题。
一些人抱怨节目如何用卡通的方式代表科学家,批评中有道理。谢尔顿是个超级科学家 ,大多数科学家并不是真的这么做的 。(尽管说实话,我认识一个人,他让我想起了谢尔顿。我拒绝透露他的身份 ,因为所有见过他的人都同意我的看法。)伦纳德对生活更加真实,尽管他的性格比现实更缺乏社交能力 。科学家大多是很正常的人,有正常的生活。他们很聪明 ,非常专注于自己的工作。(或者,我想,我可能更像伦纳德 ,而不是我想承认的那样 。我拒绝问任何人,因为我不想知道答案。)
那么这一集到底有多少是真的?首先,没有所谓的超不对称理论。然而 ,有一种理论称为超对称性,它是粒子物理学标准模型的一个非常流行的扩展——我们目前最好的亚原子物质理论。虽然还没有实验证实超对称性——它提出标准模型中识别的每个粒子都有超对称的伙伴——很好地认为存在超过10000篇关于该主题的科学论文 。所以,除了换名字的诗意许可证,我们会给他们一个。[大爆炸理论:宇宙是如何开始的]
这个实验怎么样?像费米实验室的两个家伙能用考恩证实超不对称理论吗?当然 ,直接测量高考分数可能与预测不符,而且需要一种新的理论来解释这种差异。所以,我们就给他们一个 。但现代的实验组有两个人以上的方法。我自己的研究小组(正在努力测试真实世界的超对称性)包括来自世界各地的大约3000名科学家。这个被称为“紧凑型μ子协作”的实验组 ,使用欧洲核子研究中心实验室收集的数据 。欧洲核子研究中心是费米实验室的姊妹实验室,它拥有大型强子对撞机,能将质子束加速到接近光速 ,并在一个5层楼高的叫做CMS探测器的科学仪器中碰撞。CMS合作项目由大约200个研究机构的科学家组成。费米实验室CMS小组由大约100名科学家,甚至更多的工程师、技术人员和计算机专业人员组成 。如果CMS发现了超对称性,那么这一荣誉就不仅仅是来自费米实验室的两位研究人员。
还有诺贝尔奖呢获得诺贝尔奖是任何物理学家的秘密目标。但电视剧中的描述有很多错误 。例如 ,艾米和谢尔顿的论文在几个月前才发表,只有一项测量结果证实了这一发现。这绝对不是真的会发生的事情。首先,有成百上千的论文预测新的物理现象。将预测与数据进行比较需要相当长的时间;排除所有其他预测则需要更长的时间 。此外 ,如果超级不对称是真的,它将作出预测,这将不得不与其他测量证实。所有这些工作都需要很多时间。但让我们把它记为“电视时间 ”,就像在CSI电视节目中 ,DNA测试在10分钟内完成 。所以,我会慷慨地给他们这一个。
情节的很大一部分集中在谁会得到诺贝尔奖,如果它被授予。这是一个混合袋 。的确 ,诺贝尔奖最多能颁给三个人。但提名程序不同。瑞典科学院的成员可以提名,前诺贝尔奖获得者和一些被要求推荐的著名教授也可以提名 。所以,费米实验室的主任有可能在名单上。我不知道他是 ,但他肯定有国际知名度。不过,加州理工大学校长不太可能在名单上 。我们称之为分裂。
谢尔顿拒绝没有艾米的提名,这是历史上的先例。为了1903年诺贝尔物理学奖 ,玛丽和皮埃尔居里在新发现的放射性领域做了大量工作。考虑到当时的时代和妇女地位,最初的提名只针对皮埃尔,尽管玛丽是这对夫妇的知识分子领袖 。皮埃尔写信给委员会 ,没有玛丽的共同提名,他拒绝被提名。他获胜,两人与另一位早期辐射研究传奇人物亨利·贝克勒尔共同获得诺贝尔奖。所以这一集的这一点听起来非常真实 。
这一集混合了虚构、真实和几乎真实的内容,但它让我想知道费米实验室的哪种研究可能真正获得诺贝尔奖。回顾过去 ,有1995年发现的顶夸克,虽然我认为不太可能。但是,展望未来 ,总有一天可能会有几个实验合格 。目前在费米实验室,一个名为g-2(g减2)的实验正在研究称为μ子的亚原子粒子在磁场中是如何摆动的。μ子就像是圆胖的 、不稳定的电子,早期测量和预测的行为并不一致。g-2实验将确定这种差异是否意味着发现 。如果这是一个发现 ,很可能会获得诺贝尔奖。把故事带回到“大爆炸理论”一集,一个对目前观测到的差异的解释是超对称性,
,然后还有一些未来的实验。沙丘意志研究中微子和反物质中微子的行为,寻找差异 。如果它们的行为不同,这可能是解释为什么宇宙是由物质组成的 ,而不是由物质和反物质组成的。那将是诺贝尔奖。然后是mu2e(μ子对电子衰变)实验,它寻找一种特定类型的μ子衰变。如果被观测到,那是另一个诺贝尔奖 。
,当然还有费米实验室的科学家们正在寻找暗物质和暗能量 ,它们是比普通物质多20比1的神秘物质,将决定宇宙的演化和未来。这些也是获得诺贝尔奖的肥沃土壤。很可能这一集关于费米拉布诺贝尔奖的预言会在精神上实现,即使不是在现实生活中 。如果你有兴趣进一步了解费米实验室未来的研究计划和这些未来可能的诺贝尔奖 ,我甚至制作了一个关于它的视频。
我想我应该告诉你“确认极化”中的一件事,那听起来完全是错误的。费米实验室的科学家们驾驶经济舱 。Pfffftttt…完全是胡说八道。对我们来说,一路都是教练。如果一个旅游科学家想要几英寸宝贵的腿部空间 ,他们必须缩小差距 。他们甚至不应该这样取笑。这是很刻薄的。
科学在电视上很少是完全正确的,这没关系 。大多数电视应该是娱乐性的。但如果他们能把一些真正的科学融入其中,那就太好了。它能让孩子们对科学感兴趣。这应该是“大爆炸理论 ”的最后一季了 ,我会为它的结束而难过 。
关于暗物质古怪物理学的11个最大的未解之谜:自然界中最酷的小粒子梦幻般的图像揭示了物理学中的美唐·林肯是费米实验室的物理研究员。他是《大型强子对撞机:希格斯玻色子的非凡故事和其他会让你头脑发热的东西》(约翰霍普金斯大学出版社,2014)的作者,他制作了一系列科学教育视频。在Facebook上关注他 。在这篇评论中表达的观点是他的。
Don Lincoln将这篇文章贡献给了Live Science的专家之声:Op Ed&Insights。最初发表在Live Science上 。“
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