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量子宇宙 [:1700921915]
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量子宇宙 粒子物理学标准模型
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在图11.1中列举出了所有已知的基本粒子。在撰写本书时，这些就是我们宇宙的基本构件了。但预计还有更多基本粒子：我们也许会发现希格斯玻色子，抑或是与丰富而神秘的暗物质有关的粒子——要理解浩瀚宇宙，暗物质似乎是不可或缺的。又或者是超弦理论期待的超对称粒子，抑或是某些额外维理论中的卡鲁扎-克莱因激发[229]，乃至技夸克[230]（techniquark）、轻夸子[231]（leptoquark）等等。理论推测层出不穷，而对于在LHC进行实验的人，他们的责任就是缩小范围，排除错误理论，指明前进方向。
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你能看到、触摸到的一切，地球上每台无生命的机器、每个活物、每块石头和每个人，可观测宇宙中3500亿个星系中每个星系内的每一颗行星和恒星，都是由第一列的四种粒子构成的[232]。而正在阅读的你只由三种粒子构成：上夸克和下夸克（up quark、down quark）以及电子。夸克构成原子核，而如我们所见，电子负责化学反应。第一列中余下的一种粒子叫作电中微子[233]（electron neutrino），可能你不太熟悉它，但每秒有来自太阳的约600亿个电中微子穿过你身体的每一平方厘米[234]。它们大都直接穿过你乃至整个地球，而不受任何阻碍，这就是为何你从来没见过或者感到过任何一个电中微子。但是我们将很快看到，它们的确在为太阳提供动力的过程中发挥了关键的作用，而你的生命也因此而可能存在。
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这四种粒子形成一组，被称为第一代物质；与大自然中的四种基本相互作用一起，它们看似就是构成宇宙的全部所需了。由于一些我们尚不理解的原因，大自然还给我们提供了两代物质。它们在表11.1中由第二、三列表示几乎完全就是第一代的复制，除了质量更大。尤其是顶夸克，比其他基本粒子质量要大得多；1995年，在芝加哥附近费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）中发现了它，测得的质量是质子质量的180倍。顶夸克作为一个点状粒子（在这方面类似电子），为何是这样一个怪物，至今仍是个谜。虽然这些额外的物质并不直接在当今宇宙的普通事务中起作用，但它们似乎在宇宙大爆炸（Big Bang）后的片刻扮演了关键角色……但那就是另一个故事了。
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图11.1：自然界的粒子。
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图11.1中最右一列还展示了载力粒子。引力没有在表中显示出来，因为我们还没有一个引力的量子理论能良好地置于标准模型的框架中。这并不是说，没有量子“引力”理论；弦理论（string theory）就是一种尝试，但迄今为止，它仅获得了部分成功。由于引力十分微弱，它在粒子物理实验中不发挥显著的作用，而出于务实考虑，我们就不再讨论它了。在上一章中我们了解到，光子是如何负责传递带电粒子间的电磁力的，以及光子的行为是由新的分枝规则来确定的。W和Z粒子在弱相互作用中做相应的事情，由胶子（gluon）传递强相互作用。相互作用的量子描述之间的主要差异在于分枝规则的不同。事情（几乎）就是这么简单，而笔者在图11.2中画出了一些新的分枝规则。因与QED的相似，弱和强相互作用的基础很容易理解；我们仅仅需知道分枝规则，就能像上一章中对QED那样画出费曼图。幸运的是，改变分枝规则会对物理世界产生各种不同的影响。
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图11.2：弱和强相互作用中的一些分枝规则。
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如果这是一本粒子物理教科书，笔者可能会继续概述图11.2中每一个过程的分枝规则以及更多。被称为费曼规则（Feynman rules）的这些规则可以让我们或计算机程序计算出物理过程发生的概率，类似于上一章我们对QED概述过的那样。这些规则抓住了世界的某种本质，而且令人愉快的是还可以用一些简单的图和规则进行总结。但本书不是粒子物理教科书，所以我们只要重点关注右上角的图，因为它描述了对地球生命极其重要的一条分枝规则。它显示了一个上夸克在发射出一个W玻色子后分枝成了一个下夸克；这个过程发生在太阳核心中，会产生巨大的效果。
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太阳是一个由质子、中子、电子和光子组成的气态海洋，体积相当于100万个地球，并在自身引力作用下走向坍缩。极度压缩将太阳核心加热到1500万摄氏度，在此温度下质子开始融合，形成氦核。核聚变过程所释放出的能量增加了恒星外层的压力，使之与向内的引力平衡。我们将在尾声中深入讨论这种摇摇欲坠的平衡，但现在我们更想知道“质子开始融合”是什么意思。
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这句话听起来简单，但在1920和1930年代太阳核心内聚变的确切机制是科学论战的一大辩题。英国科学家亚瑟·爱丁顿（Arthur Eddington）[235]是提出太阳的能源是核聚变的第一人。但很快就有人指出，根据当时已知的物理定律，太阳核心的温度显然还太低，不足以产生核聚变。然而，爱丁顿执意抗言，发表了著名的反驳言论[236]：“我们研究的这些氦一定是在某时某地被合成出来的。我们不与那些认为恒星温度不足以支持这一过程的批评者争论；我们要让其自行寻找更热的地方。”
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问题在于，当两个位于太阳核心高速运动的质子靠近时，由于电磁力的作用（或者用QED的语言来说，由于交换光子），它们互相排斥。若要融合，需要靠得很近，直至差不多重合的程度；而爱丁顿及其同事都熟知，太阳质子的运动不够快（因为太阳的温度不够高），无法克服它们之间的电磁排斥。
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图11.3：质子通过弱衰变转换成中子，发射出一个正电子和一个中微子。如果没有这个过程，太阳就不会燃烧。
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这个谜题的解答是，W玻色子会出手相救。在一段极短时间内，对撞中的一个质子可以将其包含的一个上夸克变成下夸克[237]，见图11.2所示的分枝规则。现在，由于新形成的中子不带电荷，它和剩下的质子可以非常靠近。用量子场论的语言来说，这意味着不会发生能将质子和中子推开的光子交换。质子和中子摆脱了电磁斥力，可以融合（由于强相互作用）形成一个氘核[238]，而这就能加速氦的形成，让恒星释放为生命提供希望的能量。这个过程展示在图11.3中；图中也表明，W玻色子并不会存续很长时间，而是分枝成一个正电子核和一个中微子——这正是那些大量穿过你身体的中微子的来源。爱丁顿为太阳的动力来自聚变所做的好战辩护，尽管最后被证明是对的，但他当时对谜题的解法一无所知。最重要的W玻色子及其伙伴Z玻色子，最终于1980年代才在CERN被发现。
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在结束对标准模型的简短勘察之前，我们再讨论一下强相互作用。在它的分枝规则中，只有夸克才能分枝成胶子。事实上，夸克发生这种分枝要比发生其他分枝的可能性大得多。发射胶子的这种秉性，是强相互作用名称的由来（胶子分枝的概率更大，是因为这种相互作用的强度也更大），也是胶子分枝能战胜电磁排斥力的原因，否则电磁排斥力就会使得带正电的质子炸开来。幸运的是，强相互作用范围不大。胶子在再次分枝之前，往往不能运动超过1飞米（10－15m）远。质子可以穿行宇宙，而胶子的影响却如此短程的原因是，胶子也可以分枝成其他胶子，如图11.2中的最后两张图所示。胶子的这一能力使得强相互作用与电磁相互作用截然不同，并且有效地将强相互作用限制在原子核的内部。光子没有这样的自分枝，实在是福星高照，如果流向你的光子会被经过你视线的光子散射开来，你就无法看到眼前的世界了。我们能看到东西是一个奇迹，也生动地提醒我们，光子极少相互作用。
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笔者还没有解释这些新规则的来历，也没有解释宇宙中为何有这些粒子。这么做是有理由的：我们并不真正知道这些问题的答案。电子、中微子和夸克作为构成我们宇宙的粒子，正是缓缓展开的太空大戏的主角。但迄今为止，关于演员们为何要这样站位，还没有一套令人信服的解释。
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然而，我们能够确定的是，只要有了粒子的清单，则它们那些由分枝规则所描述的相互作用方式就成了我们可以预料到的一部分。分枝规则并不是由物理学者凭空臆测的；它们在任何情形中都能被预料到。因为能描述粒子相互作用的理论，应该是一套量子场论，并辅以一种叫规范对称性（gauge symmetry）的东西。讨论分枝规则的起源会偏离本书主线——但笔者确实希望重申，基本规则非常简单：宇宙由粒子构成，而粒子按为数不多的跃动和分枝规则四处运动并相互作用。我们可以接受这些规则，并依照它们将一些钟加起来，从而计算“某事”确实发生的概率——“某事”可能发生的每一种方式都对应一块钟。
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量子宇宙 质量的起源
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粒子可以分枝与跃动的观念，引领我们进入量子场论的领域，而跃动和分枝几乎就是量子场论的一切。然而，我们之前对质量的讨论一直含糊其词，因为这才是大轴好戏。
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