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宇宙里的物质,为什麽会长成现在这副模样?
这个问题听起来很虚,但它其实具体得不能再具体了。
如果我们把眼前的世界拆开。
这张病床也好,人的身体也罢,一直拆,拆到分子,拆到原子,再拆到原子核……
直到最後就只剩下了上夸克、下夸克、电子,外加一种几乎不与万物打交道的中微子了
大家都知道,质子是两个上夸克加一个下夸克,中子是一个上夸克加两个下夸克。
整个可见宇宙,从一粒尘埃到一颗恒星,从人的眼泪到病房外的夜色,全部是用这几个零件搭出来的。
而这几个零件,各自带着一个电荷:+2/3、-1/3、-1、0。
这就是万物的零件清单。
那麽问题来了。
为什麽是这几个零件?
为什麽这几个零件要带这几个电荷呢?而不是别的?
这个问题,困扰了物理界整整一百年。
在1909年的时候,密立根用油滴实验测出了电子的电荷,从而确定了自然界中一切电荷,都是基本电荷的整数倍。
这条结论是现代物理大厦里最牢固的几块砖头之一。
1964年,盖尔曼提出夸克模型,给质子和中子内部的组分指定了+2/3和-1/3的分数电荷。
这在当时看来,简直就是离经叛道到,连盖尔曼本人都只是把夸克当成记账用的数学符号,不敢对外宣称它们的存在。
直到斯坦福的深度非弹性散射实验轰出了质子内部的点状结构,物理学界才不得不承认,分数电荷是真的存在。
但是它们为什麽偏偏是+2/3和-1/3?
答案是……没有为什麽。
在粒子物理的标准模型里,每种粒子的荷是一个自由参数。
打个比方,标准模型就像一台刚出厂的机器,理论物理学家们造出了这台机器,可机器面板上有十九个旋钮,每个旋钮该拧在哪个刻度上,说明书上一个字都没有写。
而物理学家能做的只是去读刻度,然後老老实实的记进教科书里。
电子的电荷是负一?为什麽?,不知道,因为说明书上没写,所以记下来就是了。
这个问题就像是问,光速为什麽是每秒二十九万九千七百九十二公里一样,没有为什麽,这就是宇宙的出厂设置。
一百年来,所有人都接受了这个回答。
除了病床上这位老人和他的朋友。
而这两个人,恰好是全世界最有资格不接受这个答案的人。
现代物理学描述基本相互作用的那座大厦,叫做规范场论。
它用同一套数学语法,写出了三种看着毫不相干的力:让磁铁相吸的力、让原子核不散架的力、让太阳燃烧了五十亿年的力。
而这套语法的奠基方程,正是杨先生在1954年和米尔斯一起写下的杨-米尔斯方程。
换句话说,那台“机器”的图纸,有一半是杨先生画的。
而威滕则是把这张图纸往数学深处又推了几十米的人。
他在1988年开辟的拓扑量子场论,用物理学家的直觉给出了一大堆数学家自己都证不出来的定理,也让他成了至今唯一一位摘得菲尔兹奖的物理学家。
一个人画了图纸,另一个人把图纸读到了连数学家都要仰视的深度。
这两个人凑在一起,问的就是那个所有人都放弃了的问题。
只不过,他们换了一个问法。
他们不问“宇宙为什麽选了这套参数”,这个问题没法用纸笔回答。
他们问的是:什麽样的理论,在数学上是被允许存在的?
杨先生缓缓说道。
“我们检查了很多理论,规范群的选取、物质场的表示、荷的指定,换了几千种组合。”
“但绝大多数组合,都活不下来。”
这里的活不下来,指的是理论物理里的量子反常的相消。
反常的相消是什麽意思呢?
一个物理理论,本质上就是一本账。
在经典物理的层面上,这本账可以记得漂漂亮亮,每一笔收支都对得上。
可一旦把量子效应加进去,有些账本就会冒出一笔怎麽都抹不平的赤字。
这个赤字,术语上就叫反常。
带着反常的理论有多严重?它意味着这个理论里所有可能性的概率加起来不等於百分之百,它有可能等於百分之一百二十。
你能想象一枚硬币出现正面和出现反面的概率等於百分之一百二十吗?
这样的宇宙还能运转吗?
所以带反常的理论不是对或者错的问题,它连存在的资格都没有。
把那多余的百分之二十抹平就是反常相消,这是一切理论的入场券。
而粒子物理里有一个着名的事实:我们这个现实宇宙的标准模型
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