天天看点

四种粒子,四种人生

四种粒子,四种人生

在太阳的中心,核聚变会产生大量的光子。在从核心到太阳表面的途中,光子不断撞击电子和质子。直到数十万年后,他们才有机会离开太阳表面,直奔地球。

虽然我们每天都能感受到太阳的温暖,但很少有人会想到,光是什么?直到17世纪,牛顿才在一个房间里设法将太阳的光线通过棱镜传递。牛顿发现,曾经被认为是白光的东西实际上可以被分解成不同颜色的光,从而揭示出光的丰富多彩的一面。自牛顿时代以来,越来越多的人开始思考光的本质是什么。

四种粒子,四种人生

马克·麦克劳克林的红外线生活

今天,在许多人的努力下,我们知道光不仅由粒子或光子组成,而且还由波组成。牛顿观察到的可见光实际上只是整个电磁波谱的一部分。肉眼不可见的光还包括伽马射线、X射线、紫外线等。

宇宙中有许多不同的物体以不同的波长发光。马克·麦克劳克林(Mark McLaughlin)是欧洲航天局的科学和探索高级顾问,他对电磁波谱中的红外波段最感兴趣。通过红外望远镜,他看到了许多在光学波段看不到的美丽风景。

四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生

图片来源:成为科学家

四种粒子,四种人生

王潍坊与鬼粒子

事实上,太阳核心的核聚变不仅产生光子,还产生大量其他粒子,即中微子。但与光子不同的是,中微子可以不受阻碍地飞出它们的核心,直接飞到太阳表面,因为它们几乎不与物质相互作用。在我们的日常生活中,每秒有无数的太阳中微子穿过我们的身体,但我们没有意识到它们。

中微子,像光子和电子一样,属于基本粒子。为了描述基本粒子之间的相互作用,物理学家在1970年代开发了粒子物理学的标准模型。虽然标准模型在过去非常成功,但它是不完整的,并且存在许多无法解释的问题。通过中微子实验,物理学家可能能够找到突破标准模型的线索。

在所有中微子"捕手"中,中国科学院院士王潍芳非常有代表性。因为他的团队发现了中微子的第三种振荡模式。

四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生

丽莎·兰德尔的维度之旅

标准模型的另一个问题是,它们只描述了自然界中的三种基本力,即电磁力,弱力和力,不包括重力。重力是我们每天体验到的最熟悉的基本力。在弱引力场的情况下,我们只需要应用牛顿的万有引力定律,但在一些极端的引力环境中,我们需要爱因斯坦的广义相对论。广义相对论告诉我们,引力是时空弯曲的结果,并预测了其他奇妙的现象,如引力波和黑洞。尽管如此,我们对重力的了解还不够。

一个让物理学家感到困惑的问题是,为什么与其他三种基本力相比,引力如此微弱。哈佛大学(Harvard University)终身教授丽莎·兰德尔(Lisa Randall)认为,答案可能隐藏在一个额外的维度中。我们生活在一个三维空间加一维时空中,但这并不意味着没有更多的维度。超维理论预测了一种称为Karuzza-Klein粒子(KK粒子)的粒子。物理学家将他们的希望寄托在对撞机上,希望通过碰撞高能粒子来产生这种假想粒子,从而通过实验证明额外的维度理论。

四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生

探索宇宙不断变化的黑暗面

除了对引力的研究外,丽莎还认为暗物质是6600万年前恐龙大规模灭绝的原因。

过去一个世纪的各种天文观测表明,宇宙中应该有大量的暗物质。但究竟什么是暗物质?目前还没人知道。它可能是一个或多个粒子,因为它不参与电磁相互作用,所以我们看不到它,它是标准模型无法描述的存在。

几十年来,科学家们一直在努力寻找暗物质粒子,提出了各种方法。上世纪末,中国科学院院士常进提出了一种通过高能电子和伽马射线探测暗物质的新方法。2015年,长金主导的暗物质探测卫星"悟空"发射升空,预示着属于中国的太空科学时代的曙光。

四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生
四种粒子,四种人生

追赶光明

300多年前,惠更斯和牛顿开始思考光的本质,分别提出了波论文和粒子论文。100多年前,爱因斯坦颠覆了牛顿的引力观,改写了我们对宇宙的理解。90多年前,为了解释β衰变的能量守恒,泡利提出了他认为自己找不到的中微子。鲁宾在50多年前对星系自转的研究发现,假设宇宙中存在暗物质,它们移动得太快了,进一步验证了Zwiki在80多年前的猜测。正是有了这些巨人的思想,我们对宇宙有了更深入的了解,并引发了一场革命。它们照亮了代代相传的道路,就像光一样。

#创作团队:

文本:原文

排版: S

#参考来源:

插图和部分文字均出自《成为科学家》(腾讯青年发展委员会、中信出版集团)授权使用。

继续阅读