脑部故障

一个忠实地服从自己理性的人必须准备忍受殉道的命运

 
   

中微子模型的崛起——通往真相的又一个第一步(上)

恶魔的呼啸,天使的沉默:

以下文字部分参考果壳网今日翻译的文章:中微子,开启通向新物理学的大门




进入近代了,物理学变成了一门越来越难以理解的学问。过去亚里士多德可以凭借直觉去思考万事万物的规律,而如今就算是想要试验也不知道从何处下手。很多人都从一些纪录片和科普野史中读到过所谓的相对论和量子物理学的恩怨情仇——也可以说是爱因斯坦与哥本哈根的百年惆怅,的确如此,可以说困扰物理学发展的一个重大问题就在对于最“基础”问题的看法:粒子究竟是个嘛玩意儿?它是怎么运作的?从最根源的意义上讲到底有没有这玩意儿?它是不是真正意义上的最基础的物质存在?







目前为止,上述问题基本已经趋向于一个共识,而且还顺便包容了另外的一些曾经在过去与之冲突的理论——粒子物理学标准模型的建立和逐步完善正是对于这个困扰现代物理学数十年问题,也是搅得第七季和第八季谢尔顿天翻地覆的弦理论和暗物质两个研究方向统合的一个关键的思考方法。粒子物理学是迄今为止对物质基本单位及其它们之间相互作用最为成功的描述。随着我们无限接近找到号称上帝粒子的希格斯玻色子的粒子,这个模型的争议基本上已经不得不在理智上向真理方向无限接近。不过科学家们并未就此满足,这群永远喂不饱的家伙们越来越自信于自己正在朝着宇宙真相快速接近,他们当中的多数人希望让粒子物理学取代所有的附属和边缘理论,成为这个时代的经典物理学,并尽快开始他们期待已久的黑科技的研究。当然,要达到那一步,似乎还有一个漫长的过程。







上一幅图并不是暗物质,而是物理学家和工程师试图寻找到暗物质这一存在的手段的数据记录。暗物质的本质究竟是什么?这是目前最吸引全球物理学家的问题之一,也是粒子物理学要想从群雄之中脱颖而出的关键一环。这种被广泛认为占据宇宙80%质量的神秘不可见物质究竟是什么,为什么我们始终无法解释它的存在为什么如此不可探测却又总有一些方法——例如通过观测扭曲的空间结构以及对于膨胀曲率的推演等手段——去证明它的真实存在?而在暗能量的问题上,要不是观测科学家们最终靠着普朗克探测器的数据认识到了过去对于宇宙比例观点的失败,又有谁会知道仅仅只占宇宙加速膨胀因素大概68.3%的暗物质却被粒子物理学家高估了10120倍呢?除此之外,从黑洞中的物质变化形式虫洞模型的推论,到宇宙爆炸时期物质的逃离和形成,粒子物理学标准模型所不能解答的东西实在还是不少,不仅如此,它还备受所谓“自由参数”(free parameter)的困扰——这是一个犹如bug和作弊器的存在,这些参数本身就犹如在某个家庭聚会中加入一个没人认识却又不好意思赶走的主持人来活跃气氛,而且最后还不知道应不应当给他钱——标准模型自身无法得到这些数据,必须人为放进模型中,而且数值也是任意确定的,比如对模型内相互作用强度的设定就是如此。没有人能够掌控这些变量,以至于人们不得不怀疑宇宙本身究竟有没有引入过这些变量。




消解这些难题需要新的物理。研究者曾寄希望于希格斯粒子,但由于希格斯粒子目前表现得基本上中规中矩,而且事实证明这个存在中的司仪因素实在还是太多了,所以,科学家们开始期盼中微子能否改变目前对于标准模型的许多负担。







中微子是轻子的一种(所谓轻子就是指那些不够牛掰无法参与强相互作用的自旋量子数只有一半自然量的一群费米子兄弟姐妹,当然说了你还是不懂)。这个以接近光速运动的小而轻的怪物,从来不与人竞争,几乎就是大隐隐于市——中微子非常不喜欢参与同周围物质的反应和活动,简直就是一个标准的自我孤立的高中生。中微子是如此的不合群,以至于关于这个小恶魔的种种谜团完全超出了标准模型的能力之外,不过科学家就是为此而倍感好奇




目前人类——是的,物理学家毕竟也是灵长类非长臂猿科的一员——了解到有3种中微子,它们看上去井井有条,分别和电子及电子的两个更重的表亲——μ子(它比质子还大,却依然只能叫渺子)和τ子(对它的捕捉和观测费尽心力,所以叫陶子)组成一对,构成完整的轻子家族。不过为了让这几个愚蠢的外来势力不至于影响到我大标准模型高中完美的社交网络,标准模型给予了错误的假设:它们认为中微子的质量为0,而且直到今天都无法在模型框架内确定中微子的质量。因此,这所保守的学校排挤了他的三个杰出的好学生,而且还想尽办法的将它们排除在已经分的很明确的班级之外单独建一个班,还不给予一个学业评判标准。这样死板的标准模型自然没能预见到中微子三兄弟的完美适应性——它们能在3种形态之间来回变化,而且拒绝接受一个几乎可以说是事实的推断:一定还有更多的中微子兄弟




这使得那些既觉得标准模型好又害怕它的保守会毁掉属于它一切荣誉的人们开始筹划改革方案。存在大量新的理论希望填补这些缺陷,这其中包括大统一理论一个总觉得自己是上帝的可能存在也可能不存在的方程式)、超对称自旋为整数的家伙和自旋为半整数的家伙们实际上是对立统一而且相互对称配合默契的)和弦论根本没有什么粒子啊能量啊什么玩意儿,都是弦以及它的震动造成的真假交织的东西)。人们期盼它们三个怪咖当中的某一个可以还世界一个真相,打到标准模型霸权主义,解释中微子为何如此奇葩而且卓尔不群。而如果那个理论反过来为中微子所青睐,它也将作为标准模型的救世主,粒子物理学的新标杆而成为新的经典物理学,为人类奠定下一步事业的基础。然而尽管总是一副隐士的姿态,中微子在物理学史上一直在不断地救场。泡利当初构想出这些粒子,就是为了挽救β辐射中能量和动量的守恒(由于这玩意儿当时在观察和计算上的放浪不羁,自从玻尔说守恒失效之后,之后科学家们差一点就要烧牛顿了)。至于对于把物理学界的神秘主义科学神教老大——反物质数量巨大无比不可抵抗打趴下这件事情,中微子也充当起了先锋,使得我们成功解释了那个10120的荒谬。用美国弗吉尼亚理工大学理论物理学家帕特里克·胡贝尔(Patrick Huber)的话来说,“中微子能让你进入另一个世界,原因很简单,它跟我们这个可见的世界几乎没有多大的相互作用”。换句话说,正因为大师本身超然物外,所以它才获得了上帝视角。







标准模型对中微子描述的第一道裂缝,出现在16年前。在那之前,学校霸凌还是一件极其常见的事情:很多物理学家都跟随标准模型,假设中微子没有质量。但是到了1998年,日本的著名的超级神冈实验——也正是本届诺贝尔物理学奖获得者梶田隆章主持的伟大实验,严厉地抨击了标准模型对于中微子的错误观感,证实情况并非如此。来自不断轰击地球大气层的宇宙线中的随波逐流者μ子中微子被发现它们能够在穿透地球的过程中变身为电子中微子。其他一些实验则对核反应堆、粒子加速器及太阳核衰变过程中产生的中微子进行了探测,同样证实了这种现象的存在,这正如同迪迦奥特曼的三种形态的转化,再次证明了日本是个热爱变身的民族。而且,它的变身还有一种只能在大结局和剧场版中看到的究极形态无论中微子发射出来时属于那一种,在传播过程中都会变成一个三合一的超级英雄,包含了所有的3种味道。按照量子力学的经典阐述,要想这种变换有可能发生,中微子必须具有质量。每种复合的中微子在传播过程中都会变成一个周期变化的混合态,而且这3种混合态各不相同,有的这个多一点,有的那个多一点,但总之是一个不断演变的超级英雄,这是无可争议的事实。




这就给标准模型大学出了个难题。“中微子质量告诉我们标准模型需要被拓展,但它没有告诉我们如何去拓展,”与之相对,某些大统一理论,即那些希望更进一步统一除引力之外所有自然力的尝试确实预言了有质量的中微子,证明了宗教情怀这玩意儿有的时候不容小觑。因此,准确确定中微子的质量,能帮助理论物理学家判断,哪种理论值得追随




为了让这种“有质量的东西”变成“有准确质量的东西”,科学界为之付出了巨大的努力。至于是什么样程度的努力呢?这点明天接着唠,毕竟夜航船同志已经了解到许多人在这里就已经趴下了,更别说是那些性感而且使你感到无脑的证明。好好看看果壳和百度上那些你依旧看不懂的东西,咱们明天接着唠中微子的“证明之怒”。



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  1. 脑部故障第一个人,Le premier homme? 转载了此文字
 

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