11个物理难题牵涉的11种基本粒子

什么是暗物质?什么是引力?为什么宇宙如此平滑?这些谜题中每一个都含有一种粒子。在上世纪30年代末,诺贝尔奖得主伊西多.拉比(Isidor Rabi)得知发现了较重的电子,他为此问道"是什么原因造成的?"在过去的四分之三个世纪里,他曾多次重复这个问题。我们现在知道,困扰拉比的μ子是仅依照其质量不同而分的三个类电子的粒子家族之一。     

从LHC到希格斯玻色子的发现——两本与“上帝粒子”有关的新书介绍

《希格斯:"上帝粒子"的发明与发现》(Higgs:The Invention and Discovery of the‘God Particle’),吉姆·巴戈特(Jim Baggott)著,牛津大学出版社,纽约,2012.$24.95(277页),ISBN 978-0-19-960349-7《宇宙尽头的粒子:对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》(The Particle at the End of the Universe:How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World),肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)著,达顿出版社,纽约,2012.$27.95(341页),ISBN 978-0-525-95359-3由于欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)研究程序获得的备受瞩目的成功,看到相关新书的出版也就一点也不令人吃惊:它会告诉你这个由LHC开始的戏剧性故事,以及那个很可能是希格斯玻色子的发现。这两本书一是肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)的《宇宙尽头的粒子:对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》;另一是吉姆·巴戈特(Jim Baggott)的《希格斯:"上帝粒子"的发明与发现》。两本书都介绍了希格斯玻色子的史诗般的传奇,虽然作者有他自己处理故事的方式,但二者都着重突出了所涉及的人。事实上,在描述历史和人物上二者都是最强的。理论家卡罗尔以一个准知情人的视角讲述了这个故事。尽管他并没有直接参与LHC的研究,但他是一个颇有些名望的物理学博主——在今日世界,有关一项发现的传闻在博客世界中出现要远比官方的通告来得早——卡罗尔叙述了他是如何通过他的"媒体"来关注2012年7月对希格斯玻色子的宣告的。《宇宙尽头的粒子:对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》一书的开篇是引导性的描述和有关标准模型的简史,以及对LHC探测器是如何工作的作了粗略的解释。然而,这本书关注的重点是希格斯场和玻色子,作者在对称性以及如何打破对称——即使这意味着得到了一个破缺的对称性——等问题上花费了一些笔墨,特别是有关希格斯机制和LHC的章节十分有趣,文笔优美流畅。这本书非常适合于那些喜欢以谈话形式描述希格斯玻色子及其意义的读者。如果你的邻居是非专业人士,那么他们也会喜欢它。当然,《宇宙尽头的粒子》也存有一些不足,即在书的前半部分中,经常出现卡罗尔的自说自话。应该说,一本好书会吸引读者沉浸到故事之中,直到一切都结束。该书还介绍了量子场论,这一理论描述了如何将电子、光子和所有其他亚原子粒子表达成不同场的振动模式。由于通俗文学中难得见到独特的见识,《宇宙尽头的粒子》一书对于一个对现代物理学细节感兴趣的读者会有所裨益。然而,卡罗尔给予量子场论的待遇比我期待的"肤浅"。其实,要是以适当的难度将这个问题对目标群体多写几页,将会大大拓展这本书的受众面。最后,我对此书的一个忠告是,卡罗尔频繁提及的引力子,毫无疑问这是一种推测中的粒子,可在书中却给粗心的读者留下印象,似乎它们是公认的事实,而不是理论上的假设。《希格斯:"上帝粒子"的发明与发现》则具有完全不同的风格。巴戈特是一位自由撰稿人,不是物理学界的局内人,他的作品如同保鲜盒,致使读者很容易地进入他的故事而无需刺激性的情节。尽管他的题材相对狭窄,该书实际上是在写关于对称性的——希格斯玻色子的发现确实是过去近百年来的最高成就,在那期间,科学家已经越来越意识到对称性在我们宇宙中所扮演的角色。在该书的第一章,介绍了一位才华横溢的数学家埃米·诺特(Emmy Noether,她的名字与拥有守恒定律的物理学理论中的数学对称性紧密相联),然而,在描述过程中存在较明显的缺陷。巴戈特给出空间和时间对称性的常见例子分别导致动量和能量的守恒,但他试图通过量子力学相对称性来解释电荷守恒的起源。这是准确的,但我不能确信非专业人士会理解他的描述。在我看来,读者更情愿简单地接受另一种被发现的对称性,即电荷的守恒,虽然它仅仅意味着对"量子力学相是什么"这个问     

反物质的世界

自然界的每一种粒子在奇妙的镜面世界中，均有一个反物质的伴侣，当两者相遇时，它们会以辐射形式而湮没，物理学家们通过实验已创造出反粒子、甚至已制造出反物质原子。当人们问20世纪最惊人的发现是什么时，很少有人怀疑是德国量子物理学家W·海森堡（WernerHei－senberg）发现的测不准原理。按照他的意见，在本世纪30年代自从预测和发现了反物质，它像魔镜一样已在宇宙中出现。由此我们能看到反物质粒子，每一种均对应了物质世界中的一种粒子，但是许多性质相反或相对映。那么进一步情况会是什么？如果物质粒子接近或碰到其“对映物”…     

太阳系边界的探索——记艾德·斯通36年的“旅行者”计划心路

艾德·斯通(Ed Stone)办公室里半米长的书架上整齐地摆放着他的44本记录册。在这些印刷精致的册子里,斯通记录了人类有史以来运行时间最长的太空飞船。"旅行者"姊妹飞船自1977年发射以来,已经史无前例地帮助人类探索了木星、土星、天王星和海王星。人类也从来自两艘飞船的数据中发现这些行星和它们的卫星要比之前预期的活跃很多。现     

粒子物理和我们的日常生活世界

在一本有影响的物理学期刊上，罗伯特·卡恩提出，他探索的领域─-粒子物理对于认识我们的日常生活是必要的。他说，"粒子物理学家建造了周长达几千米的各种加速器和篮球场穹形物大小的探测器，最终不仅为了发现t夸克和希格斯玻色子，而且是因为它是认识我们的日常生活为什么是     

2013年诺贝尔奖解读

物理学奖：预测和发现希格斯粒子 他是否会获奖？在瑞典皇家科学院准备宣布今年诺贝尔物理学奖得主之前,任何对此事稍有兴趣的人心中都在揣测.结果是,他真的获得了这一奖项.在预测以他的名字命名的希格斯粒子存在的半个世纪之后,爱丁堡大学的彼得·希格斯（PeterHiggs）终于获得了这项科学界的最高荣誉.另一个更大的谜是谁会与他一起分享这一殊荣？在两次推迟宣布后（对于一向守时的瑞典人来说,这一情况是非常罕见的）,这位共享者的身份终于揭晓,他就是布鲁塞尔自由大学的弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）.     

视野

科学家找到了"上帝粒子"在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机工作的两个独立团队的科学家,2012年7月4日分别宣布了同样的结果:他们99%地相信自己发现了希格斯玻色子(所谓的"上帝粒子")。这种科学家寻找已久的粒子,或许能通过解释我们宇宙中的物体为什么会拥有质量(因而星系、行星甚至人才有了存在的权利),从而使得粒子物理标准模型变得完整。上述发现被认为是"一座具有历史意义的里程碑",但要最终证实     

检验超弦理论的一项实验

一些物理学家认为超弦理论最有希望产生统一自然界四种力的“终极理论”,而超弦理论的核心问题是要引进11维时空,其中7个空间维卷缩得非常小,以致很难将它们探测出来.但若这些额外的维数确实存在,一些物理学家预期当与我们已知粒子有关连的波动状力场传播进此额外维数时,就会引发出被称为卡鲁札-克莱因(Kaluza-Klein,简称K-K)的极大质量的粒子,其表现形式为由波动产生的类似于粒子行为的共振现象.     

一种改进的适用于多相流SPH模拟的粒子位移修正算法

由于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics, SPH)方法具有天然的拉格朗日特性,粒子常常沿着流线运动,易产生不均匀的粒子分布,导致计算精度和稳定性下降.作为一种粒子分布均匀化技术,粒子位移修正(shifting)算法凭借其原理简单、效果显著等优点在SPH水动力学模拟中得到广泛应用.但同时,应用于多相流动中的shifting算法的计算过程较为复杂.针对这一问题,本文提出了一种改进的适用于多相流模拟的粒子shifting算法.与文献中已有的多相流shifting算法相比,它在处理多相交界面时能够维持更加均匀的粒子分布,同时可以保持清晰的异相界面,且实施相对简单高效.数值算例表明,该shifting算法在多相流模拟中具有更高的精度和更好的能量守恒特性.     

K~+P、K~-P、ΩP的弹性散射

我们前面的工作,提出了一种处理强子弹性散射的方法,文献[1]中讨论的粒子是由单成分的组分构成,文献[2]中讨论的复合粒子是由多成分的组分构成,这是一套简洁而有效的方法,而且能够得出解析的结果,从而发展了Glauber散射理论。但是在文献[1,2]中,我们讨论的强子与质子的弹性碰撞,只计算了PP、(?)P和πP,按照夸克模型P(uud),即质子由二个u夸克和一个d夸克构成(夸克指组分夸克,下同),(?),π(q),其中u是u夸克,     

诺贝尔物理学奖:粒子物理学进入新阶段

在亚原子粒子和力的世界里，一幅好的图像会大有助益。如弱电理论就是粒子物理学家手中重要的理论图，正是这一理论导引他们去认识新的粒子直至拿到诺贝尔奖。本年度诺贝尔物理学奖的授予再次证明了这一点——两位荷兰物理学家特霍夫特和维尔特曼因在弱电理论重整化方面的工作——以使得该理论能更精确地计量粒子的质量和行为——而荣膺1999年的诺贝尔物理学奖。在历史上（1860年），麦克斯韦揭示出电和磁具有相同的电磁力；以后科学家根据力的配对特性，在本世纪60年代创建了弱电理论，这种力在原子核中作用，并导致某种类型的辐射衰变。根…     

引起轰动的中微子速度报告

曾几何时,比光速跑得更快的东西还子虚乌有。真要感谢互联网,就在9月16日,整个物理学界都看到了:法国里昂核物理研究所的达里奥.奥蒂耶罗(Dario Autiero)在一屋子满怀疑虑的物理学家面前,将全新的"速度精灵",即幽暗的称为中微子的亚原子粒子放到了桌面上,描述了在一次最新的实验中,他测得的中微子的速度超过了光速--这个宇宙速度的极限是由     

费米国家实验室的未来走向

2009年,位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)的粒子物理学实验室的大型强子对撞机(LHC)投入使用;而在此前的26年,芝加哥附近巴达维亚的费米实验室的正负质子对撞机(Tevatron)一直统治着粒子物理学领域。Tevatron也是费米实验室的骄傲和希望,它曾是第一台用高达1万亿电子伏轰击粒子的机器,捕获了许多新奇亚原子粒子,其中包括顶夸克的发现(顶夸克属于上夸克的近亲,但其质量要略重)     

2007年全美最佳学术机构

"同事关系"成重要指标 在科研生涯中,伍德(C.Wood)曾经辗转在多家研究机构工作.最初,他是雅培实验室的一名科研人员,很快他就发现自己更喜欢做学术研究.     

像鱼类那样呼吸—潜水呼吸器的进展与未来

比尔·斯通（Ｂｉｌｉ　Ｓｔｏｎｅ）将永远难忘那一天──他下潜到佛罗里达州北部瓦库拉斯普林斯的一处水下溶洞群中，从而谱写了人类潜水历史的新篇章。１９８７年１２月３日午后，斯通游到水下约３０英尺后便开始休息。斯通这次仅携带了两只储存３０立方英尺的氧气瓶和一袋描写战争的小说。如果他使用的是常规氧气瓶的话，３０分钟之后就不得不浮上水面。然而这位在华盛顿市国家标准和技术研究所任职的工程师携带的是一只自制的循环再呼吸器（ｒｅｂｒｅａｔｈｅｒ）。他在水中待了２４小时─—创造了潜水人员以独自维持的呼吸装置在水下…     

微小的东西就是好--将"纳米"变为实用

在纳米技术的应用中,像纳米机器人那样奇妙的未来应用固然引人注目,但是,这一领域中第一批由极微小材料构成的成果更为实用。而这些极微小的材料——纳米粒子——之所以能获得奇妙的功能,只不过是因为它们是如此之微小。在一些诸如像防晒油中的遮光剂、颜料和喷墨之类的产品中,已出现了各种类型的纳米粒子。而异乎寻常的纳米粒子,给医学中灵敏的诊断检测和新的治疗方法带来了希望——如通过一种脊椎中的蛋白质来检测早老性痴呆症,或者能热死癌细胞的金纳米粒子等。但是,有的纳米粒子因其功能目前还没被发现,故其领域还有很大的应用潜力。中…     

电子散射对Woods-Saxon α粒子波函数的检验

α粒子的敲出和拾取反应,一直被认为是研究原子核的α粒子集团结构的有力手段之一。在这些反应的理论处理中,α粒子在核内的束缚态波函数是很重要的。为得到这个波函数,通常的作法是假定α粒子在核心提供的Woods-Saxon位阱中,做独立粒子运动;势阱的深度,由α粒子的分离能决定。这样求得的α粒子波函数可写为     

什么是好的科学?

正毫无差别地要求理论可证伪或可观察,这会阻碍科学的发展。我们需要疯狂的想法。维也纳的物理学家沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)遭受了内心的煎熬。他解决了核物理学中最棘手的难题之一,但也付出了代价。"我做了一件可怕的事情,"他在1930年冬天向一位朋友承认,"我假设了一个无法检测到的粒子。"尽管泡利有着难言的绝望,但他在信中透露出,他并不真的认为他的新亚原子粒子始终不会检测到。他相信,实验     

CERN一游

人们可能认为，如果到欧洲粒子物理实验室(CERN)去参观．那么谈论的话题多半会集中在夸克、玻色子以及其它种种构成宇宙的无穷小粒子上。不过，CERN最近谈论的话题却集中在一些大得多的东西上：重型工业起重机，反铲及隧道掘进机等正日夜轰鸣着搬走将近一百万吨泥土，以推进物理学新领域的发展.