黑洞奧秘特輯6:從無限小的原子到最大加速器的奇妙世界丨AC茂的模

茂的模 Official
79粉絲
歡迎各位訂閱我的頻道:http://bit.ly/37Fy6n1
-------------------------------------------------- ---------------------------------
我是AC,致力於帶你探索星辰大海。
#科學 #穿越 #黑洞
覺得AC說得不錯的朋友歡迎評論,點贊和訂閱,打開小鈴鐺獲取第一時間的更新!
你們的鼓勵是我更新的最大動力。
-------------------------------------------------- ---------------------------------
更多精彩內容:
凝聚萬相繫列👉
https://youtube.com/playlist?list=PLMV2V5XOCsILHKJf8pgxO-y_2nIxGuh-p
三體科學匯系列👉
https://youtube.com/playlist?list=PLMV2V5XOCsIJn92hNP66VG32jo077cxGU
統一之路系列👉
https://youtube.com/playlist?list=PLMV2V5XOCsIJUU828crSVlBHGm45wHook
科學雜談系列👉
https://youtube.com/playlist?list=PLMV2V5XOCsIIuLFeBc-icCcCwFV1kfmYu
-------------------------------------------------- -----------------------------
訂閱我的頻道: http://bit.ly/37Fy6n1
▶您也可以在這裡找到我(BiliBili):http://bit.ly/3rloupq
AI 生成·可能包含錯誤
大型強子對撞機
人類歷史上最昂貴的實驗儀器
大型對撞機
這兩個詞不用解釋也很容易理解
但強子是個啥玩意兒
強子
我比你玩的早點
但強子名聲我老虎也略知一二
通常來說
強子指的是受到強相互作用力影響的亞原子粒子
比如介子
核子以及膠子
得嘞
爲了解釋一個詞又搞出三個詞來
不着急
我們一個一個解釋
先說介子
所有介子都有着同樣的結構
一個跨克和一個反跨克
中間由一根粘性很強的力線相連接
一個介子可以像彈簧一樣震盪
像攪拌棒一樣繞軸旋轉
或者以各種方式彎曲摺疊
核子就比較簡單了
也就是我們熟悉的質子和中子
它們都是由三個跨克組成的
每個跨克都連着一條力線
這三條力線在中心結合
它們也可以旋轉和震盪
快速的旋轉和震盪給力線增加了能量
拉長了它也增加了質量
此外還存在着另一種強子
一種無跨克粒子
強子物理學稱它們爲膠子球
跨克似乎不是由更小的粒子構成的
它們像電子一樣
因爲太小
所以無法檢測到其尺寸
但是結合跨克的力線卻是由其他物體組成的
而且這些物體不是跨克
這些黏乎乎的組成力線的粒子就是膠子
膠子極其微小
但是它們似乎有兩個端點
一正一負
看起來就像是些小磁鐵
關於跨克和膠子的物理理論被稱爲量子色動力學
簡稱QCD
一個聽起來更像是某種彩色小電影的東西
而似乎與基本粒子沒什麼關係
在統一之路系列中
我簡單介紹過這個理論中的一些概念
那麼這期就稍微進階一些
聊聊它更具體的內容
根據QCD的數學規則
一個膠子自己不能單獨存在
數學上要求其正負兩個端點都與其他膠子或者跨克相連接
每一個正端點必須與另一個膠子的負端點或者跨克相連
每一個負端點則必須跟另一個膠子的正端點或者反跨克相連
最後三個正的或者負的端點可以結合在一起
根據這些規則
核子 介子和膠子球可以被輕易的組合起來
那麼如果介子中的跨克受到一個很強的力
它將會發生什麼呢
跨克將開始迅速的遠離反跨克
如果它與一個原子內部的電子相類似
那麼它將會飛離出去並且逃逸掉
但是這裏發生的卻完全不同
當它與它的另一半開始分離時
膠子間會形成一條縫
就像一根橡皮筋被拉斷時它裏面分子的狀況
然而膠子們會自我複製
製造出更多膠子來填充這條裂縫以避免斷裂
跨克和反跨克之間形成的力線通過這種方式阻止了跨克的逃逸
最後這個跨克將耗盡能量轉而朝向反跨克運動
核子內部的高速跨克也會發生同樣的事情
跨克似乎與電子一樣小 一樣基本
它們不能旋轉 不能被壓縮 也不能形變
儘管它們看起來沒有什麼內部結構
但是它們有一個複雜性的自由度
這看起來似乎有些矛盾
跨克有很多種類型
它們帶有不同的電荷和質量
是什麼導致了這些差異仍然是一個謎
所以我們把已發現的六種不同的跨克都歸爲基本粒子
至少目前是這樣
在二戰之前
物理學還是以歐洲爲中心
物理學家用希臘語來命名粒子
光子 電子 介子 重子 氫子
以及我們的主角強子的名字都是來源於希臘文
但是後來沒那麼有文化的美國人取得主導地位
命名這件事情就變得越來越草率了
跨克是來自後現代文學奠基人之一詹姆斯·喬伊斯的長篇小說
芬尼根的《守靈夜》中一個沒有意義的單詞
而跨克的味兒則是一個用來描述不同跨克類型之間區別的不恰當詞語
還好這一命名沒有延展成香草跨克
巧克力跨克
草莓跨克
雖然聽上去很好吃
跨克的六種味兒是
上 下 參 齊 頂 底
頂和底曾經一度被認爲是不雅的
所以有段時間他們一度被改成了真跨克和美跨克
不得不佩服這些人的想象力
我就怎麼也想不明白頂和底到底有啥色情的
除了用味兒來區分跨克以外
還有另一個分類方式
它對於量子色動力學非常重要
每個跨克被分爲三種顏色
紅色 綠色和藍色
這也正是量子色動力學中色字的來源
這又是一個草率的並且非常有誤導性的命名方式
要是再把色和味兒結合
搞出什麼紅色巧克力跨克
綠色雞排跨克
藍色毛血旺跨克
就更離譜了
實際上跨克太小
當然不能反射光線
所以更不可能有顏色或味道
物理學家們只需要搞一個概念出來
給這些東西分類
與味兒一樣
我們也不知道跨克色的來源
但是色在QCD中扮演的角色
卻重要的多
根據QCD
膠子沒有味兒
但是它們的色比跨克更復雜
現在已知有八種類型的膠子
每一種膠子都有一個正極和負極
而且每一極都有三種色中的一種
爲什麼存在三種色
而不是兩種或四種呢
這個問題目前還沒有答案
我們離全面瞭解基本粒子還差得很遠
但是從它們結合形成盒子和介子的方式
我們知道跨克有三種且僅有三種顏色
粒子物理的標準模型極爲繁雜
但是跨克就有六種味兒
三種顏色
許多任意設定數值的常數
這個模型顯然不是簡單優雅的東西
也不像是什麼終極的理論
那爲什麼要做這個呢
這是因爲之前那些簡潔優美的理論
無法擬合實驗數據
而這個極其混亂的理論
卻是目前對大自然現象解釋的最好答卷
許多粒子物理學家和普通人有着相同的困惑
他們也很難相信無窮小的點粒子
可以有那麼多的特性和那麼多的結構
一定有很多更基本的機制
支配着這些所謂的基本粒子
但他們和普通人的區別在於
他們並不只是吐槽一句
這麼複雜的東西肯定不是真理
然後放棄思考
而是在還沒有發現任何更簡潔的理論
能夠描述世界之前
繼續在這片痛苦的泥沼中前行
隨着各種物理科普書籍
視頻的日益增多
夸克開始被公衆熟知
但大多數人對和夸克同等重要
甚至更加重要的膠子卻仍然很陌生
這些黏乎乎的東西能帶給我們什麼呢
這就要用到量子場論中的兩個要素
傳播子和角點了
先說傳播子
它的世界線表示一個粒子
從時空的一點到另一點的運動
因爲膠子有兩個極
每一極都有一種色
所以物理學家們通常用雙線來表示世界線
要表示某一具體類型的膠子
我們可以在每條線的邊上寫上顏色
再說角點
角點最重要的是它表示了
單個膠子一分爲二的性質
模式相當簡單
當一個具有兩個端點的膠子分裂時
必定會出現兩個新的端點
根據QCD的數學規則
新端點必定具有相同的顏色
比如在左圖中
一個藍紅膠子可以分裂成爲藍藍和藍紅膠子
而右圖中
一個藍紅膠子可以分裂成爲藍綠和綠紅膠子
角點也可以被翻轉過來
顯示兩個膠子是如何結合成爲一個膠子的
膠子有着強烈的傾向想要聯合在一起並形成長鏈
正端點連接負端點
紅接紅
藍接藍
以及綠接綠
這些鏈就是結合夸克的力線
在量子引力的研究中
這種有彈性的力線的想法又一次出現了
不過不同的是
一切都變小了20個數量級
這些假想中的微型快速能量極高的力線
被閒理論家們稱爲閒
他們認爲強子的三種類型
盒子
介子
和膠子球
都是類閒的物體
可以用閒論的數學描述
他們把由膠子構成的
連接強子的力線稱爲QCD閒
但實際上
這是一個很容易讓人產生混淆的說法
如果僅從長度上看
閒論中的基本閒和這種QCD閒的差異
比你的耳機線和318國道的長度比還要懸殊
這就不是我們今天要討論的問題了
經過這兩期量子場論的戰備補充
下期我們就可以回到引力的問題上了
最近兩期的內容看起來和黑洞的關聯不大
但都是在爲黑洞戰爭的最終決戰做戰備工作
量子派和相對論派的軍備競賽已近乎瘋狂
大戰一觸即發
全息原理並不足以結束黑洞戰爭
它太不精確了
甚至沒有一個堅實的數學基礎
任何人都可以提出質問
你說宇宙是一幅全息圖
你猜我信不信
黑洞互補性原理面臨的問題也是如此
你說老王被老周捉到了
但老周卻說他和媳婦玩了一晚上躲貓貓
你強行要給老周頭上綠化
你猜他信不信你
爲了解釋這些問題
從這期開始
我們將進入微觀世界
看看量子力學能帶給我們什麼
首先思考一個問題
一個本來可能多年默默無聞的另類想法
突然被人所接受
並讓天平傾斜到了他那一邊
到底是什麼緣故呢
在物理學中
它常常悄悄地就發生了
毫無徵兆
一個重要的戲劇性的事件
突然抓住了許多物理學家的興趣
而且在一個短時間內
怪異荒誕難以想象的東西
變成了尋常的東西
很多時候是因爲一個實驗結果
愛因斯坦的光粒子說
起初並不被認可
大部分物理學家相信
某種新的觀點會拯救光波動說
但是在1923年
阿瑟·康普頓從碳原子
對X射線散射的角度和能量清楚地證明了
這是粒子在碰撞
從愛因斯坦第一次提出這個想法
到康普頓的實驗
花了18年時間
但是
就在這個實驗之後的幾個月時間內
物理學界對光粒子說的質疑全部消失了
這就是實證檢驗的力量
而當一個數學結果出乎意料的時候
它極有可能是一場災難
粒子物理標準模型的基礎
建立於20世紀60年代中期
但是當時人們對這一模型頗有質疑
認爲其數學基礎是不自洽的
其中有些還來自於該理論的創立者
在1971年
一個年輕的
名不見經傳的學生
完成了一個極其複雜且精妙的計算
並宣佈他的前輩們都錯了
然後在極短的時間內
標準模型正式成爲標準的模型
而這個不知名的學生
傑拉德·特·胡福特
橫空出世
成爲物理界的一顆閃亮的明星
另一個關於數學如何讓天平
像一個怪異想法傾斜的例子
就是斯蒂芬·霍金
關於黑洞溫度的計算
起初人們對貝肯斯坦
關於黑洞舊傷的觀點持懷疑態度
甚至是嘲諷
但是他的對手霍金並不如此
現在看來
貝肯斯坦的論證極具智慧
但在當時他們顯得太模糊
太粗略
很難使人信服
正是霍金那難到頭突的積分技術
才使得黑洞的範式
從絕對寒冷的死星
變成了一個帶有些許溫暖的發熱物體
所有這些關鍵性的時刻
有着一些共同的特徵
首先他們都是出乎意料的
一個完全沒有想到的結果
不論是實驗上還是數學上
都會吸引到大量的關注
第二
對於一個數學結果
如果技術性越強
精確性越高
非直覺性越強
難度越大
就越容易使人感到震驚
從而這種新的思維方式的價值
便會得到承認
部分原因在於
複雜的計算很多可能出錯
能在這種內卷環境中存活下來的理論
一般都是真金白銀
特胡福特和霍金的計算
就具備這個特質
第三
當新的想法提供了許多
更加簡單的方法去做的時候
範氏就變化了
物理學家們一直在尋找新的想法
並立刻着手
爲他們各自的領域創造機會
黑洞互補性原理和全息原理
當然是出人意料的
但是就他們本身而言
並沒有具備第二第三種特質
在1994年
任何關於全息原理的實驗驗證和數學證明
似乎都是不可能的
全息原理髮展至今
只有弦論給出了它的數學形式
弦論是基於量子力學的原理
描述了一個與我們宇宙類似的基本粒子體系
它不像量子場論
在弦論中
所有物質都有引力傳遞相互作用
我本人並不認爲弦論是正確的
爲了避免爭議
這期不討論弦論的任何內容
主要聊一聊已經被廣泛接受的基本粒子
我們通常說的基本粒子到底是指什麼
與之相對的又是什麼
最簡單的答案就是一個不能再分拆成更小部分的
極其微小和簡單的粒子
與之相對的不是高等粒子
而是複合粒子
一個由比自身更小
更簡單的部分組成的粒子
還原論是一種把事物分解成各種組分來理解的科學哲學
比如說分子是由原子組成的
原子是由電子和原子核組成的
原子核是由核子組成的
而核子是由三個夸克組成的
今天所有的物理學家都認爲分子
原子
原子核和核子都是複合粒子
那麼我們如何確定某種粒子是基本的還是複合的呢
最簡單的一種解決方案就是
將兩顆該粒子極爲猛烈的相撞
然後看是否有新東西出來
如果有新東西出現
那麼它之前必定是在原來粒子的內部
但實際情況是
如果將兩個電子以很大的能量碰撞
會有各種粒子噴湧而出
特別是光子
電子和正電子
如果碰撞能量更高的話
會出現質子和中子
以及它們的反粒子
甚至有時一整個原子也可能出現
這難道意味着電子是由原子構成的嗎
顯然不是
用大量的能量去粉碎東西
可能會對了解粒子的特性有幫助
但是所跑出來的各種粒子
並不能準確的告訴我們被粉碎的粒子是由什麼構成的
有一個更好的辦法
可以判斷某樣東西是不是由更小的東西組成的
我們把某個物體擠壓到一個更小的體積中
使其變形成爲一個新的形狀
或者讓它開始繞一個軸旋轉
擠壓
彎曲
或者旋轉一個物體都需要能量
比如說一個旋轉的彈有動能
它轉的越快
能量就越大
而且因爲能量就是質量
飛速旋轉的彈具有更大的質量
隨着彈的攪動量越來越大
它的能量也越來越大
這張圖就說明了一個轉動的彈
其能量增加的方式
但是爲什麼這條曲線突然終止了呢
這個答案很簡單
這個彈受到的離心力超過了它能承受的極限
它碎了
現在想象一個點粒子
你如何使一個數學上的點繞着一根軸旋轉
對於這樣的物質
顯然一個點是沒辦法旋轉或者行變的
那麼反過來說
如果一個物體具有旋轉的能力
或者外形有振盪的能力
這就標誌着它是由一些更小的成分組成的
而這些成分彼此可以相對移動
分子
原子
以及原子核可以繞着自己旋轉
但是對於這些微觀的球
量子力學起着關鍵的作用
與所有其他振盪系統一樣
能量和角動量只能以離散的方式增加
一個旋轉的粒子
其能量並不是逐漸增加的
而更像是像上樓梯一樣增加
在這張圖中
關於能量和角動量的圖是一系列分離的點
除了每一步都是離散的之外
它看起來和蛋的那幅圖很相似
包括最後突然的終止
就像蛋一樣
原子核只能承受住這麼多的離心力
再大它就會散架
那麼電子呢
我們能夠使它們繞着一根軸旋轉嗎
人們考慮了很多年
但是沒有人成功的給一個電子外加上角動量
注意這裏說的是外加角動量
而不是電子的自旋
這個問題我們這期先不展開來說
先說說核子
也就是質子和中子
質子和中子非常類似
它們的質量幾乎相同
而且把它們結合成原子核的力也幾乎是相同的
唯一不同的就是質子帶有少量的正電荷
而中子子如其名
是電中性的
一箇中子就好比是一個不帶電荷的質子
正是這種相似性
使得物理學家們把它們統稱爲核子
質子是帶正電的核子
而中子則是中性的核子
在覈物理研究的早期
核子被認爲是一種基本粒子
雖然它的質量約爲電子質量的1800多倍
但是人們很快發現
核子並不像電子那麼簡單
隨着核物理的發展
一個是原子的十萬分之一的物體
也不再顯得非常小了
核子內部被證實有更加複雜的結構
質子和中子是許多更小物體的聚合物
因爲我們可以使它們旋轉和振盪
也可以改變它們的形狀
和氮或者原子核一樣
我們可以畫一幅圖來表示出核子的自旋
橫軸表示角動量
縱軸表示能量
50多年前
當人們第一次畫出這幅圖時
發現其模式顯得出人意料的簡單
這一系列點幾乎成一條直線
並且它似乎沒有終點
這類關於核子內部結構的示意圖
可以給我們提供很多線索
核子可以繞着一根軸旋轉
這意味着它不是一個點粒子
它是由一些相互移動的部分組成
而且這個序列似乎將一直延續下去
而不是突然終止
這意味着核子不會在旋轉過快時飛散開去
這是由強相互作用力的特點
漸進自由決定的
許多高能物理實驗都表明
核子是由一些黏黏糊糊的
可以拉伸的東西組成
理查德·費曼用部分子來表示這種核子的成分
但是莫里·蓋爾曼起的兩個名字
化克和膠子沿用至今
並發展出了後來的量子色動力學
