排队五年,今年的诺贝尔物理奖会是TA吗?

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  出品:科普中国

  制作:张昊(中国留日同学会)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  众所周知,诺贝尔物理学奖的规律性相较其它自然科学奖项较为明显,一言以蔽之——四大领域,宇宙天体物理学、粒子物理学、原子分子及光物理学和凝聚态物理学,轮番登台。

  2015年开始,诺贝尔物理学奖先后颁给了这些研究领域:2015是粒子物理学,2016年是凝聚态物理学,2017年是宇宙天体物理学,2018年是原子分子及光物理学范畴,2019年诺贝尔物理学奖的获奖成果是宇宙天体物理学范畴。

  根据四大学科轮流转换的经验规律,宇宙天体物理今年再次拿奖就是四年三中,可能性极小。

  从概率上来说,粒子物理和凝聚态物理学领域研究获奖的机会比较大。尤其是粒子物理,已经暌违诺奖5年,斩获桂冠的可能性更大。

  粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群众所能理解的,到目前为止,它最大的成就之一就是建立了粒子物理的标准模型。

  那么,这个标准模型到底讲了些什么?有没有可能用生活中的概念去尝试理解它?

  首先我们必须承认,标准模型是人类历史上最复杂,最难以理解的物理理论,甚至没有之一。我们也只能尽可能地以描述化、图像化的方式来跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事儿。今年粒子物理万一中了奖,当别人还在怀疑自己是不是真的能听懂中文,你已经可以自豪地宣称:“没人比我更懂粒子物理!”。

  

  来源:Freepik.com

粒子物理想要解决怎样的问题?

  粒子物理研究的是极为微小的世界,它想要回答的问题主要有两个:第一、物质由什么组成?第二、组成物质的微粒间如何相互作用

  这里的物质包括从宇宙星体到原子内部的广大物质世界,而作用形式也包括电磁力和强力、弱力乃至引力。经过物理学家100多年的努力,人类的认知水平已经深入原子内部,甚至将组成原子的质子和中子又分解为更加基本的粒子。并且,人类还发现电磁力和强力、弱力等各种力的作用形式其实还与某些传递这些作用的粒子有关,例如电磁作用就与光子关系密切。

  最终,科学家们通过将组成物质的粒子细分以及寻找作用力间负责进行力传递的各种粒子,获得了一个由基本粒子构成的庞大家族,这个家族的家谱就叫粒子物理标准模型。

  标准模型中的基本粒子分为两种基本类型,负责组成物质的夸克和轻子,以及负责传递相互作用的媒介子。这些基本粒子们还有各自的属性,比如电荷、自旋、质量等等,这又导致同一个种类的基本粒子有时候还要细分成几种。最终,目前的标准模型中包含了61种基本粒子。

  

  粒子物理标准模型 来源:维基百科“标准模型”

粒子物理的世界中为什么有这么多“登场角色”?

  可以说科学家们构建标准模型,就类似于给基本粒子们盖房子。科学家们最开始的计划其实是盖个蒙古包,由于粒子不断被预言、被发现,结果得修四合院,后来发现房间不够住又被迫修起了小公寓,到最后不知不觉就盖成了摩天大楼。

  不过最厉害的是,虽然标准模型的建立过程是摸着石头过河,但是目前为止,它极好地统一了电磁力、强力和弱力,经它预言的很多基本粒子也在之后陆续被人发现。

  这个过程我们还是用盖楼来比喻说明,最开始这楼怎么搭大家都没主意,一边盖一边想。有人说这儿得多加一层,有人说这儿得留几个屋。最后没想到,房子越盖越大,庆幸的是,房间刚刚好,客人都满意。

  希格斯粒子于2012年被发现后,粒子物理标准模型的61个房间空缺都被填满了。在这座大厦的构筑过程中,很多科学家都发挥了关键作用,直接与之相关的诺贝尔奖得主就有数十人之多。

  

  由大型强子对撞机中的紧凑μ子线圈得到的希格斯粒子产生时的景象 来源:维基百科“万有理论”

有哪些粒子物理成果可能得到诺奖垂青?

  目前与粒子物理相关的诺奖级成果,大部分属于大厦构筑过程中出了力但是没有得到奖项的肯定,极少数是对现行大厦的格局进行了修订,但是否正确还需要进行最终的检验。

  如果要说具体成果,詹姆斯·比约肯是被很多诺奖预测提到的名字。他的主要贡献是提出了比约肯标度,同时他也是量子色动力学早期的贡献者之一。

  比约肯标度可以理解为是盖标准模型大厦时的某些设计思想,而量子色动力学是大厦的重要组成部分,可以认为是其中的一个单元。比约肯的这些工作,直接和间接地促成了将近十位诺奖得主,而他自己则一直未能得到诺奖肯定。2015年他已经荣获了沃尔夫奖,希望在2020这个粒子物理的诺贝尔大年他能够有所收获。

  除了怎么盖楼,给大楼里的房间找住户也曾是粒子物理学家们的重要工作。1973年,小林诚和益川敏英预言了当时并未被发现的两种夸克,它们分别是底夸克和顶夸克,这就好比二人提出要给大厦加两个房间,同时还猜到了将要来的客人长啥样。

  1988年,随着底夸克被发现,标准模型中预言的六种夸克中,已经有五种被找到,但顶夸克还迟迟不见所踪。如果找不到顶夸克,那么整个标准模型就将遭到质疑。如果找到了它,则又将是标准模型的一个胜利。

  作为标准模型中的最后现身的夸克,顶夸克质量比别的夸克都重得多,这意味着找到它需要更大的能量。

  在自然条件下,宇宙高能射线和大气层中的空气分子相碰撞时有可能会产生顶夸克,但人类在大气层中找顶夸克则无异于是大海捞针,于是就只能借助于人造粒子加速器的力量了。底夸克发现后,科学家们满怀希望地期待着各大高能粒子加速器传出捷报。然而,这一等就又是7年,直到1995年顶夸克才被费米实验室发现。最终,顶夸克的质量比科学家们最初的估计足足重了4倍。截至2010年,也只有兆电子伏特加速器及大型强子对撞机才能产生如此高的能量。

  

  兆电子伏特加速器(左)和大型强子对撞机(右) 来源:维基百科“粒子加速器”

  2008年,小林诚和益川敏英因为理论上预言顶夸克而获得诺贝尔奖,但在加速器上完成实验验证的科学家们却没有能够一同获奖。作为对比,理论上预言了粲夸克存在的几位科学家没能获奖,但在实验中找到它们的丁肇中和里克特则在成果公布后的第三年就获得了诺贝尔奖。因此,很多人都看好粲夸克的预言和顶夸克的实验验证能够有朝一日获得诺贝尔奖。

  最后,虽然标准模型的大厦已经修建得十分富丽堂皇了,但它还称不上完美,科学家们仍然可能更改设计,或者预测潜在的新客人。此外,引力尚未被纳入标准模型的体系中,它们之间在某些情形下存在矛盾。统一引力和标准模型的所谓万有理论,可以说是所有理论物理学家的终极梦想。遗憾的是,关于万有理论,近几十年来仍然没能取得足以得到学术界公认的重量级成就。

  

  粒子物理学标准模型在物理学体系中所处的位置 来源:维基百科“万有理论”

  今年的诺贝尔物理学奖到底会花落谁家?我们拭目以待吧。

  

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