物质的本质探究揭示,几乎所有事物都由空旷的空间构成(几乎可达其体积的百分之九十九),无论是你我,还是宇宙间的万物,皆由空空如也的空间组成,仅有微小的物质颗粒在其中漂浮,仿佛石头在广阔无垠的宇宙海洋中漂浮。
但是,那些微小的物质颗粒是如何聚集成有形态的物体的呢?必然存在某种力量促使这些颗粒聚合,而问题的关键在于,这种力量是什么?
如今,我们了解到,构成我们自身的元素与宇宙中所有物质的微观粒子是相同的,但是当我们发现了这些粒子,却带来了更多难以解答的谜题,例如,为何物体具有形状?为何它们有重量?
物质的绝大部分由空旷的空间构成,在极小概率下你会在原子间遇到空旷的空间,但原子的绝大部分也是空旷的空间,那么这些原子是如何结合的呢?我们的身体又是如何聚合的呢?当然不是通过胶水,而应该是某种基本的相互作用,粒子间肯定存在相互作用的力,虽然我们无法看见这种力,但它必定是无处不在的。
并非空间一片虚无,其中充满了力量。四大基本作用力中,人们熟知的引力,电磁力,以及鲜为人知的弱力和强力。弱力可以影响放射性物质的衰变,如铀衰变的路径和结果都由弱力所决定;而强力则可以将质子的组成部分结合起来,先把三个夸克组合在一起,进而构成质子。
我们无法目睹构成我们的成分,也看不见周围的基本力,但我们对此有所了解。弄清这些力的作用原理和来源成为现代物理学的关键研究课题。解开这个谜题可能会揭示宇宙的最高秘密,不仅发现我们的组成元素,还要理解这些元素为何会形成形状。
粒子物理学的重大突破在于发现某些粒子是力的载体,例如光子,它是光的粒子形态,同时也是电磁力的载体。所有力量都有载体,尽管我们还未完全发现所有的载体,但我们确信它们的存在,并了解它们之间的相互作用方式。在极高的温度下,如1000万亿度时,电磁力与弱力会融合在一起,这被称为电弱统一,你或许不理解这个概念,但对物理学家而言,这正是未知的关键环节。
这一环节导致了科学史上最伟大的理论之一——粒子物理的标准模型的诞生,经过40多年的反复验证,证明其准确无误。但标准模型还有一大问题,这得从粒子动物园讲起,这是为了研究质子内部而在对撞实验中观察到的多种奇特粒子。
次原子粒子的质量差异极大,例如一个夸克的质量可能是电子的200倍,而这些粒子中一些质量大出数十万倍的粒子亲属,标准模型无法解释为何粒子的质量差异如此巨大,或者说,为何粒子会有质量!
这个问题成为了现代物理学的下一个重要研究课题,而答案竟来源于一位名叫彼得-希格斯的教授。他低调谦逊,发起了科学史上最大规模且昂贵的研究之一。宇宙的标准模型存在一个大漏洞,彼得·希格斯正是填补这一漏洞的人。
希格斯提出,存在一种能穿透一切的广延力场,当某个粒子与这种力场相互作用时,这种相互作用会赋予粒子质量。如果希格斯的理论被证明是正确的,或许我们最终能够理解为何物体会具有形状。
然而,希格斯的理论最初并不被广泛接受,他的论文甚至被欧洲核子研究组织拒绝。希格斯对此非常愤怒,因为他相信自己的研究可能产生重大影响,因此重新撰写了论文,增加了一些内容,但他没有将其送回日内瓦,他猜想欧洲核子研究组织可能无法理解,于是将其寄到了大西洋彼岸的《物理评论快报》,这份美国杂志最终接受了他的论文!