单位文秘网 2021-08-21 08:53:34 点击: 次
信息。
在超导体中
寻找“希格斯粒子”
按 20世纪60年代提出的一个想法,真空中实际上弥漫着一种看不见的场,即所谓的希格斯场。当质量为零的基本粒子在这种场中运动时,会赋予它们不同的质量。这种获得质量的机制,被称为“希格斯机制”。传播希格斯场的粒子就是希格斯玻色子。2012年物理学家终于在迄今地球上最复杂的机器——大型强子对撞机上找到了这种至关重要的粒子。
但事实上,早在强子对撞机建成之前,人们已经在另一个截然不同的领域开始了有关希格斯机制的研究。在低温超导体中,两个电子之间,以及它们和周围的原子核之间的相互作用,会产生一种奇妙的“默契”,可以让这些电子“结成伴”,形成电子对,毫无阻碍地穿行——这就是超导体电阻为零的“秘诀”。
这个奇迹只有当接近绝对零度时才会显现。但让人意想不到的是,用于描述这些电子对运动的数学方程,跟描述希格斯粒子的方程几乎别无二致。所以,很早就有人希望通过对低温超导现象的研究,来帮助解决粒子物理学上的问题。尽管接近绝对零度也并非易事,但与建造庞大、烧钱的粒子加速器比起来,还是简单多了。
到了1981年,人们在超导体中确实观察到了类似希格斯粒子的身影。这一发现被当作是证实希格斯机制存在的间接证据。正是有了这些证据,才促使科学家去建造大型强子对撞机,并最终找到真正的希格斯粒子。
如今,除了超导体,在超冷的碱金属气体中,以及在某些类型的磁铁中,都观察到了与希格斯粒子类似的某些东西。通过研究这些“替代物”,或许未来还可以继续为我们提供关于希格斯粒子性质的某些信息。
用类比研究超对称
类比或许还有助于发现新物理。我们知道,粒子物理学的标准模型是迄今最完美的理论之一。但还有很多东西是标准模型无法解释的,比如:暗物质究竟是什么,暗能量又来自何方,等等。
为解决这些问题,有人提出“超对称”的猜想。标准模型中将粒子分为构成物质的费米子和传递相互作用的玻色子,超对称理论则认为,每个费米子应该都有一个玻色子伴随,反之亦然。比如说,电子是个费米子,那么还应该存在一个它的超对称伙伴,该粒子是个玻色子。
超对称理论的核心预言之一是,自然界存在不止一种希格斯粒子。2013年,研究低温超流的科学家认为,他们也许发现了这些额外粒子存在的线索。刚发现的希格斯粒子质量大约在125 GeV(1 GeV大致等于一个质子的静止质量),而对超流的研究指出,在210 Gev和325 GeV也应该存在另两种希格斯粒子。
有人则走得更远。既然迄今人们未能如愿地在强子对撞机上观察到超对称,他们就希望通过“其他方法”来检验超对称。
所谓“其他方法”,就是类比。物质在发生相变时,内部原子会重新排列,从而改变物质的状态。在接近绝对零度时,相变还会产生另一些奇异的现象:例如电子和一种被称为“声子”的东西在材料中的运动速度会趋于一致,最终变得完全不分彼此。
由于电子是费米子,而声子是玻色子,所以在这种情况下,声子就是电子的“超对称伙伴”。这种涌现出来的新的对称性,可用来研究超对称产生的机制。
在实验室模拟黑洞
类比真正能够独当一面,是遇到那些已知在宇宙中存在,但又无法直接研究的物体。黑洞就是个很好的例子。这些宇宙怪兽来自广义相对论的预言,它们由大质量恒星塌缩而成,大多数星系的中心都盘踞着一个超大质量黑洞。
但黑洞不发光,要弄清它的行为绝非易事。英国物理学家西尔克·魏因富特纳希望在实验室中掀起黑洞的面纱,只凭水和激光来模拟黑洞,看看它会不会向外发出霍金辐射。这种辐射是英国物理学家霍金在1970年代提出的:真空中有许多正反粒子对在此起彼伏地产生又湮灭;设想一对粒子产生于黑洞视界附近,如果一个落入黑洞,根据守恒定律,另一个就要逃离视界;于是黑洞看起来好像在向外辐射粒子。
实际上,魏因富特纳用类比模拟的是一个“白洞”,它不会吞噬万物,只会将万物弹开。但是只要让方程中的时空坐标反向,所有对白洞成立的结论都可适用于黑洞。
只需要在水槽中放置一个光滑的障碍物,并让水在其中流动,就能够模拟出这样一个白洞。魏因富特纳先在水面上制造出两个传播方向相反的波,然后用激光来分析这些水波撞击到障碍物和弹开时的情况。他发现,在此过程中水波振幅和频率所发生的变化,完全符合关于黑洞视界周围霍金辐射的理论预期。这可以说是支持霍金辐射存在的第一个间接证据。
人造“磁单极子”
用类比的研究方法,迄今取得的最大成果是制造出“磁单极子”。磁单极子是20世纪30年代由英国物理学狄拉克提出的一种粒子。我们通常见到的磁性物质,都有N和S极,两磁极是不可分的。但狄拉克提出,或许存在一种只有一个磁极的粒子。这就是磁单极子。如果磁单极子存在,理论上就可以解释电荷为何分立的问题。所谓电荷分立,就是说,电荷只会以某个最小单位的整数倍出现。譬如说,在夸克提出之前,人们认为电子所带的电荷是最少的,以此为单位,所有带电粒子的电荷都是电子电荷的整数倍,从来没有分数电荷。在具有1/3电荷的夸克提出来后,如果把一个夸克所携带的电荷看作电荷的基本单位,那么结论也一样成立。
但在自然界中寻找磁单极子的努力至今劳而无获。由于磁单极子是如此吊诡,只要存在,哪怕整个宇宙仅有一个,就足可解释理论问题。但如果整个宇宙真只有一个磁单极子,那我们要找到它的希望当然就太渺茫了。
所以科学家就自己动起手来。2014年,他们用一些超冷的铷原子,通过巧妙地排列,使它们一头的磁性完全相互抵消,终于成功制造出一个“磁单极子”。这个人造“磁单极子”尽管并非狄拉克所预言的磁单极子,而仅仅是一个原子团,但它却表明,磁单极结构是能够在自然界中存在的。这给那些孜孜矻矻寻找磁单极子的物理学家吃了一颗定心丸。
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