两种基本力的结合:电弱力与希格斯机制(下)
三年后,布鲁塞尔的罗伯特·布劳特、弗朗索尔·恩格勒特和爱丁堡大学的彼得·希格斯提出了一种机制,利用场的特性来打破对称性,给这些基本粒子赋予了质量。这个场后来也被称为希格斯场,它也预测了希格斯玻色子的存在。 希格斯场在两个方面很特别。一般的量子场在真空中的“期望值”为零,粒子-反粒子对会很快生成并湮灭,所以我们可以预期真空中不会出现粒子。但是,希格斯场具有很高的真空期望值,这意味着希格斯场无处不在,影响着大质量的基本粒子。其次,希格斯场是一个标量场,只有大小没有方向,因此标量玻色子也没有自旋。 为什么电弱力很重要?我们必须意识到,我们能有今天对粒子和力的理解,在很大程度上是由于寻找能解释希格斯机制的希格斯玻色子。即使电磁力和弱力看起来很不同,我们也把这两股力量结合了起来。这给了我们希望,下一步就是把强力和电弱力结合起来,成为一个更统一的理论。 当我们到达这一步的时候,对所有力的完整理解的唯一缺失部分将是对引力的量子层面的理解。当我们把大统一理论和量子引力结合起来时,我们就得到了物理学的所有理论之母——万有理论。让我们继续努力,直到取得成功。 |
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在基础层面上研究物理学的新方法:构造理论会改写物理学吗
这种描述世界的力学方法非常成功。很难想象还有其他方法来研究物理。这种力学方法可能已经达到了极限:量子力学在处理微观问题非常有效,我们是否需要重新思考如何在基础层面上研究物理学。牛津大学的两位科学家就提出了构造理论的研究方法。它也有可能让我们理解我们所不知道的动力学定律的另一些方面,例如理解量子力学和广义相对论的结合。使用构造理论来描述一个场景,以测试引力是否在本质上是量子的。
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如何用量子力学预测原子的结构
宇宙中的系统总是趋向于它们的最低能量状态。电子总是从内层轨道开始填充并向外移动。轨道是满的或者空的都会使原子的能量最小化。我们必须求解薛定谔方程。就是总能量等于动能加势能。使用氢原子最容易解出这个方程,只有一个电子绕一个质子旋转。这种球对称性可以使解足够简单,这对于精确求解薛定谔方程至关重要。但为了求得氢原子的波函数,还需要耗费大量的时间和纸张进行推导,我们要说明这三个数的取值范围。