读书笔记(六)基本粒子的标准模型

 

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一、再说说 Kindle 电子书

自从上次真正地尝试购买并在Kindle Paperwhite 上阅读 Kindle 电子书后,感觉阅读体验相当不错。以后要多利用这一读书的渠道。亚马逊的Kindle系统还是有不少优点的。除了有专用的阅读设备,在手机、平板、台式电脑等各种操作系统上也有Kindle阅读软件,可以多设备多平台同步电子书。

电子书最关键的就是内容,亚马逊的Kindle平台最吸引我的是有大量外文原版Kindle书,特别是科学类的,是我最近阅读的重点。购买起来也很方便,在桌面电脑网页上可以用支付宝支付,在手机上还可以用微信支付。

Kindle在2015年才最新推出的Bookerly字体在电子设备上读起来还比较顺眼,但不知为何在我的7英寸Kindle Fire HD 上尚未升级推送这一字体。Kindle Fire平板的优点是有语音朗读功能,手机Kindle APP上面无此功能。

2016年6月15日,我还在线咨询了Kindle Fire HD 有无 Bookerly 字体。大概1小时后就有亚马逊客服打电话回复。

最近继续用Kindle Fire或手机Kindle软件上看了几本书:《Not Even Wrong》、《The Theory of Almost Everything》和杨振宁的《曙光集》。Kindle在不同终端设备(Kindle Fire或手机APP等)中可以同步阅读进度,非常方便。读了这几本书,对基本粒子的标准模型在科普层面上有了更深的认识。

二、基本粒子的标准模型(Standard Model of Elementary Particles)

之前看的两本书《The fabric of reality》和《The fabric of cosmos》,除了在做了一些现代物理学科普外,还介绍了量子物理的多重宇宙(multiverse)观点,还有超弦理论中的10维或11维宇宙的观点。

这些观点有时被认为是“伪科学”,Peter Woit 专门写了一半书《Not Even Wrong》来批评理论物理的超弦理论走入歧途了。该书的前半部分回顾了基本粒子的标准模型发展历程,他认为标准模型的确是20世纪理论物理发展的伟大成功。后半部分介绍了超弦理论。作者认为超弦理论作为一种试图把标准模型(电磁作用、强相互作用、弱相互作用)和引力统一起来的尝试,经过20多年发展,基本可以认为已经失败,应该放弃了。作者对目前主流理论物理学界为何不愿意放弃超弦理论还作了分析,论述了其中几个主要原因。

Peter Woit 还有同名博客 Not Even Wrong 长期对超弦理论进行批评。

Peter Woit 的书介绍标准模型发展史时,虽然没有数学公式,但过于简略和抽象。于是我另外找了其他资料来继续了解标准模型。主要还是Kindle 上另外一本电子书《The Theory of Almost Everything》,作者是物理学家Robert Oerter。标准模型被称为 The Theory of Almost Everything 的原因是除了引力,我们所感知的世界的其他一切几乎都可以用标准模型来解释。

这本书既从观察和实验角度解释了量子物理的一些特有现象;同时也介绍了粒子物理的理论的发展。从理论的角度,经典物理中(牛顿力学、Maxwell的电动力学)世界是由物质和场构成的观点被抛弃。粒子物理的标准模型采取的是一切都是某种量子场的观点。首先是量子力学把原子中的电子运动用薛定谔方程描述,完美地刻画了不同原子的电子状态,进一步理论上一切化学反应都可以由此推导出来。推而广之,构成物质的夸克和轻子都是量子场。而三种相互作用力:电磁力、强相互作用、弱相互作用,都可以由某种量子场论(Quantum Field Theory,核心是Yang-Mills方程)来描述,是通过交换另外一类基本粒子 – 玻色子 – 来实现的。电磁相互作用和弱相互作用已经 被统一,所以主要有量子电动力学(QED)和量子色动力学(QCD)两大理论。最后,质量是由Higgs粒子带来的。我觉得从科普层面只能理解到这里了,再往下理解就是硬数学了,得花不少功夫研读才行。

除了Yang-Mills方程,Robert Oerter在书中也提到杨振宁和李政道获得诺贝尔奖的工作宇称不守恒、以及吴健雄的实验验证。丁肇中发现J介子(所谓November Revolution)的重要工作也有介绍。

读此书的同时,也参看了卢昌海的多篇相关科普短文,和他翻译的诺贝尔物理学奖获得者Steven Weinberg 的The Making of the Standard Model一文。Steven此文总结了标准模型这一粒子物理集大成之理论的三大关键的好想法:一是夸克模型的构想,因为实验中是无法观察到单独的一个夸克的,这一构想非常了不起;二是规范对称性和Yang-Mills方程;三是自发对称性破缺。又看了另一位诺贝尔物理学获得者Gerard ’t Hooft 在Nature杂志上的同名短文 The Making of the Standard Model。在他看来,Yang-Mills方程同样是标准模型的重要组成部分。Clay 数学研究所的7个悬赏100万美元的问题中,就有一个是关于Yang-Mills方程的

由此可见,粒子物理的标准模型是由一系列理论物理学家和实验物理学家的共同努力,拼接成的一套完整理论体系。这和现代物理的两块基石中的另一块“广义相对论”被认为主要由爱因斯坦一人独立完成不太相同。其中华人物理学家杨振宁为标准模型也贡献了重要的一块拼图。他的这一工作被认为可以再得一次诺贝尔奖,但是可能由于诺贝尔奖从来没有给同一个人颁发过两次的原因没有再次获奖。

于是,我又看了Kindle电子书杨振宁的2007年出版的《曙光集》。此书主要收集了杨振宁的一些短文和书信,可以了解他在理论物理所作的贡献、和其他著名物理学家的交往、以及对国家近百年来变化的感情等等。杨振宁还出版过其他一些选集,但目前亚马逊的Kindle电子书只有这一本。我隐约记得许多年前我读大一时,曾在学校大礼堂现场听过杨振宁做过一次讲座报告,通过搜索新闻基本肯定确有此事。

补充:2017年2月21日,媒体首次报道,得知杨振宁已经在2015年放弃美国国籍,成为中国公民。

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