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量子和粒子物理学何以解释一切_(英)蒂姆·詹姆斯(第15章 引力的麻烦) 第(1/3)页

几乎所有

我们的现实生活美丽而复杂,这几乎都要归功于量子场论的三种力:强核力、电磁力、弱核力。

没有强核力,原子中心就没有稳定存在的原子核,质子会迅速飞散,而无法形成物质。胶子和夸克把所有东西连在一起,不然宇宙中就只剩下氢原子了。你体内的碳、氮、氧、磷、硫、钠、氯、钙和铁,事实上包括整个元素周期表中的元素,它们的存在都要归功于量子色动力学。

这些元素结合在一起,就能形成复杂的化学分子,而电子通过光子传递来交换能量,使每一个化学反应得以发生。不仅如此,你所站的地方会对你产生排斥,这是因为你脚上的电子与地球的电子能够相互施加力,而根本原因是电子和光子的相互作用。

当你推拉某物,当你感受到摩擦力和拉力,当你体验到浮力或者任何牛顿力学描述的现象时,你都是在体验光子场的电斥力。由于光的存在,你可以在第一时间看到所有这些现象,这也是光子场的作用。所有的化学、所有的经典物理、所有的光学、所有这些行为都服从量子电动力学。

接下来还有宏伟的生物学。生物学是最复杂的科学,最简单的生物学结构是由数十亿个原子组成的分子链。当DNA链在细胞中复制时,基因编码中的突变会把新的特征传递下去,使物种随着时间趋异和演化。这些突变有时是由复制过程中的转录错误引起的,但这不会被遗传下去。地球上生命的真正礼物是渗透到我们大气层中的放射性粒子,它们扰乱了编码的过程:太阳风和天文现象的残余物使粒子在冰冷的太空中衰变。

如果没有W玻色子或Z玻色子,这种放射性衰变就不会发生,地球上的生命就会只局限于岩池中的几十种细菌。如果没有W玻色子或Z玻色子,太阳中心的夸克就无法把质子转变成中子,核聚变就无法发生,那么太阳也就不会发光。如果没有电弱理论,宏伟壮观的生物多样性与生命的可持续发展前景就会轰然崩塌。

夸克和轻子构成了你的身体,光子、胶子和玻色子告诉它们如何反应,希格斯玻色子赋予你质量,中微子使一切保持平衡,粒子物理的标准模型和根本的量子场论解释了所有这些问题。

我们并非全知,仍然有很多有趣的问题留待解答,但量子场论给我们指出了正确的方向。诚然,我们只是在这个领域迈出了一小步,但我们不再盲目摸索。历史上的每一个事件都是粒子与场相互作用的结果,我们现在有了一个框架来解释它们。但还有一个问题是量子场论无法解决的,那就是引力。

比弱核力还弱

苹果砸在牛顿头上的故事有几分可疑。事实上他是在林肯郡看到苹果从家附近的一棵树上落下来的,这让他感到很奇怪。[1]

下落苹果所受的力,大部分可以用简单的力学来解释。树枝的折断是茎中原子重新排列的结果。当苹果在空气中移动时,它会“撞击”空气中的粒子,使自己的加速度减慢。当苹果撞在地面时,我们可以用更简单的理论来解释为什么它以某种方式着陆、翻滚和分裂。

所有这些现象都是粒子和粒子相互作用的结果,大多数都可以用QED和电子-光子理论来解决。但最开始是什么让苹果落地的呢?这才是真正的问题。

牛顿并没有创造引力。在1687年(1)以前,(人们认为)没有什么东西能飘浮在空中。牛顿意识到引力是物质本身的一种力。苹果并不像亚里士多德认为的那样,出于偏好而落地。它在下落时速度越来越快,这意味着一定有什么东西在主动拉它。

有一个简单的方法可以证明这一点:相比于从几厘米高处落地的苹果,从树上落地的苹果的冲击力更大。很明显,物体下落时间越长,速度越快。如果有什么东西使苹果速度越来越快,那么一定有什么东西给它施加了力。

牛顿的结论是,有质量(后来爱因斯坦进行了修正,把能量加入进来)的物体通过某种无形的介质相互吸引,现在我们把这种介质称为“引力场”。与弱核力、电磁力及强核力一样,引力是自然界的一种基本力。


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