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“一个可值得注意的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克克洛斯在一本新书中探索这个秘密

2024-07-29 15:26阅读：

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“一个可值得注意的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克克洛斯在一本新书中探索这个秘密
By Ben Turner
published 14 hours ago
Particle Physics
弗兰克·克洛斯告诉我们关于粒子物理学的历史以及它意味着在我们的宇宙的物质中的电荷被如此紧密平衡。
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“一个可值得注意的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克克洛斯在一本新书中探索这个秘密

在他的新书中，弗兰克·克洛斯探索为什么亚原子粒子平衡彼此的电荷的秘密。(Image credit: Rost-9D via Getty Images)
自从20世纪中质子和电子的发现以来，在原子的核一个秘密坚持：尽管属于彻底的不同的粒子家族并且在尺寸中是根本的不同的，但这两种粒子的电荷彻底的平衡掉彼此，使一个在那里引力统治的宇宙成为可能。但为什么呢？
为探索这些线索，生活科学杂志与牛津大学粒子物理学名誉教授、作家Frank Close坐下来来讨论他的新书《电荷（Charge）》（牛津大学出版社，2024年）。在这本书中，克洛斯通过一个粒子物理学的简明历史追踪这个难题，包括在短距离上作用的强、弱和电磁力、希格斯玻色子的发现以及一个还没有被发现的大统一理论的暗示。
本·特纳：你的书提供一个粒子物理学的现状和它之中仍然的秘密的迷人的总结，最重要的是物质的电中性。是什么动机了你来写它？为什么是现在？
弗兰克·克洛斯：这一直是一个一直与我很久时间的谜题。
为什么你每次呼吸你的头发不从根竖起来，鉴于你正在呼吸的空气中一个千亿个氧和氮原子，在它之中每个原子已经都获得了这个电？所有这些原子的电子上的负电荷是琐碎的小，但在一次呼吸中一起有如此许多的大约是15000库仑的它们——这足以点燃1000个闪电。
答案是原子是电中性的。在电子外面的负电荷被在中间中的原子核的正电荷精确的平衡。
这是科学界没有回答的问题之一，也许就像最立即的一个一样它击中我。你不必有宏大的理论背景来注意它。

“一个可值得注意的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克克洛斯在一本新书中探索这个秘密
弗兰克·克洛斯的新书《电荷》钻研粒子物理学。 (Image credit: Frank Close, Oxford University Press)
本·特纳：“为什么”总是一个物理学中最令人担忧来问的问题之一，但我将要问为什么。为什么电荷可能被完美平衡呢？
弗兰克·克洛斯：这是一个你可能会问一个真的聪明的做他们的考试的博士生的实在问题。你知道你不知道答案，他们也不知道，但这可能恐吓他们一会儿。
这是本书的核心谜题。如果我们在一个世纪前有过这样的讨论，已知的仅有粒子是带负电荷的电子和带正电荷的质子。我可能会已经告诉你，我相当不太知道电荷是什么，但它是某些你能拿走或添加的东西，在电子的案例中它已经被移除了而质子已经添加了它。
问题是我们现在知道远更多。在20世纪60年代，我们发现了质子有一个结构，它由叫夸克的东西组成。上夸克带三分之二的正电荷，下夸克带三份之一的负电荷。来制造一个质子最简单的方法是出自三个夸克——两个上夸克和一个下夸克。如果你要制造一个[带中性电荷]中子，你用两个下夸克和一个上夸克。
因此，质子的正电荷和电子的负电荷之间的相等性是一个值得注意的阴谋。这是一个巧合吗？我不相信巧合。但它表明这个难题不是简单的将电荷涂到质子上并将电荷从电子移除。

“一个可值得注意的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克克洛斯在一本新书中探索这个秘密
弗兰克·克洛斯的画像。(Image credit: Alex Christofi)
本·特纳：我再次问为什么，但为什么夸克以三个成块？原因是什么？它与电荷的关系是什么？
弗兰克·克洛斯：夸克携带另一种的荷，这我们叫色。这种色荷以三种不同的品种出现：红色、蓝色和绿色。它们不是真的颜色，但有三个的它们，它们遵循与静电荷相同的规则——一样的色荷排斥和不一样的色荷吸引。因此，正是这种色荷的“三性”帮助它们强大的聚块来形成质子。它们每个平均携带三分之一的电荷的事实是使阴谋起作用的。
有某些令人着迷的正在发生。色荷遵循与电荷做的一样的一样的吸引和不一样的排斥的规则。你感觉在某种水平上这些东西被深厚相关，即便你不相当知道怎样的。你感觉就像你正处在某件事的边缘上。如果我们刚好能看得更清楚一点，一切都会落进地方。
本·特纳：这可能的是它们都被联系，或者同一东西在不同能量下分支，一个所谓的一切的大统一理论？
弗兰克·克洛斯：它们一定是某种远更重要、更强大、更统一的东西的化石遗迹，从中一个统一的理论的想法开始来浮现。在这里我们已经清楚的绊倒在某些东西上：我们在今天冷的宇宙中所知道它们的这些（短程）力的“三性”。
我们从在过去30年或40年上非常精确的实验知道随你在大型强子对撞机上走到更高的能量，这些[基本]力的相对强度确实稍微的变化。如果你推断出这一点，这意味着在一些难以想象的高能量下这三种力（经由色荷的强力、经由静电荷的电磁力和经由W和Z玻色子的弱力）有大致相同的强度。

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欧洲核子研究中心的大型强子对撞机。 (Image credit: Pascal Boegli via Getty Images)
本·特纳：你用了“诱人”这个词来描述这些暗示。如果是这种情况，我们可能离发现一个宏大的统一理论有多近？物理学家什么时候开始来追逐这个想法的？
弗兰克·克洛斯：数学上在创建宏大统一理论中没有困难。作为一名理论物理学家令人沮丧的是实验保持着显示你是错的。
2000年来，我们一直在寻找物质是由什么组成的，通过走向越来越高的能量我们已经发现了更深层次的结构。大约在1970年，在极端高的能量东西可能是简单的早期的宇宙也是很热的想法浮现了。
在欧洲核子研究中心，我们开始做最初湮灭电子和它们的反物质对应物正电子的实验，以便它们的光速动能被瞬间转化为一个纯粹能量的闪光。在一个非常小的区域内对一个短暂的瞬间，你已经获得了种宇宙大爆炸后约十亿分之一秒会在宇宙中一直存在的能量密度。
从那个 “微型爆炸” 观测浮现的东西，我们开始来了解不是如此多今天物质是由什么组成的而是第一位物质如何来成的。这开始了一个从粒子物理学到实验宇宙学的心理转变——它不再只是集邮，我们正在复制创造的后果。
本·特纳：在现在时间，粒子物理学正在慢慢向更高的能量移动，宇宙学在回顾宇宙的更早更热的年代上做得越来越好——窥视进原始粒子对撞机。剩下的大悬而未决的问题是什么？
弗兰克·克洛斯：我认为第一个可能的要走回10年到希格斯玻色子的发现。它的发现实际上意味的和我们应该从这里走向什么地方？
关于希格斯玻色子有一些非常深刻的东西。它证实如果你拿走所有东西——所有的粒子、所有的电荷源、引力源以及宇宙中的其他一切——仍然有某些东西留下。一些我们叫希格斯场的诡异本质。它是什么，我们没有线索，但它就在那里。
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我们和一切都被沉浸在希格斯场中，我们需要它就像一条鱼需要水一样。我们知道它在那里因为（就像一个电磁场用光子做的一样），如果你向希格斯场添加一点能量，它就像希格斯玻色子一样将膨胀起来。这意味着在大爆炸的热中希格斯玻色子无处不在。
就宛如一条非常聪明的金鱼已经发现了一个H2O分子一样。它现在知道它被浸在水中，但它真的要知道的是水是像什么一样：“什么是水？什么是冰？什么是蒸汽？”
以一种类似的方式，我们要知道是否希格斯场有不同的相以及它如何运作。此刻，我们能周期性的产生一个希格斯玻色子，但我们能否在一次单一碰撞中同时产生两个并看它们如何相互作用？这是欧洲核子研究中心的立即目标，在未来十年左右的时间里，我确信答案将开始来浮现。
编者按：为了清晰起见本次采访经过了精简和编辑。
https://www.livescience.com/physics-mathematics/particle-physics/a-remarkable-conspiracy-why-is-matter-neutral-physicist-frank-close-explores-the-mystery-in-a-new-book

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