微子基金(中微子和引力子谁更小)
专栏
2023-12-22 20:57
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目录- 微子基金,中微子和引力子谁更小?
- 为什么日本近20年拿了那么多诺贝尔奖?
- 若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
- 为什么说标准模型不是宇宙的全部?
- 近二十年中国的物理学发展怎么样?
- 探测中微子的意义?
- 中微子的寿命?
微子基金,中微子和引力子谁更小?
中微子(neutrino)和引力子(graviton)分别是两种不同的基本粒子。中微子是弱相互作用的一种介子,而引力子是一种假设的粒子,它传递引力相互作用。
在尺寸方面,中微子比引力子更小。中微子是一种非常轻的基本粒子,其质量非常接近于零。根据目前的理论,中微子的质量可能只有电子质量的几百万分之一,甚至比一些中微子的理论质量上限还要小。因此,中微子在尺寸上可以说是非常小的。
然而,关于引力子的大小,我们目前还缺乏足够的实验证据。引力子是理论物理学家为了解释引力相互作用而提出的一种假设粒子。尽管理论物理学家已经对引力子的性质进行了大量的研究,但目前还没有实验直接观测到引力子的存在。因此,关于引力子大小的问题,我们仍然无法给出确切的答案。
总之,根据现有的理论,中微子在尺寸上比引力子更小。然而,关于引力子的确切性质和大小,我们仍然需要进一步的研究和实验证据。
为什么日本近20年拿了那么多诺贝尔奖?
诺贝尔奖代表科技前沿的发展水平,并不能代表产业的发展水平。诚然日本是世界上科技非常发达的国家,其在各行各业的影响力都非常巨大,工业设计生产更是世界领先,举个简单的例子你觉得手机行业不是苹果就是三星或者是华为小米之流,但是他们的产品里全部都是使用了日本的电子原件,日本电子的质量是其他国家不可比拟的,在尖端领域也是独领风骚比如日本的光刻胶,离开它cpu的精度大打折扣。至于产业的发展规模,从二十世纪以来日本受地域、资源、环境和人力的影响,把低端密集污染型产业转往其他国家,比如中国,这导致了以此为契机的行业大发展,很多都是先跟着日企做订单后来逐渐独立发展起来的。而日本则保留了高技术产业。最后说,中国缺乏诺贝尔奖其实是缺乏基础科学的前沿领袖,这不是一朝一夕可以做到的,因此我们无法引领市场,引领行业的发展方向,但是我们的copy能力非凡,还可以举一反三反四。所以我们可以逐渐发展壮大,并发展自己。未来发展的路还很长,不要盲目自大。
若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
中微子极强穿透力,需要五光年铅板才能挡住,若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
中微子穿透力很强这都是烂大街的事了,但如果有人问中微子穿透力为什么那么强,它能穿过中子星和黑洞吗?估计大部分人都要卡壳,我们今天就来讨论下这个有点看起来很“简单”的穿越问题。
一、中微子是一种什么粒子?
中微子:Neutrino,从字面上理解是“微小的电中性粒子”,上世纪30年代时泡利为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出了中微子假说,不过当时泡利称其为中子,但1932年时发现了中子,费米和泡利在1933年的索尔维会议上将其改名为中微子。
在标准粒子模型里中微子属于费米子。构成物质大厦的“砖块”比如电子、夸克与中微子等都属于费米子,而在将砖块粘合起来的“水泥砂浆”比如光子、胶子与介子W和Z玻色子则是玻色子!
早先以为中微子没有静止质量,但现在我们知道中微子是有质量的,只是质量极轻,原子中经常被忽略质量的电子是它的千万倍。中微子是不带电荷的中性基本粒子,同时也是一种轻子,因此它不参与电磁作用,也和强相互作用无缘,但参与引力作用和弱相互作用。
但在亚原子粒的尺度下,引力的作用几乎可以忽略不计(只有强作用力的1/10^-39),因此它在穿越物质时几乎不会有障碍,这也是它难以检测的原因。中微子的速度只比光速低约0.0006%,这还是2012年MINOS实验组在升级了设备之后测得的数据,原先认为中微子等于光速,甚至还闹出过一起中微子超光速的事故,当然后来确认是传输线路的问题。
二、中微子从哪里来?
放射性物质衰变以及核裂变堆与未来的聚变堆和超新星爆发等都能产生中微子,当然我们天天见的太阳也是中微子产生大户。当太阳到达头顶时,你脚下的地球在每平方厘米的土地上,每秒都会有超过650亿颗来自太阳的中微子穿透。
1H + 1H → 2H + e+ + νe
正在太阳核心发生的质子链反应第一部,两个质子聚变成氘的过程中,一个质子会释放出一个e+(正电子)和一个中微子后转变成中子!这是太阳上中微子的第一个来源。
有一个非常有趣的事实,正在太阳核心发生的故事,在质子链的第一步,聚变产生的中微子经过数秒钟就到达了太阳表面,8分多钟就能到达地球!而光子的话,需要在辐射层里爬上十几万年才能到达对流层,然后再花28个小时爬出对流层,然后再8分多钟就到达地球,你要想想这光子跨越千山万水来见你一趟还真不容易。
光子在太阳内部的路径,中微子可是很直接的,直接就穿越了!
三、中子星和黑洞是啥玩意儿?中微子能穿透?
中子星是恒星末期内核质量超过钱德拉塞卡极限坍缩而成的,其特点是电子已经被强大的压力突入进了原子核,与质子中和成了中子,也就是强作用力作用下的物质,《三体》中制造水滴的材料!铅板在这里是无需考虑的,空荡荡犹如探测器穿过小行星带,相撞上都很难啊,当然概率还是存在的,我们只考虑大概率事件。
黑洞的来源有两种,大爆炸时代的原初黑洞以及恒星时代形成黑洞,前者是大爆炸时代的高密物质坍缩形成的,恒星时代的则是内核超过奥本海默极限,强大的压力将夸克压碎坍缩成一个奇点。
两者都是极端致密天体,所不同的是中子星表面仍然有一个逃逸速度,而黑洞视界内连光速都无法脱离了,所以中微子碰到这两种物质是命运是迥异的。
强作用力聚合在一起中子星物质,对于人类来说只一个无法逾越的屏障,但对于中微子似乎并不那么有效,因为中微子不参与强作用力,因此它穿越中子星时强作用力对它无效,这表示中微子有可能可以直接穿越夸克之间的空隙(也不会受到夸克间的强作用力限制),从这一点来看,中微子穿越中子星的概率还是很高的,
从黑洞的德行来看,中微子是不可能穿透的,上文说明了中微子的速度仅比光速低0.0006%,因此在视界附近就被黑洞捕获了,而且当光子还在视界上绕圈圈的时候中微子已经和宇宙拜拜了,因为它会比同时到达的光子先坠入黑洞!
在这个被黑洞极度扭曲的时空里,中微子和光子一样,都会迷失方向,唯一不同的是中微子更抵不住“黑洞姑娘”的诱惑,而早早的坠入了她那冷酷无情的陷阱里。
为什么说标准模型不是宇宙的全部?
标准模型是描述三大自然力和基本粒子的物理理论。
2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:新发现的126 GeV基本粒子就是长久以来我们寻找的希格斯玻色子,至此我们已经探测到了有史以来粒子物理理论所预测的每一个粒子。
换句话说,除非我们现在发现标准模型中的“粒子”根本不是基本粒子,或者更严重一点,有证据表明我们对质量的起源和物质本质的理解存在还不知道的错误!否则我们目前建立的标准模型就是正确的,我们可以继续沿着这条路往下走!
但这绝不等同于说“标准模型就是一切”。恰恰相反,大量的观测结果清楚地表明,宇宙中存在比标准模型中的夸克、轻子和玻色子更多的粒子还没有被发现。我们的标准模型并不完善,下面让我们来看看超越标准模型的五大物理线索吧!这五个问题也是目前没有解决的物理学前沿问题。
暗物质问题从结构形成到相互碰撞的星系团,从引力透镜到大爆炸核合成,从重子声波振荡到宇宙微波背景下的各向异性,很明显,正常物质(由标准模型粒子构成的物质)只占宇宙总质量的15%左右。缺失的物质根本就没有那些强或电磁相互作用,而且发现的中微子,它的质量还不足以解释大约1%的缺失物质。
然而,当我们观测引力对宇宙的影响时,这些暗物质不像标准模型中所有带电和中性粒子那样会与光子发生相互作用。
暗物质聚集的方式强烈地表明了它是一种超出标准模型的有质量粒子。它的性质究竟是什么,目前在物理学中是一个悬而未决的问题,虽然现在是出现了很多候选者,但是没有一种粒子能凭借一己之力承担暗物质这个重任。
至少有一点我们相当确定,那就是在标准模型中所有的粒子都不是暗物质粒子!
巨大的中微子(跷跷板粒子)根据标准模型,粒子既可以是无质量,比如光子和胶子;也可以与希格斯场发生耦合来获得质量。耦合是有一定范围,所以我们得到了像电子一样轻的粒子,只有1GeV/c ²的0.05%(其中质子的质量是0.938GeV/c ²)和顶夸克一样重,然后是中微子。
在过去的十年中,人们发现中微子的质量受到了限制(通过中微子振荡),中微子的质量非常低,但肯定不是零,这是为什么呢?目前一般的解释方法为“翘翘板机制”,这个机制通过引入额外的,非常重的粒子:惰性中微子(可能是标准模型粒子质量的十亿或一万亿倍),惰性中微子是标准模型的延伸;如果没有惰性中微子,中微子的微小质量(只有电子质量的十亿分之一)是完全无法解释的。无论跷跷板型粒子是否存在,或者是否有其他的解释,这种引入的巨大中微子在某种程度上是超越标准模型的新物理学的象征。
缺乏强CP对称破缺的问题C-对称破缺、P对称破缺和CP-对称破缺,C代表电荷共轭(意思是用反粒子替换所有的粒子,所有的反粒子用粒子替换),P代表奇偶性( 意思是取镜像,也就是左右彼此互换)。从理论上讲,如果对粒子施加对称和物理定律,并且所有物理现象保持不变,那么C和P是守恒的,或对称。如果你同时施加两种对称,并且所有物理现象还是保持不变,那么CP是守恒的,或对称。在自然界中,有这样一个对称性破缺的例子,在弱相互作用(由w和z玻色子介导的相互作用)中,存在违反CP对称的问题。
事实上,违反CP对称确实发生在弱相互作用中(并且已经在多个实验中得到了测量),同样地,标准模型中也没有禁止在强相互作用中发生违反CP对称现象。但是这个现象在强相互作用中观测到的和预期值相差甚远。
那么为什么宇宙早期的正物质会多于反物质呢?这个问题为什么现在还解决不了?原因就在于标准模型中缺乏违反强CP对称的粒子!现有的违反对称的粒子不足以解释正反物质的比例。
这说明标准模型中还缺乏像这样的粒子,这个粒子也有可能解决暗物质的问题!无论如何分析,标准模型都不能解释所观察到的强CP违反的缺乏,我们需要新的粒子,或者需要新的物理理论来解释它。
标准模型没有容纳广义相对论(引力没有被量化)标准模型没有将引力相互作用纳入其中。我们目前最好的引力理论——广义相对论,在极大的引力场或极小的距离下表现的毫无意义;广义相对论创造的奇点表明物理学在那里将会崩溃。为了解释奇点里面发生了什么,我们就需要一个更完整的引力理论,或者说是量子引力理论。
目前,我们还不知道如何建立量子引力的理论。弦理论是所有理论中最有可能的(也是目前唯一可行的对策),但所有的可能性的理论都有一个共同点,那就是我们必须找到一种新粒子:一种无质量、自旋为2的引力子。
这可能是标准模型之外最难以捉摸的粒子,但有如果想量化引力,这种粒子一天不找到都不可能。
正反物质不对称在宇宙中,为什么物质比反物质多,这可能也涉及到标准模型之外的新粒子,就像上文说的,缺乏违反强CP对称的粒子,或者存在破坏重子数守恒的相互作用。
总结现在,以上的问题很有可能是相互关联的,甚至可能只需要一两个新粒子或一些新的物理知识就可以解决所有的问题。但是这些新粒子和新物理知识将产生更多的理论来超越标准模型。
标准模型之外可能存在一个(或多个)与暗能量有关的粒子,可能存在磁单极子、前子(组成夸克和轻子的较小粒子)。这一切的一切说明标准模型并不是宇宙的全部。
近二十年中国的物理学发展怎么样?
我也算是一个物理专业内的人,虽然不是很专业,但对国内物理学的发展还是时常关注的,对发展历史也有一个大概的了解。
先说一句我个人觉得比较中肯的评价:进入新世纪之后,国内物理学在各个方面均有长足的发展,在某些方面处于世界前列甚至是领先地位,成就也是硕果累累;国内出现了一批优秀的科研人员,为基础科学的发展做出了重要贡献。
就物理学而言,分为基础物理学和应用物理学,另一个角度来看,物理学又可以分为实验物理学和理论物理学。所以题中所说的应用物理进展很大,理论方面进展很慢是从两个分类角度来说的,有点不合适。应用物理和基础物理其实进展都很大,但主要集中于实验方面。理论的进展也有,但都是小打小闹,集中在对实验数据的解释和预言一些新的物理现象等等。与上个世纪那样理论物理发展迅速的状况不同,现在的理论物理处于一个发展比较缓慢的瓶颈阶段。但这种情况不仅仅在国内,在全世界范围内都是如此。如果做横向比较,国内的理论物理发展也还是可以的。
我们可以看一看新世纪国内物理取得了哪些重大成就,在国际上处于一个什么地位。
1. 2013年清华大学薛其坤老师研究组在磁性拓扑绝缘体中首次观测到量子反常霍尔效应;
2. 2015年,由中国科学院物理研究所方忠老师等率领的科研团队,首次在拓扑半金属TaAs晶体里发现了具有“手性”的电子态——Weyl费米子;
3. 2017年潘建伟院士带领的团队首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。
这样的例子还有很多。我的一个建议就是大家在评论国内科研发展的时候,不要一味抱着批判或者恶意贬低的态度去评价,而应该首先去看看实际的科研成果。现在的网络媒体这么发达,大家随便一搜就可以找到很多,一些微信公众号也有一些很专业很客观的评价,大家可以参考一下。
探测中微子的意义?
意义在于:
理解宇宙的基本性质:中微子被认为是理解宇宙基本性质的重要工具之一,由于中微子与其他粒子的相互作用很少,因此中微子能够携带关于宇宙早期时期的重要信息,对研究宇宙的起源、演化和结构等问题有重要意义。
研究核物理和粒子物理:由于中微子的特殊性质,它们在核物理和粒子物理的研究中也扮演着重要角色。通过探测中微子,在实验室内研究中微子的性质,可以帮助我们更好地理解元素的形成、贡献和分布,也可以探索新的物理学现象。
应用在卫生和安全方面:中微子探测技术还可以应用在卫生和安全方面,例如:用中微子探测器检测核反应堆内产生的中子流,以评估核反应堆的安全性;应用中微子探测技术开发出新型的医学成像技术以检测肿瘤等疾病。
中微子的寿命?
中微子寿命几乎是无穷长,当遥远高能天体(比如超新星)所产生的中微子从宇宙一段抵达地球的漫长岁月中,其路径并不会因为遍布宇宙的磁场而发生变化。
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- 微子基金,中微子和引力子谁更小?
- 为什么日本近20年拿了那么多诺贝尔奖?
- 若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
- 为什么说标准模型不是宇宙的全部?
- 近二十年中国的物理学发展怎么样?
- 探测中微子的意义?
- 中微子的寿命?
微子基金,中微子和引力子谁更小?
中微子(neutrino)和引力子(graviton)分别是两种不同的基本粒子。中微子是弱相互作用的一种介子,而引力子是一种假设的粒子,它传递引力相互作用。
在尺寸方面,中微子比引力子更小。中微子是一种非常轻的基本粒子,其质量非常接近于零。根据目前的理论,中微子的质量可能只有电子质量的几百万分之一,甚至比一些中微子的理论质量上限还要小。因此,中微子在尺寸上可以说是非常小的。
然而,关于引力子的大小,我们目前还缺乏足够的实验证据。引力子是理论物理学家为了解释引力相互作用而提出的一种假设粒子。尽管理论物理学家已经对引力子的性质进行了大量的研究,但目前还没有实验直接观测到引力子的存在。因此,关于引力子大小的问题,我们仍然无法给出确切的答案。
总之,根据现有的理论,中微子在尺寸上比引力子更小。然而,关于引力子的确切性质和大小,我们仍然需要进一步的研究和实验证据。
为什么日本近20年拿了那么多诺贝尔奖?
诺贝尔奖代表科技前沿的发展水平,并不能代表产业的发展水平。诚然日本是世界上科技非常发达的国家,其在各行各业的影响力都非常巨大,工业设计生产更是世界领先,举个简单的例子你觉得手机行业不是苹果就是三星或者是华为小米之流,但是他们的产品里全部都是使用了日本的电子原件,日本电子的质量是其他国家不可比拟的,在尖端领域也是独领风骚比如日本的光刻胶,离开它cpu的精度大打折扣。至于产业的发展规模,从二十世纪以来日本受地域、资源、环境和人力的影响,把低端密集污染型产业转往其他国家,比如中国,这导致了以此为契机的行业大发展,很多都是先跟着日企做订单后来逐渐独立发展起来的。而日本则保留了高技术产业。最后说,中国缺乏诺贝尔奖其实是缺乏基础科学的前沿领袖,这不是一朝一夕可以做到的,因此我们无法引领市场,引领行业的发展方向,但是我们的copy能力非凡,还可以举一反三反四。所以我们可以逐渐发展壮大,并发展自己。未来发展的路还很长,不要盲目自大。
若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
中微子极强穿透力,需要五光年铅板才能挡住,若是用一公里的中子态物质是否能够挡住?
中微子穿透力很强这都是烂大街的事了,但如果有人问中微子穿透力为什么那么强,它能穿过中子星和黑洞吗?估计大部分人都要卡壳,我们今天就来讨论下这个有点看起来很“简单”的穿越问题。
一、中微子是一种什么粒子?
中微子:Neutrino,从字面上理解是“微小的电中性粒子”,上世纪30年代时泡利为了解释β衰变中能量、动量以及自旋角动量守恒而提出了中微子假说,不过当时泡利称其为中子,但1932年时发现了中子,费米和泡利在1933年的索尔维会议上将其改名为中微子。
在标准粒子模型里中微子属于费米子。构成物质大厦的“砖块”比如电子、夸克与中微子等都属于费米子,而在将砖块粘合起来的“水泥砂浆”比如光子、胶子与介子W和Z玻色子则是玻色子!
早先以为中微子没有静止质量,但现在我们知道中微子是有质量的,只是质量极轻,原子中经常被忽略质量的电子是它的千万倍。中微子是不带电荷的中性基本粒子,同时也是一种轻子,因此它不参与电磁作用,也和强相互作用无缘,但参与引力作用和弱相互作用。
但在亚原子粒的尺度下,引力的作用几乎可以忽略不计(只有强作用力的1/10^-39),因此它在穿越物质时几乎不会有障碍,这也是它难以检测的原因。中微子的速度只比光速低约0.0006%,这还是2012年MINOS实验组在升级了设备之后测得的数据,原先认为中微子等于光速,甚至还闹出过一起中微子超光速的事故,当然后来确认是传输线路的问题。
二、中微子从哪里来?
放射性物质衰变以及核裂变堆与未来的聚变堆和超新星爆发等都能产生中微子,当然我们天天见的太阳也是中微子产生大户。当太阳到达头顶时,你脚下的地球在每平方厘米的土地上,每秒都会有超过650亿颗来自太阳的中微子穿透。
1H + 1H → 2H + e+ + νe
正在太阳核心发生的质子链反应第一部,两个质子聚变成氘的过程中,一个质子会释放出一个e+(正电子)和一个中微子后转变成中子!这是太阳上中微子的第一个来源。
有一个非常有趣的事实,正在太阳核心发生的故事,在质子链的第一步,聚变产生的中微子经过数秒钟就到达了太阳表面,8分多钟就能到达地球!而光子的话,需要在辐射层里爬上十几万年才能到达对流层,然后再花28个小时爬出对流层,然后再8分多钟就到达地球,你要想想这光子跨越千山万水来见你一趟还真不容易。
光子在太阳内部的路径,中微子可是很直接的,直接就穿越了!
三、中子星和黑洞是啥玩意儿?中微子能穿透?
中子星是恒星末期内核质量超过钱德拉塞卡极限坍缩而成的,其特点是电子已经被强大的压力突入进了原子核,与质子中和成了中子,也就是强作用力作用下的物质,《三体》中制造水滴的材料!铅板在这里是无需考虑的,空荡荡犹如探测器穿过小行星带,相撞上都很难啊,当然概率还是存在的,我们只考虑大概率事件。
黑洞的来源有两种,大爆炸时代的原初黑洞以及恒星时代形成黑洞,前者是大爆炸时代的高密物质坍缩形成的,恒星时代的则是内核超过奥本海默极限,强大的压力将夸克压碎坍缩成一个奇点。
两者都是极端致密天体,所不同的是中子星表面仍然有一个逃逸速度,而黑洞视界内连光速都无法脱离了,所以中微子碰到这两种物质是命运是迥异的。
强作用力聚合在一起中子星物质,对于人类来说只一个无法逾越的屏障,但对于中微子似乎并不那么有效,因为中微子不参与强作用力,因此它穿越中子星时强作用力对它无效,这表示中微子有可能可以直接穿越夸克之间的空隙(也不会受到夸克间的强作用力限制),从这一点来看,中微子穿越中子星的概率还是很高的,
从黑洞的德行来看,中微子是不可能穿透的,上文说明了中微子的速度仅比光速低0.0006%,因此在视界附近就被黑洞捕获了,而且当光子还在视界上绕圈圈的时候中微子已经和宇宙拜拜了,因为它会比同时到达的光子先坠入黑洞!
在这个被黑洞极度扭曲的时空里,中微子和光子一样,都会迷失方向,唯一不同的是中微子更抵不住“黑洞姑娘”的诱惑,而早早的坠入了她那冷酷无情的陷阱里。
为什么说标准模型不是宇宙的全部?
标准模型是描述三大自然力和基本粒子的物理理论。
2013年3月14日,欧洲核子研究组织公开确认:新发现的126 GeV基本粒子就是长久以来我们寻找的希格斯玻色子,至此我们已经探测到了有史以来粒子物理理论所预测的每一个粒子。
换句话说,除非我们现在发现标准模型中的“粒子”根本不是基本粒子,或者更严重一点,有证据表明我们对质量的起源和物质本质的理解存在还不知道的错误!否则我们目前建立的标准模型就是正确的,我们可以继续沿着这条路往下走!
但这绝不等同于说“标准模型就是一切”。恰恰相反,大量的观测结果清楚地表明,宇宙中存在比标准模型中的夸克、轻子和玻色子更多的粒子还没有被发现。我们的标准模型并不完善,下面让我们来看看超越标准模型的五大物理线索吧!这五个问题也是目前没有解决的物理学前沿问题。
暗物质问题
从结构形成到相互碰撞的星系团,从引力透镜到大爆炸核合成,从重子声波振荡到宇宙微波背景下的各向异性,很明显,正常物质(由标准模型粒子构成的物质)只占宇宙总质量的15%左右。缺失的物质根本就没有那些强或电磁相互作用,而且发现的中微子,它的质量还不足以解释大约1%的缺失物质。
然而,当我们观测引力对宇宙的影响时,这些暗物质不像标准模型中所有带电和中性粒子那样会与光子发生相互作用。
暗物质聚集的方式强烈地表明了它是一种超出标准模型的有质量粒子。它的性质究竟是什么,目前在物理学中是一个悬而未决的问题,虽然现在是出现了很多候选者,但是没有一种粒子能凭借一己之力承担暗物质这个重任。
至少有一点我们相当确定,那就是在标准模型中所有的粒子都不是暗物质粒子!
巨大的中微子(跷跷板粒子)
根据标准模型,粒子既可以是无质量,比如光子和胶子;也可以与希格斯场发生耦合来获得质量。耦合是有一定范围,所以我们得到了像电子一样轻的粒子,只有1GeV/c ²的0.05%(其中质子的质量是0.938GeV/c ²)和顶夸克一样重,然后是中微子。
在过去的十年中,人们发现中微子的质量受到了限制(通过中微子振荡),中微子的质量非常低,但肯定不是零,这是为什么呢?目前一般的解释方法为“翘翘板机制”,这个机制通过引入额外的,非常重的粒子:惰性中微子(可能是标准模型粒子质量的十亿或一万亿倍),惰性中微子是标准模型的延伸;如果没有惰性中微子,中微子的微小质量(只有电子质量的十亿分之一)是完全无法解释的。无论跷跷板型粒子是否存在,或者是否有其他的解释,这种引入的巨大中微子在某种程度上是超越标准模型的新物理学的象征。
缺乏强CP对称破缺的问题C-对称破缺、P对称破缺和CP-对称破缺,C代表电荷共轭(意思是用反粒子替换所有的粒子,所有的反粒子用粒子替换),P代表奇偶性( 意思是取镜像,也就是左右彼此互换)。从理论上讲,如果对粒子施加对称和物理定律,并且所有物理现象保持不变,那么C和P是守恒的,或对称。如果你同时施加两种对称,并且所有物理现象还是保持不变,那么CP是守恒的,或对称。
在自然界中,有这样一个对称性破缺的例子,在弱相互作用(由w和z玻色子介导的相互作用)中,存在违反CP对称的问题。
事实上,违反CP对称确实发生在弱相互作用中(并且已经在多个实验中得到了测量),同样地,标准模型中也没有禁止在强相互作用中发生违反CP对称现象。但是这个现象在强相互作用中观测到的和预期值相差甚远。
那么为什么宇宙早期的正物质会多于反物质呢?这个问题为什么现在还解决不了?原因就在于标准模型中缺乏违反强CP对称的粒子!现有的违反对称的粒子不足以解释正反物质的比例。
这说明标准模型中还缺乏像这样的粒子,这个粒子也有可能解决暗物质的问题!无论如何分析,标准模型都不能解释所观察到的强CP违反的缺乏,我们需要新的粒子,或者需要新的物理理论来解释它。
标准模型没有容纳广义相对论(引力没有被量化)
标准模型没有将引力相互作用纳入其中。我们目前最好的引力理论——广义相对论,在极大的引力场或极小的距离下表现的毫无意义;广义相对论创造的奇点表明物理学在那里将会崩溃。为了解释奇点里面发生了什么,我们就需要一个更完整的引力理论,或者说是量子引力理论。
目前,我们还不知道如何建立量子引力的理论。弦理论是所有理论中最有可能的(也是目前唯一可行的对策),但所有的可能性的理论都有一个共同点,那就是我们必须找到一种新粒子:一种无质量、自旋为2的引力子。
这可能是标准模型之外最难以捉摸的粒子,但有如果想量化引力,这种粒子一天不找到都不可能。
正反物质不对称
在宇宙中,为什么物质比反物质多,这可能也涉及到标准模型之外的新粒子,就像上文说的,缺乏违反强CP对称的粒子,或者存在破坏重子数守恒的相互作用。
总结
现在,以上的问题很有可能是相互关联的,甚至可能只需要一两个新粒子或一些新的物理知识就可以解决所有的问题。但是这些新粒子和新物理知识将产生更多的理论来超越标准模型。
标准模型之外可能存在一个(或多个)与暗能量有关的粒子,可能存在磁单极子、前子(组成夸克和轻子的较小粒子)。这一切的一切说明标准模型并不是宇宙的全部。
近二十年中国的物理学发展怎么样?
我也算是一个物理专业内的人,虽然不是很专业,但对国内物理学的发展还是时常关注的,对发展历史也有一个大概的了解。
先说一句我个人觉得比较中肯的评价:进入新世纪之后,国内物理学在各个方面均有长足的发展,在某些方面处于世界前列甚至是领先地位,成就也是硕果累累;国内出现了一批优秀的科研人员,为基础科学的发展做出了重要贡献。
就物理学而言,分为基础物理学和应用物理学,另一个角度来看,物理学又可以分为实验物理学和理论物理学。所以题中所说的应用物理进展很大,理论方面进展很慢是从两个分类角度来说的,有点不合适。应用物理和基础物理其实进展都很大,但主要集中于实验方面。理论的进展也有,但都是小打小闹,集中在对实验数据的解释和预言一些新的物理现象等等。与上个世纪那样理论物理发展迅速的状况不同,现在的理论物理处于一个发展比较缓慢的瓶颈阶段。但这种情况不仅仅在国内,在全世界范围内都是如此。如果做横向比较,国内的理论物理发展也还是可以的。
我们可以看一看新世纪国内物理取得了哪些重大成就,在国际上处于一个什么地位。
1. 2013年清华大学薛其坤老师研究组在磁性拓扑绝缘体中首次观测到量子反常霍尔效应;
2. 2015年,由中国科学院物理研究所方忠老师等率领的科研团队,首次在拓扑半金属TaAs晶体里发现了具有“手性”的电子态——Weyl费米子;
3. 2017年潘建伟院士带领的团队首次成功实现从卫星到地面的量子密钥分发和从地面到卫星的量子隐形传态。
这样的例子还有很多。我的一个建议就是大家在评论国内科研发展的时候,不要一味抱着批判或者恶意贬低的态度去评价,而应该首先去看看实际的科研成果。现在的网络媒体这么发达,大家随便一搜就可以找到很多,一些微信公众号也有一些很专业很客观的评价,大家可以参考一下。
探测中微子的意义?
意义在于:
理解宇宙的基本性质:中微子被认为是理解宇宙基本性质的重要工具之一,由于中微子与其他粒子的相互作用很少,因此中微子能够携带关于宇宙早期时期的重要信息,对研究宇宙的起源、演化和结构等问题有重要意义。
研究核物理和粒子物理:由于中微子的特殊性质,它们在核物理和粒子物理的研究中也扮演着重要角色。通过探测中微子,在实验室内研究中微子的性质,可以帮助我们更好地理解元素的形成、贡献和分布,也可以探索新的物理学现象。
应用在卫生和安全方面:中微子探测技术还可以应用在卫生和安全方面,例如:用中微子探测器检测核反应堆内产生的中子流,以评估核反应堆的安全性;应用中微子探测技术开发出新型的医学成像技术以检测肿瘤等疾病。
中微子的寿命?
中微子寿命几乎是无穷长,当遥远高能天体(比如超新星)所产生的中微子从宇宙一段抵达地球的漫长岁月中,其路径并不会因为遍布宇宙的磁场而发生变化。
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