為什麼說標準模型還不夠完善,弦理論為什麼不能解釋希格斯機制。

2022-11-30 06:46:14 字數 4903 閱讀 5576

1樓:李論科學

「一尺之棰,日取其半,萬世不竭」——出自莊子的《莊子》,又稱《南華經》。

上段話是古人對無窮和物質基本單元的思考,現在看來雖然存在一些偏差,但是這種哲學思想一直在指導我們追尋物質的基本構成!我們現在對物質組成成分的理解已經達到了前所未有的高度,這得益於我們對基礎物理學的發展。

不僅如此,我們還建立起了一套描述微觀世界的標準模型,成功的解釋了自然界的四大基本力以及它們相互作用的方式,那麼我們現在擁有的這套至高無上的「微觀世界寶典」是否就是宇宙的全部?自然界中是否還存在標準模型之外的粒子?

宇宙中基本不可在分割的粒子

說到基礎物理學,我們在很短的時間內就取得了長足的進步。在乙個多世紀的時間裡,我們發現了曾經認為是最基本、最小的物質單位:原子,實際上是由更小的粒子組成的:

原子核和電子。原子核本身是由質子和中子構成的,而這些質子和中子是由更小的粒子構成的:夸克和膠子!

據我們所知夸克、膠子和電子是一些不能被分解成更小單元的粒子。當我們進一步計算我們所知的基本粒子時,我們還發現了其他不同型別的粒子,也不能被進一步分割:

六個夸克(上(u)、下(d)、奇(s)、粲(c)、底(b)及頂(t)以及它們的反夸克,每乙個夸克都有三種不同的色荷和兩種不同的自旋(+1?2、?1?2)

三個帶電的輕子:電子、μ子和τ子以及它們的反輕子對應物,每個都允許有兩種不同的自旋態,

三個中性輕子:中微子(電子中微子,μ中微子和τ中微子),還有三個反中微子,中微子都是左旋+1?2,反中微子是右旋?1?2,

膠子有兩種不同的自旋狀態(+1、?1),有八種色荷,

光子有兩種不同的自旋(+1和-1)

w和z玻色子有三種型別(w+、w-和z),每個玻色子有三種允許的自旋態(-1、0和+1)

希格斯玻色子,只存在一種自旋狀態(0)。

上圖是基本粒子的標準模型。據我們目前所知,這些是宇宙中已知的所有粒子,解釋了我們曾經直接接觸過的所有物質。

但是我們還知道宇宙中一定還有更多的粒子等待著我們去發現,因為目前標準模型中的粒子不能解釋暗物質的存在。此外,我們目前所知道的粒子物理學存在理論上的侷限性和不一致性(我們沒有解決基本力統一問題或強cp問題的方法)因此我們懷疑宇宙中還有更多未知的超出標準模型的物理學。

狄拉克對電子磁矩g因子的**和施溫格的修正

在標準模型中的第一代粒子,包括組成質子和中子的夸克,以及電子,這中間沒有出現讓我們無法解釋的現象,等發展到第二代粒子就出現了一些問題!這也可能是讓我們進入未來物理學的第乙個視窗。

標準模型中的每乙個帶電粒子,夸克、帶電的輕子和w -玻色子不僅有電荷,而且有基本的自旋,或者說是固有的角動量。在我們的巨集觀世界裡,任何帶有電荷的物體移動或旋轉,都會產生磁場。上面提到的所有粒子也都有固有的磁矩。

我們知道每個粒子的磁矩應該與自旋和電荷成正比,且與質量成反比,那麼每乙個特定的粒子就應該有乙個常數g(朗德因子或g因子)。

2023年,保羅·狄拉克(paul dirac)首次對所有帶電的輕子和夸克的這個常數進行了**,他**電子(還有μ子和τ子)的g應該等於2。

但是相對論量子力學並不是整個故事的全部,因為不考慮整個宇宙的量子場本質就去考慮量子粒子(或波)是錯誤的!除了簡單的粒子和它們自身固有的磁場外,標準模型中的所有其他粒子都可以相互作用,包括自作用,共同構成了整體固有磁場。

上面的「第二」張圖顯示了對狄拉克「g = 2」**的第一次修正,狄拉克的「g = 2」**是由朱利安·施溫格首先在量子電動力學的第一次實際應用中計算出來的。施溫格的一階修正的g應該是2(1 + a),其中a為精細結構常數α/ 2 π,這個公就刻在施溫格的墓碑上。

電子g因子與標準模型**相符,但無法解釋μ子的差異

我們現在已經計算出了更高階的校正量,而且對於電子和μ子的g因子測量也非常精確。眾所周知,電子g因子是2.00231930436146,是最精確測量的物理量之一,與理論**也驚人地吻合。

但是對於μ子來說比電子重約200倍,它的**g值和測量g值之間存在輕微但顯著的差異!

我們實驗測得μ子g為2.00233184178,僅在標準模型內**其值為2.0023318364。

這兩個數字很接近,但這些差異是顯著的!引用托馬斯·布盧姆等人在(2023年)的話:

這兩個數字的比較,導致實驗和理論之間的差異在4.1到4.7σ之間。

σ為標準差,是motorola於2023年提出了百萬機會缺陷數,其中4σ≈?每百萬機會6209.6個差錯 ,5σ≈?

每百萬機會232.6個差錯!5σ(5個標準誤差),說明理論的可信程度達到了99.

99997%!

μ子g值的理論差異和實驗差異已經存在了幾十年,而且隨著時間的推移,這種差異的證據也會越來越多。

在當今的物理學中5σ是實驗和理論**的**標準,因此我們已經找到了超越標準模型的強有力的物理證據!因為粒子物理學存在一些未知的額外粒子和相互作用,對μ子磁矩產生了很大程度的影響,因此會造成理論**和實驗的誤差。

順便說一句,自2023年以來關於μ子磁矩這個主題已經科學家已經發表了成千上萬篇**,因為如果有超越標準模型的新物理學,那麼對μ子磁矩實驗的研究是揭示新粒子和新物理學的乙個很好的視窗。

總結:有很多證據都預示著標準模型的不完善

除了大型強子對撞機以及對潛在的新粒子的探索,可以為我們超越標準模型開啟新物理學的大門以外,對μ子g因子的研究也可能是乙個很好的機會。不管怎樣,我們現在十分確定的是,目前擁有的標準模型並不是我們宇宙的全部。還存在著一些我們目前尚未發現的的例子,是它們組成了暗物質、導致了強cp破壞、違反重子數守恆,甚至解決宇宙起源物質的**和反物質消失之謎。

2樓:葉美美呵呵

任何事物都是相對而言的,對於標準模型也是如此,並不是以特定存在的物體,完全構建出來的。而是按照演算法,計算出來的標準化的模板,因此還有待於完善。

3樓:時光匆匆

標準模型也是人為的構建,所以在構建的時候,會有一定的侷限性,所以才會覺得標準模型不夠完善,也許科技再次進步,標準模型也會更加完善。

4樓:我居美如天仙

因為模型是人建立起來的,而建立模型的基礎是需要有大量的理論,而目前理論也是不斷的在更新,所以是目前還是不夠完善的。

5樓:吳博的小太陽

因為模型是由人們經過理論而創造出來的,但是由於科技的進步,理論也在一點點的完善著,所以說標準也在一點一點的提高。

6樓:挽清夢

因為現在的科學發展還需要些時日,對宇宙的認知還少,所以說現在我們實驗室中的標準模型還不夠完善。希望科學發展越來越好,早日完善模型。

如何判斷是模型不夠複雜還是區域性最優

7樓:

模型選擇標準

1、精度原則

在實際應用中,往往用**的準確性來評價乙個模型。精度是選擇模型時所考慮的十分重要的

因素,眾多關於**模型選擇的文獻都是**精度對各種模型進行比較。一般認為增加模型的顯含變數、採取聯立方程可以提高**精度,但也不能過分精確化,否則模型可能很複雜從而無法進行實際的引數估計。實踐表明,如果對內生變數的外生變數不加選擇、不加分析地包含進來並不能提高精度。

相反影響微弱或作用不大的變拉入模型倒影響計量模型的穩定性和使用效果,選擇模型時應適當權衡。

2、簡單性原則

對於任意兩個模型,若都能同樣地表達所研究問題,具有相同的精度應選擇較小模型方程、選擇較簡單方程形式和較少的經濟變數。

3、費用原則

**的準確性與進行**所投入的人力、物力、財力密切相關,高的**精度常伴隨著高的費用,在選擇計量模型時應對提高精度所獲得的利益及由此所花費的代價進行權衡,有時為較低

費用不得不犧牲一些精度,選擇較簡單的模型

4、建模目的原則

到底選擇哪一類計量模型,往往取決於模型將具體用於什麼目的,對於這個目的,模型的最優結構是什麼以及怎樣來衡量。一般來說,當模型用於**時,r2及估計值方差較重要,傾向於選較複雜模型;當模型應用於結構分析和政策評價時,則模型引數偏差程度及標準誤差較重要,在樣本一定的情況下傾向於選較簡單的模型。

弦理論為什麼不能解釋希格斯機制。

8樓:

為什麼某些基本粒子帶有質量,而某些基本粒子的質量為零?根據希格斯機制,基本粒子是因為與遍布於宇宙的希格斯場耦合而獲得質量。

希格斯玻色子是希格斯場的振動,是希格斯場存在的明確證據,就好像從觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。

根據量子場論,所有萬物都是由量子場形成或組成,而每一種基本粒子則是其對應量子場的微小振動,就如同光子是電磁場的微小振動,夸克是夸克場的微小振動,電子是電子場的微小振動,引力子是引力場的微小振動等等。

在規範場論裡,為了滿足局域規範不變性,必須設定規範玻色子的質量為零。由於希格斯場的真空期望值不等於零,造成自發對稱性破缺,因此規範玻色子會獲得質量,同時生成一種零質量玻色子,稱為戈德斯通玻色子,而希格斯玻色子則是伴隨著希格斯場的粒子,是希格斯場的振動。通過選擇適當的規範,戈德斯通玻色子會被抵銷,只存留帶質量希格斯玻色子與帶質量規範向量場。

標準模型中的希格斯機制,就解釋粒子質量而言,只是把問題轉移去解釋一種假想的出讓質量的粒子(希格斯玻色子)的性質。粒子找到了,性質測量了, 但本質上只是標準模型的輸入資料,弦理論並不能解釋它們。或者說,由於點粒子是一種理想化描述,標準模型雖然能解釋許多現象,但解釋不了基本粒子的屬性,因為真實世界的基本粒子是有空間大小的。

9樓:薛丁格的貓

兩種不同理論基礎的理論不存在為什麼,何況弦理論應該說是超弦理論還不算是真正意義上的被證實的理論,它缺少實驗檢驗,理論還在完善

10樓:張嘉年

圖中+-號代表不可分割的最小正負電磁資訊單位-量子位元(qubit)(名物理學家約翰.惠勒john wheeler曾有句名言:萬物源於位元 it from bit

量子資訊研究興盛後,此概念昇華為,萬物源於量子位元)注:位元即位元

為什麼說楊振寧是活著的最偉大的物理學家?

11樓:

因為楊振寧對我國做出了很大的貢獻。是目前為止還沒有辦法可以超越的人。

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