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基礎物質的下一個層級?-《世界是這樣運作的》

哈伊姆.哈拉里Haim Harari理論物理學家;魏茨曼科學研究院前院長,著有《風暴眼的觀點》(A View from the Eye of the Storm

科學的想法可能是優雅的,也可能是正確的。如果一定要選,要選正確的。但兩者兼具總是比較好。

喜歡的人眼裡才會出「優雅」。「正確」則是由科學、大自然的終極判斷決定,藉著實驗結果說出。不同於標準的電視選秀比賽,「優雅」和「正確」都不可以透過公眾或一群嘻笑怒罵的裁判投票決定。但一個想法是否優雅,往往取決被問的問題。

所有物質由六種夸克和六種輕子組成,它們有著看似隨機而無法解釋的質量,大小跨越十個量級。沒人知道為什麼,在這十二種基本粒子裡,同樣的模式重複了三次。在某些情況下,其中一些粒子也可以彼此相互轉換,由無法解釋的速率「混合角」(mixingangles)來決定。這些速率和質量的二十個值和質量好像是某人隨意(自然或上帝)選中,粒子物理學標準模型是這麼告訴我們的。這優雅嗎?似乎並非如此。

但無論山和蛇、海洋和垃圾、人和電腦、漢堡和星星、鑽石和大象,以及宇宙中其他事物都由十幾種基本粒子構成的事實,確實令人震驚。這也正是同一個標準模型所說的。優雅嗎?絕對如此。我很希望大自然其實再優雅些。這十二個基本夸克和輕子以及它們的反粒子其電荷皆為 0、±1⁄3、±2⁄3 或 ±1。每個值正好重複三次。

有許多問題沒有滿意的解釋:為什麼基本粒子的電荷是電子電荷1⁄3 的倍數?為什麼 0 和 1 之間的每個值出現在列表上的次數是一樣的?為什麼它們從未超過三個量?為什麼同樣的模式重複三次?為什麼輕子總是整數電荷,而夸克卻是非整數?為什麼夸克電荷和輕子電荷相互之間的關聯是簡單比例?

事實上,蚊子、椅子和番茄汁全都是電中性,由於質子和電子難以解釋的電荷大小相等,導致原子是中性的。其原因在於夸克的電荷對輕子的電荷是精確簡單的比例。但為什麼電子不具有質子電荷的……好比說,0.8342 倍呢?為什麼兩者具有完全相同的電荷值?

如果所有夸克和輕子(因此宇宙的所有物質)只包含兩種基本組成,一種具有電子電荷的 1⁄3,另一種不帶電荷,這難題的優雅解釋就出現了。那麼這三個基本組成的所有組合,也許就能創造已知夸克和輕子的所有模式,並簡潔回答上述問題。我們可 能還是無法解釋夸克和輕子質量和轉換速率的古怪清單,但可以降級討論結合這兩個更基本基礎物質成為複合物的力學層次,而不只是天賜或上帝恩賜的二十多種自由基礎參數表。

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Source from flickr

優雅的解釋?當然可以。是否正確?據我們現在所知,不一定。但你永遠無法證明那些粒子不是由更基本的組成構成。未來可能在不牴觸任何現有資料的情形下發現這些基本組成,尤其如果新結構只在比我們目前所知更小距離和更高能量下顯現,或遵守一套全新而奇怪的基礎物理規則。不用說,這樣的簡單假設需要解決許多額外的問題,某些可能可以很漂亮被處理,其他問題則可能嚴重失敗。這就是多數粒子物理學家對這個簡單的解釋一般而言持否定態度的部分正當理由。

我覺得僅從兩種基本組成(我稱之為Rishons,或原生)創造整個宇宙的想法,是符合許多觀測事實的優雅誘人解釋。聖經創世紀中的宇宙開始於「無形虛空」或者希伯來原文「Tobu Vavohu」。沒有什麼比T(Tobu,「無形」)和V(Vohu,「虛空」)還要更適合代表兩種基本組成,每種夸克和輕子將包含三個Rishons 的不同組合,如TTV 或TTT。這可能是個永遠優雅但不正確的想法,也可能有一天會顯示這可能就是繼原子、原子核、質子和夸克之後,物質結構的下一層。

問問大自然吧。「優雅」和「正確」她都了解,只是還沒有說出來。

11667239_1192021237481355_761864226_n本文摘自《世界是這樣運作的:150位引領時代思潮的一流科學家與思想家,革新你對這世界的看法》,由夏日出版社出版。

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