蓋爾曼發(fā)現了夸克 蓋爾曼發(fā)現了什么
物理學家蓋爾曼確信，物理定律的對稱性是自然界最普遍的定律之一 。1961年，他根據對稱性的思想，將性質相似的強相互作用基本粒子劃分為族，認為每個族應該有8個成員 。
然而，根據當時的實驗結果，有一個只有七個成員的基本粒子家族 。據此，格爾曼大膽預言，有一個未被發(fā)現的新粒子，并且在第二年的實驗中發(fā)現了這個新的基本粒子 。
據《每日科學》網站6月1日消息，一組歐洲科學家利用大型強子對撞機(LHC)揭示了BIGBANG在最初0.000001秒發(fā)生的新細節(jié)，即在一個特殊的等離子體中，在第一微秒發(fā)生了什么 。這一發(fā)現引起了科學家的注意 。
大型強子對撞機在探索微觀世界的組成方面發(fā)揮著巨大的作用，也是探索新粒子的重要物理裝置 。隨著粒子物理標準模型的發(fā)展，許多預測的基本粒子得到了驗證 。但是在新粒子被實驗驗證之前，科學家是如何預測的呢？
來自對數學的探索 。
20世紀20年代，英國物理學家狄拉克致力于相對論量子力學的研究 。他想建立一個對時間和空坐標線性且相對的波動方程 。
受到奧地利物理學家泡利在量子理論中提出的“泡利矩陣”的啟發(fā)，狄拉克把2行2列的矩陣變成了4行4列的矩陣，進而得到了這個后來被稱為“狄拉克方程”的電子波動方程 。從這個方程推導出的粒子高速運動的許多性質已經在實驗中得到證實，這統(tǒng)一了量子力學中原本獨立的重要實驗事實 。
然而，狄拉克方程對應的本征態(tài)具有負能量解 。我們應該排除不可思議的負能量狀態(tài)，還是接受它們來保持方程的完美？狄拉克勇敢地選擇了后者，他大膽地想象了負能量態(tài)的物理圖景 。
首先，他創(chuàng)新了“真空”的概念，提出了真空是一個充滿“負能量的電子海”的假設 。然后，他進一步思索，既然填滿的負能量電子海相當于真空，那么把一個電子從電子海中跳出來，相當于什么？那么就會有一個正能量態(tài)電子和一個負能量態(tài)空空穴 。他認為處于正能量狀態(tài)的被激發(fā)電子是一個帶一個單位負電荷的普通電子，電子被激發(fā)后在電子海中留下的空空穴，帶一個負能量，帶一個正能量 。起初，他認為這是一個“質子”，但這個奇怪的“質子”的質量比普通質子小得多，這是很難想象的 。
從對稱美的思想出發(fā)，狄拉克在數學上指出，這種具有正能量的奇異“質子”必須與電子具有相同的質量，于是他大膽地提出了“反物質”假說:這種奇異的“質子”就是真理中的反電子空，也就是正電子，他還提出了電荷共軛對稱的新概念 。
1932年，美國物理學家安德森在研究宇宙射線時發(fā)現了狄拉克預言的正電子 。物理學引起了轟動，這激發(fā)了人們尋找其他粒子的反粒子 。
人們逐漸認識到，各種基本粒子都有相應的反粒子，這是自然界的普遍規(guī)律 。
回顧他對反粒子的發(fā)現，狄拉克指出:“這項工作完全歸功于對數學的探索 。”
1933年，狄拉克因發(fā)現狄拉克方程而獲得諾貝爾物理學獎 。
相信物理定律
在20世紀50年代，已經發(fā)現了數百種基本粒子 。對這些粒子進行分類，找出它們性質之間的內在聯(lián)系，研究這些基本粒子的性質和結構，尋找比基本粒子更“基礎”的成分，成為高能物理研究的重點 。
在這種研究中，物理學家格爾曼確信，物理規(guī)律的對稱性是自然界最普遍的規(guī)律之一，這實際上反映了自然界規(guī)律的內在聯(lián)系和和諧 。因此，蓋爾曼認為所有的基本粒子都可以根據它們不同的對稱性來分類 。
1961年，根據對稱性的思想，格爾曼將性質相似的強相互作用基本粒子分成了若干個族，并認為每個族應該有八個成員 。
然而，根據當時的實驗結果，有一個只有七個成員的基本粒子家族 。蓋爾曼大膽預測，仍有一種新的粒子沒有被發(fā)現 。第二年(1962年)，在實驗中發(fā)現了這個新的基本粒子——η介子 。
蓋爾曼失控了:他預言了另一種新粒子ω-的存在 。1964年1月，美國布魯哈文實驗室的斯米奧在泡室內的數千張照片中發(fā)現了ω-粒子衰變留下的痕跡 。蓋爾曼的預言終于實現了！
η介子和ω粒子的相繼發(fā)現證實了蓋爾曼理論的正確性，從而確立了對稱性方法在基本粒子研究中的重要地位 。
根據對稱性理論，有一個三維基本表示——這個族中應該有三個粒子，它們只能攜帶分數電荷，即2/3、-1/3和-1/3個單位電荷，但分數電荷從未被觀測到 。
但不被觀察并不意味著它不存在 。經過深入思考，蓋爾曼將這三種粒子命名為上夸克、下夸克和奇異夸克，統(tǒng)稱為夸克 。在其理論中，這三個夸克及其反粒子可以用來解釋當時發(fā)現的強子，這就是著名的夸克模型 。物理學家設計了許多實驗來尋找這些帶有分數電荷數的自由夸克 。因為夸克模型的結果與一系列實驗事實吻合得很好，所以在隨后的時間里也得到了發(fā)展，現在它的成員已經從三個擴大到了六個 。
1969年，蓋爾曼因在基本粒子的分類和相互作用方面的貢獻獲得了諾貝爾物理學獎 。
預測的粒子仍在搜索中 。
世界上有兩大類粒子:以電子和質子為代表的費米族和以光子和介子為代表的玻色子族，分別以物理學家費米和玻色命名 。一般認為每個粒子都有其反粒子 。費米和它的反粒子就像一對脾氣完全相反的同卵雙胞胎兄弟 。當兩兄弟相遇時，他們“互相廝殺”，產生的能量甚至會讓他們瞬間湮滅 。
1937年，意大利物理學家埃托雷·馬約拉納預言自然界中可能存在一種特殊的費米子 。這個費米子的反粒子不僅看起來和它本身一樣，而且脾氣也一樣 。兩兄弟站在一起就像照鏡子一樣 。他們的反粒子就是他們自己 。這個費米子被稱為“馬約拉納費米子”，也被稱為“天使粒子” 。在現代物理學家眼中，Mayorana費米子不僅是一個重要的基本粒子——與超對稱理論和暗物質密切相關，更重要的是，它還能在量子計算領域發(fā)揮巨大作用，是拓撲量子比特的最佳載體之一 。
Majorana的預測只針對不帶電的費米子，如中子和中微子 。由于科學家已經發(fā)現了中子的反粒子，根據majorana的預測，他們認為中微子的反粒子可能就是中微子本身 。然而，目前關于這一論斷的實驗仍在進行，困難重重 。
大約10年前，科學家們意識到在材料物理實驗中可能會產生馬約拉納費米 。于是，一場尋找馬約拉納費米子的競賽開始了 。
2017年7月21日，發(fā)表在《科學》雜志上的一篇論文引起了物理學界的關注 。加州大學與斯坦福大學的研究人員合作，聲稱在一系列特殊實驗中發(fā)現了馬約拉納費米子 。
然而，這個粒子不是另一個粒子 。這次宣布的發(fā)現是“手性”的Mayorana費米子，它只能在一維路徑上沿一個方向運行，是自身的反粒子 。這與高能物理學家尋找了80年的Mayorana費米子截然不同，它是三維的 。
2018年，微軟量子團隊在《自然》雜志上發(fā)表了一項沉重的研究，稱“有強有力的證據表明馬約拉納費米子的存在” 。然而，三年后 。微軟因為一個“技術錯誤”撤回了論文 。
【蓋爾曼發(fā)現了夸克 蓋爾曼發(fā)現了什么】如今，尋找“天使粒子”的工作仍在進行中 。科學家觀察自然現象背后的和諧關系和莊嚴秩序，認識到客觀規(guī)律的力量，把揭示這一普遍規(guī)律即科學真理作為自己的神圣任務和最高精神追求 。
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