大统一理论面临的困境ppt课件.pptx

万有引力 强相互作用力 弱相互作用力 电磁力 寻找能统一说明四种相互作用力的理论或模型称为大统一理论 爱因斯坦首先着手研究 大统一理论 失败 三位科学家提出弱电统一理论 成功了一部分 卡鲁扎和克莱因提出在计算中加入额外维度 引力融入 弦理论 波色弦理论 与超弦理论 通俗弦理论 的汇集 并非大统一 粒子物理标准模型 强 弱 电磁 从此没验证 爱因斯坦 30年代提出相对论后不久 爱因斯坦就着手研究 大统一理论 试图通过 弱作用 磁场 强作用 的统一思维来简单的解释宇宙 进一步将当时已发现的四种相互作用统一到一个理论框架下 从而找到这四种相互作用产生的根源 弱电统一理论 60年代格拉肖 温柏格 萨拉姆三位科学家提出弱电统一理论 把弱相互作用和电磁相互作用统一起来 这种统一理论可以分别解释弱相互作用和电磁相互作用的各种现象 并预言了几种新的粒子 他们因此荣获1979年诺贝尔物理学奖 1983年实验发现了理论中预言的粒子 进一步证明了理论的正确性 他们确定弱相互作用和电磁相互作用可根据严格的 但自发破缺的规范对称性的思想进行统一的表达 对称性自发破缺理论 通俗地说 它认为一些不同的现象或规律可追溯到同一源头 最初有着共同的对称性 后来由于种种原因对称性被自发地破坏 这样我们就可以从对称性来研究它们的共性 从对称性自发破缺机制来研究它们的特殊性 解决了 弱电和电磁力 粒子物理标准模型 涵盖了强相互作用 弱相互作用 电磁相互作用 物质间的强 电磁 弱三种基本相互作用是通过交换相应的规范场粒子实现的 规范粒子都是矢量性的 带整数自旋 通常称为玻色子 强作用的规范场粒子称作胶子 胶子仅对有 颜色 的粒子 如夸克 胶子自身等 有作用 与轻子无直接作用 电磁作用对应的是阿贝尔规范场的量子 光子 光子只与带电的粒子有作用 对不同的 颜色 味道 无直接作用 弱作用对应的规范场量子 弱中间玻色子 弱中间玻色子对颜色不能区分 在味道间作用 它们仅在轻子 夸克及它自身间作用 夸克 轻子是构成物质的基本单元 它们是自旋为 2的费米子 夸克与轻子的最大不同是夸克有三种 颜色 色量子数 而轻子没有 轻子是无色的 这一不同带来夸克和轻子性质的极大差别 轻子中有电中性的和带电的两种 带电的轻子带一个电子单位的电荷 有三种 味道 味量子数 电子 子 子 电中性轻子不带电 称为中微子 与带电轻子一一地对应起来 亦有三种 味道 电子中微子 中微子和 中微子 根据量子力学基本定理 它们应服从费米 狄拉克统计及泡利不相容原理 但20世纪60年代末所使用的夸克组成重子的波函数是全对称的 可能违背 解决这个困难的基本思想是考虑每一种夸克有三种不同状态 它们的唯一差别是在一个附加的性质方面不同 这种附加性质后来被称为色 三种不同状态对应于三种不同的色 这样重子中的夸克即使其他量子数完全相同 色量子数却不同 味量子数是夸克的一种内部性质 分析已有加速器能量范围内产生的强子谱间接地表明了六种不同的夸克及其反夸克的存在 这就是上夸克 u 下夸克 d 奇异夸克 s 粲夸克 c 底夸克 b 和顶夸克 t 上 下 奇异 粲 底 顶被称为夸克具有的六种不同的味量子数 为区分各种不同的味引入了各种不同的量子数 同位旋量子数I及其第三分量I3 奇异数S 粲数C 底数B 顶数T 每一种味的夸克又有三种不同的色状态 夸克的味与色是互相独立的两种性质分类 以上材料均来自 中国大百科全书 曾谨言 黄涛实验 发现了希格斯粒子 上帝粒子 等等许多理论预言的粒子 验证了规范场论和该模型的正确性 尽管一部分结论仍然没有得到验证 质子的衰变 黑格斯机制 弦 在弦论的一个基本观点就是 自然界的基本单元不是电子 光子 中微子和夸克之类的粒子 这些看起来像粒子的东西实际上都是很小很小的弦的闭合圈 称为闭合弦或闭弦 闭弦的不同振动和运动就产生出各种不同的基本粒子 弦论是最有希望将自然界的基本粒子和四种相互作用力统一起来的理论 高维 弦理论确信至少需要十个维度才能建立一个理论框架 融合五种不同的9维弦理论 让引力与量子力学互相兼容 弦理论科学家假定 宇宙中所有粒子都被局限在一个四维的膜宇宙中 而膜宇宙又漂浮在一个更高维度的体宇宙里 不过几种特殊的粒子可以从膜宇宙中穿入穿出 其中最出众的就是引力子和惰性中微子 我们所描绘的宇宙进行一些调整 也即宇宙一定存在比我们所知的四维空间更多的时空维度 科学家认为这些隐藏的维度可能卷起到非常小以至于我们没有发现它们 量子力学和广义相对论的冲突没有意义 小于弦的普朗克长度内的事情不影响弦本身 也不影响所谓的 粒子 实验 美国的费米国家加速器实验室在观察MiniBooNE探测器发射 中微子束 看看到底有多少粒子在飞行途中转变成了电子中微子 而后 研究人员公布了首批结果 基本上与粒子物理标准模型吻合 但是实验并不严谨 也没有得到广泛一致的认可 还需要更先进的高速粒子对撞机 大统一理论困难 1 大型强子对撞机的质心质量不够高 难以建造更加完善的设备来验证理论正确性 2 无法直接寻找到质子衰变的证据 3 还原论思想作祟 绝对还原论和相对还原论 绝对还原论主张一切科学之所有规律皆由基础科学唯一决定 这是错误的 相对还原论基于两个原理 1基础科学为上层科学提供基础 但不能唯一决定上层科学的所有规律 2上层科学具有特殊规律 但不得违反基础科学普适的基本规律 4 欧洲联合核子中心大型强子对撞器 LHC 运行两年多来 并未发现弦论所寄身之多维空间 也未找到超对称论预言的任何粒子 超对称论者寄予厚望的B介子反常行为已被LHC实验所否定 意味着弦理论半壁江山可能要塌了 5 2011年霍金与弦论者莫洛丁诺合著 伟大的设计 提出 模型 说 主张在某一特定范围适用的模型就是现实 以投影地图为例辩解说 球形的地貌投影到一张平面地图上有失真 但几张平面投影地图凑合起来就能反映真实地貌 言外之意 找不到M理论就算了 有那五种互不相容的理论凑合着吧 带头开