“一个非凡的阴谋”：为什么物质是中性的？物理学家弗兰克·克洛斯在一本新书中探索了这个谜团

弗兰克·克洛斯向我们讲述了粒子物理学的历史，以及宇宙物质中的电荷如此紧密平衡意味着什么。

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自从20世纪质子和电子被发现以来，原子的核心一直存在着一个谜团：尽管属于完全不同的粒子族并且大小也截然不同，但这两个粒子的电荷却完全相互平衡——创造一个重力占主导地位的宇宙。但为什么？

为了探索这些线索，Live Science 与牛津大学粒子物理学名誉教授Frank Close坐下来讨论他的新书“Charge”（牛津大学）出版社，2024）。在书中，克洛斯通过简明的粒子物理学史追踪了这个难题，包括短距离作用的强力、弱力和电磁力、希格斯玻色子的发现，以及尚未发现的线索。 -有待发现的大统一理论。 

本·特纳： 你的书对粒子物理学的当前状态以及其中剩余的谜团进行了精彩的总结——最重要的是物质的电中性。是什么促使你写下它？为什么是现在？

Frank Close：这是一个困扰我很长时间的谜题。 

既然你吸入了空气中十亿十亿个氧原子和氮原子，而它们中的每一个都含有这么多的电，为什么你每次呼吸时，你的头发都不会竖起来呢？所有这些原子的电子上的负电荷都微乎其微，但它们的数量太多了，一次呼吸就相当于吸入了大约 15,000 库仑——这足以引发 1,000 道闪电。 

答案是原子是电中性的。外部电子的负电荷与中间原子核的正电荷精确平衡。

这是科学上尚未解答的问题之一，在我看来，这也许是最直接的问题。你不需要有深厚的理论背景就能注意到它。 

BT：“为什么”始终是物理学中最令人担忧的问题之一，但我会这么做。为什么费用可以完美平衡？

FC：这是一个很扎实的问题，你可能会问一个正在考试的非常聪明的博士生。你知道你不知道答案，他们也不知道，但这可能会吓到他们一会儿。

这是本书的核心谜题。如果我们在一个世纪前进行过这样的讨论，那么唯一已知的粒子就是带负电的电子和带正电的质子。我可能会告诉你，我不太清楚电荷是什么，但它是你可以去掉或添加的东西，就电子而言，它已被删除，而质子已被添加。

问题是我们现在知道得更多了。在 20 世纪 60 年代，我们发现质子有一种结构，它是由夸克组成的。上夸克有三分之二的正电荷，下夸克有三分之一的负电荷。制造质子的最简单方法是用三个夸克——两个上夸克和一个下夸克。如果你想制造一个[带中性电荷的]中子，你需要使用两个下夸克和一个上夸克。

因此，质子的正一电荷与电子的负一电荷之间的相等性是一个非凡的阴谋。这是巧合吗？我不相信巧合。但这表明难题不仅仅是将电荷涂在质子上并将其从电子上移除的问题。

BT：我又问为什么，但为什么夸克会聚集成三块呢？是什么原因造成的？它与电荷有什么关系？

FC：夸克带有另一种电荷，我们称之为颜色。这种色荷以三种不同的形式出现：红色、蓝色和绿色。它们不是真正的颜色，但共有三种颜色，它们遵循与静电荷相同的规则——相同的电荷相互排斥，不同的电荷相互吸引。因此，正是色荷的这种“三位一体”帮助它们强有力地聚集形成质子。事实上，它们中的每一个平均都携带三分之一的电荷，这就是阴谋得以实施的原因。

有一些诱人的事情正在发生。色荷遵循与电荷相同的吸引和排斥规则。你觉得，在某种程度上，这些事情是紧密相关的，尽管你不太清楚如何关联。你感觉自己正处于某件事的边缘。如果我们能看得更清楚一点，一切都会水到渠成。 

BT： 这可能是它们都是相互联系的，或者是同一事物在不同能量下的分支，所谓的万物大统一理论？

FC：它们一定是某种更重要、更强大、更统一的东西的化石遗迹，统一理论的思想从中开始出现。我们显然在这里偶然发现了一些东西：正如我们今天在寒冷的宇宙中所知道的，这些[短程]力的“三位一体”。

我们从过去 30 或 40 年的非常精确的实验中得知，当您在大型强子对撞机中获得更高的能量时，这些[基本]力的相对强度确实会略有变化。如果你推断的话，这意味着在一些难以想象的高能量下，这三种力[通过色荷的强力，通过静电荷的电磁力，以及通过W和Z玻色子的弱力]实力大致相同。

BT：你用“诱人”这个词来形容这些提示。如果是这样的话，我们距离找到一个大统一理论还有多远？物理学家什么时候开始追求这个想法？

FC：从数学上来说，创建大统一理论并不困难。作为一名理论物理学家的挫败感在于，实验不断向你表明你错了。

2000年来，我们一直在寻找物质是由什么构成的，并且通过越来越高的能量，我们发现了更深层次的结构。 1970 年左右，出现了这样的想法：在极高能量下，事情可能很简单，而且早期宇宙也非常热。

在欧洲核子研究中心，我们开始进行实验，最初湮灭电子及其反物质对应物正电子，以便它们的光速动能立即转化为纯粹的能量闪光。在一个非常小的区域中，在很短的时间内，你会得到宇宙大爆炸后大约十亿分之一秒时存在的能量密度。

通过观察“小爆炸”中出现的情况，我们开始了解的不是今天的物质是由什么组成的，而是物质最初是如何形成的。这开始了从粒子物理学到实验宇宙学的心理转变——这不再只是集邮，我们正在复制创造的后果。

BT： 目前，粒子物理学正在慢慢地向更高的能量迈进，宇宙学在回顾宇宙更热、更早的岁月方面也取得了很大进步——窥视原始粒子对撞机。仍然存在哪些重大悬而未决的问题？

FC：我认为第一个可能是追溯到 10 年前希格斯玻色子的发现。它的发现实际上意味着什么以及我们应该何去何从？ 

希格斯玻色子有一些非常深刻的东西。它证实，如果你拿走一切——所有粒子、所有电荷源和引力以及宇宙中的其他一切——仍然会留下一些东西。我们称之为希格斯场的一些奇怪的本质。它是什么，我们不知道，但它就在那里。 

我们和一切事物都沉浸在希格斯场中，我们需要它，就像鱼需要水一样。我们知道它的存在，因为（就像电磁场对光子的作用一样）如果你向希格斯场添加一点能量，它就会以希格斯玻色子的形式出现。这意味着，在大爆炸的热度中，希格斯玻色子无处不在。

就好像一条非常聪明的金鱼发现了一个水分子。它现在知道自己浸在水中，但它真正想知道的是水是什么样的：“什么是水？什么是冰？什么是蒸汽？”

以类似的方式，我们想知道希格斯场是否有不同的相位以及它是如何运作的。目前我们可以周期性地产生一个希格斯玻色子，但是我们能否在一次碰撞中同时产生两个希格斯玻色子并看看它们如何相互作用？这是欧洲核子研究组织的近期目标，我相信在未来十年左右的时间里，答案将会开始出现。

编者注：为了清晰起见，本次采访经过精简和编辑。