物理学的困顿,没有脑子的动物

图片 1图片来源:《辛普森的一家》

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。

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睡眠在高等动物中十分普遍。比如我们人类,一生中就要花近三分之一的时间用来睡觉。不过,在闭目养神之前,你是否曾思考过,地球上那些结构简单的动物们究竟需不需要睡觉呢?

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默里·盖尔曼,美国物理学家,因对基本粒子的分类及其相互作用的发现而获得1969年诺贝尔物理学奖。夸克的概念就是他提出的。图片来源:heikegani.com

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猜猜看,下图中哪些生物会睡觉呢?

(文/ Matthew Chalmers)那是在1964年2月,披头士乐队正准备席卷美国,一个魔咒般的想法闪过了理论物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)的脑海。构成原子的质子和中子,本身会不会由更小的东西构成呢?这些更小的粒子被命名为“夸克”(quark),纯粹是因为盖尔曼喜欢这个词的发音,读起来就像是“再来1夸脱酒”里的夸脱。这个单词本身,则来自于詹姆斯·乔伊斯(James Joyce)的《芬尼根守灵夜》,一部与海鸥、性和酒馆老板有关的小说。

对于有着一头天然卷发的人来说,稍许水汽就会出卖你——还记得“卷福”吗?(忘记的请戳 主题站首页 看一下小图)上面就是他在最新的一部电影《星际旅行》(Star Trek)的拍摄场景。虽然在这部戏中他的头发已经拉直(上左,大风吹、空气干燥,头发是直的;上右,自然状态,头发是直的),但被汗水打湿后(下),就变成了弯的。图片来源:soentertain.me

图片 5神经系统的演化及其代表动物[1]

当时,物理学正极度需要新奇的想法。几十种奇异的新粒子出现在宇宙线中,看上去既不合情,也不合理。盖尔曼的新想法可以将质子、中子和所有这些新粒子,都看作是两个或者三个更基本粒子的组合。

有一头天然长卷发的人,大概不必看天气预报就能对空气湿度有所掌握(吐槽:卷福原来还有这样一项优势)——照照镜子就行了。人的头发对湿度极其敏感,长度会随着空气中水分含量的变化而发生改变。利用头发的这一特性,人们还制作了毛发湿度计。

在过去十几年中,科学家们刚刚证实了包括斑马鱼、果蝇甚至线虫在内的“有脑”生物中都存在类似睡眠的行为。也就是说,上图中从扁形虫(B)到哺乳动物(F)都会睡觉。

对于当时的大多数物理学家来说,这个想法太过超前了。这些新粒子打破了当时业已建立的规则,携带着+2/3或者-1/3这样的分数电荷,而且永远看不到它们独自出现。自然实在的行事何以要如此乖张?

直发会因为潮湿而弯曲,而卷发则会打卷,甚至乱蓬蓬地炸开。防止毛躁已经成了一项庞大的产业,各式各样的柔顺精华都在承诺能够“改造”及滋养发质的同时而又不会“让头发变重垮塌”。为什么潮湿对头发有如此奇怪的影响呢?

新的问题来了,“无脑”的动物会睡觉吗?比如——水母。

为什么就不能如此呢?现在任职于美国新墨西哥州圣菲研究所的盖尔曼反驳道:“每个人都说这不可能,那也不可能,但或许本来就没有什么好的理由——或许自然就是要如此乖僻嚣张。”结果证明,就是如此。今天,夸克成了粒子物理标准模型的基石,而标准模型则是整个科学界中最经得起检验的理论模型之一。过去40年来,标准模型展现出不可思议的能力,一次又一次将理论物理学家的梦想变成无可辩驳的事实。2012年,欧洲核子研究中心宣布在大型强子对撞机中发现希格斯玻色子,只是标准模型最新、也是最引人注目的一次展示而已。

在自然状态下,头发有不同的形态,有些人的头发细而挺直,有些人的头发则是弯曲的或者呈现出其他形态。随着对毛发生理研究的深入,人们逐渐揭示出头发表面构造多样化的原因。已有的研究表明,头发的表面形态与生长速度密切相关,还与头发在形成过程中所受的生物力作用相关。这些作用是多方面的,来源包括真皮结缔组织、毛囊,以及毛球分生细胞的活动,还有就是头发本身形成的生物力。

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