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吾叫天主粒子,不叫天杀的粒子
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吾叫天主粒子,不叫天杀的粒子
浏览:189 发布日期:2020-06-09

  1941年,朱利安·施温格认识到,倘若设想弱力的载体是无质量的,那么弱力的强度和作用周围将会和电磁力相通。这是联相符这两栽大自然基本力的第一条线索,弱力和电磁力结相符在一首就形成了电弱力。但是在现在这个阶段,弱力和电磁力不再是联相符的了——它们是两栽迥异很大的基本力,有着分别的强度和周围。这意味着弱力的载体必定发生了什么转折,从而获得了质量。力的载体变得很重,这大大降矮了弱力的强度和周围。但是有一栽机制能够注释这一题目,它是由益几位理论物理学家自力开展做事后于1964年挑出的,吾们今天称之为希格斯机制。

  来源 | 返朴

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  撰文 | 吉姆·巴戈特

  翻译 | 柏江竹

  1941年,施温格挑出,倘若弱力是由一栽力粒子携带的①,其质量相等于质子质量的几百倍,那么它的传播周围将会专门有限。与无质量的光子分别,有质量粒子的行动速度专门缓慢,隐晦矮于光速。这栽慢速行动的粒子所携带的力也会比电磁力弱得众。

  ①现在,吾们清新其实携带弱力的粒子有三栽,后文会挑到

  施温格认识到,倘若云云一个弱力载体的质量能够以某栽手段被“关闭”(被切换到异国质量的状态),那么弱力就会具有与电磁力大幼相等的传播周围和强度。这句话听首来就像数字算命相通离谱,但这也是第一次有人认识到,弱力和电磁力能够被联相符为一体,即“电弱力”。

  吾们能够议决云云的思路来推理。尽管电磁力和弱力望首来迥异颇大,但它们能够以某栽稀奇的手段外现为相通的“电弱力”。它们之因此望首来相差很大,主要是由于弱力的载体身上发生了云云一件事:与光子分别,这栽粒子以某栽手段变成了“三维”的,它们的速度矮于光速,并且拥有大量的质量。这控制了弱力的周围,并且使其强度远远矮于电磁力。②

  ②在质子和中子所处的飞米尺度上,弱力的强度大约只有电磁力的1000万分之一。

  吾们能够换一个角度来望这个题目。倘若吾们把时间倒回到宇宙大爆炸刚刚发生的时候,在这时周围环境的能量和温度之下,自然界中的所有力(也包括由时空中的质能施加的引力在内)被认为是融为一体、难以区分的。引力最先别离出去,随后是强力。而在大爆炸发生之后大约一万亿分之一秒时,电弱力破碎成两栽分别的力——弱力和电磁力。云云,四大基本作用力就齐全了。关键题目是,弱力的载体身上发生了什么,让它变得这么重?或者说,是什么在大爆炸发生之后大约一万亿分之一秒时导致了电弱力的破碎?

  施温格在哈佛的钻研生谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)承担首晓畅答这一题目的义务。格拉肖基于SU(2)对称群(像杨振安和米尔斯相通)发展了一栽弱相互作用的量子场论。在这一理论中,弱力由三栽粒子携带[前文挑到,与SU(n)结构相关的力的载体有(n2 -1)栽],其中两栽粒子带电,现在被吾们称为W 和W-,还有一栽不带电,被称为Z0。

  但是格拉肖现在遇到了和杨振安和米尔斯相通的题目,这一量子场论认为的W粒子和Z粒子都是无质量的,就像光子相通。倘若试图议决“手动”添加质量来凭空中伤一些方程,那么这一理论就无法重正化。

  因此又是相通的题目,吾们明清新弱力的载体必定是有质量的粒子,但是从理论推出的效果是无质量的。弱力载体的质量原形从何而来呢?谜底在1964年至1971年的这7年间被逐渐揭开,答案与自愿对称性破缺相关。

  这个名字听首来挺重大,但它其实是一栽吾们专门熟识的平时形象。想象一下倘若有人把玻璃瓶中水结冰的过程拍成一段延时摄影,吾们会望到什么样的情景呢?在某个时刻,吾们会望到第一批冰晶的形成,然后这些冰晶徐徐地扩伸开来,直到整瓶水都变成冰。

  液体中的水分子有必定的对称性,它们从分别的倾向(上、下、左、右、前、后)上望首来都大致相通,都在构成液体的疏松网络中随机行动,如图1(a)所示。但是冰是一栽晶格,一栽由六角形原子环平铺(或称“镶嵌”)而成的规则阵列。从分别倾向上不益看察这一结构,会望到分别的情景:倘若从左边或者从右边不益看察,吾们能够望到一条由晶格结构形成的“走廊”,但去上望的话会望到一个“天花板”,去下望也会望到“地板”,如图1(b)所示。

  尽管晶体是一栽更有规则、重复展现的结构,但在三维空间中,固态水分子的布局手段并不像液态水中那样对称——吾们从分别的倾向不益看察会得到分别的效果。因此,将水凝结的过程“打破”了液体较高的对称性。

  不过刚刚注释的只是自愿对称性破缺是什么,而不是它发生的机制,现在吾们要回过头来把刚刚那段延时摄影再仔细地望一遍。吾们望到第一个冰晶在整瓶水中的某处(望首来是相等随机的一处)形成的,最大的能够是在内壁的周围,但这是为什么呢?吾们能够望到,一旦有第一个冰晶形成,那么接下来就会有更众的晶体就会包裹上来,形成一个“中央”,并不息扩展,直到整个瓶子结满了冰。因此吾们要换一个思路挑出题目:是什么导致了第一个冰晶凝结成核?

  这边有一条线索。让吾们用超纯水来重复这个实验,同时确保玻璃瓶的内壁专门平滑。现在徐徐地使玻璃瓶冷却下来,吾们会发现,即使水的温度已经降矮到冰点以下,照样异国形成任何冰晶。云云的水被称为过冷水。答案找到了,之前的谁人玻璃瓶中之因此会有冰晶凝结成核,是由于水中含有杂质或是玻璃瓶内壁不均匀,因此在第二次实验中去除了水中的杂质以及内壁的不均匀性之后,就不会再形成冰晶。

  吾们得出的结论是,晶体必要“倚赖”在某些东西上才能完善结冰的过程。吾们必要添加一些东西(即上述例子中的杂质和不均匀性)才能促使自愿对称性破缺的发生。

  这对注释量子场论遇到的题目有什么意义呢?其实,杨振安和米尔斯以及格拉肖挑出的SU(2)量子场论就像是一个装着超纯水的专门平滑的玻璃瓶,物理学家认识到,要打破对称性,就必要在量子场的“背景环境”中添加某栽东西,这是一栽原本缺失的成分。

  从某栽意义上来说,他们必要找到某栽东西,能够让量子场中无质量的力的载体“倚赖”其上。这栽成分必要能打破对称性,使各栽作用力之间产生区别。现在也没什么有余的选择了,他们只益又引入了另外一栽崭新的量子场。

  这一思想首源于20世纪60年代初,与超导原料的特性相关。美籍日裔物理学家南部阳一郎认识到,自愿对称性破缺能够导致具有质量的粒子的产生。

  物理学家花了几年的时间才最后得出一栽详细的机制。南部阳一郎和英国理论物理学家杰弗里·戈德斯通(Jeffrey Goldstone)的论文以及美国物理学家菲利普·安德森(Philip Anderson)的评论中都对此有所挑及。1964年,美国物理学家罗伯特·布鲁(Robert Brout)和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)、英国喜欢丁堡大学物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)、美国物理学家杰拉尔德·古拉尔尼克(Gerald Guralnik)以及卡尔·哈根(Carl Hagen)和英国伦敦帝国理工学院物理学家汤姆·基布尔(Tom Kibble)这三组科学家别离自力地发外了一系列论文,详细地阐述了这一机制。从1972年最先,这一机制最先被人们远大称为希格斯机制,新的量子场则被称为希格斯场。

  必要再次强调的是,理论物理学家最为关心的题目是如何构造出切确的数学结构,他们并不怎么关心数学方程背后的物理意义(更不必说直不益看性了),他们很笑意把这个题目留给别人去解决。添加一个具有某些性质的背景希格斯场实在向量子场论方程中引入了新的项,这些新的项能够被注释为与m2ϕ2相关的质量项。这一机制从数学的角度上来望是异国题目的,现在必要做的是追求它的物理意义,吾们必须做出尝试。

  添加一个背景希格斯场(不论它是什么),意味着它遍布于整个宇宙中,就像是当代版的以太(但它比麦克斯韦那些19世纪的物理学家所挑出的以太要稀薄得众)。倘若异国这个场存在,所有粒子(不论是物质粒子照样力粒子)都是默认的无质量的二维粒子,并且都会以光速行动。

  毫无疑问,倘若真的是云云,那就不会有质量了,也不会有物质实体的产生,不会有吾们今天所熟识的宇宙,不会有星系、恒星、走星、生命,更不会有人类。而现在吾们清新了希格斯场的存在,无质量粒子与希格斯场相互作用产生了一系列效答,它们获得了第三个维度(变“厚”了),速度也慢了下来。其效果就是,粒子获得了质量(m2ϕ2形态的质量项最先在方程中展现),参见图2。人们行使过各栽各样的类最近“注释”这些效答,产品展示其中最通走的一栽说法是,希格斯场就像是一团黏稠的糖浆,它会拖拽着粒子使其减速,而粒子对于加速度的招架就外现为惯性质量。云云的类比无法做到自圆其说(希格斯本身更倾向于认为这一机制涉及一栽扩散),但它们起码能够让吾们有一些概念。

  最主要的概念与质量的“首源”相关。从古希腊原子论者最先,人们就倾向于认为质量是物质的最后构成成分,是一栽与生俱来的、不走分开的“第一”性质。伽利略和牛顿改进了这一致念,但并异国从根本上转折它。一个物体的惯性质量是它窒碍加速度的量度,吾们本能地把惯性质量等同于这个物体所拥有的物质的量,它包含的“东西”越众,就越难加速。

  而现在,吾们把一个原本异国质量的基本粒子的行动在与希格斯场的相互作用下“招架”行动的水平注释为粒子的惯性质量,质量的概念在一堆数学推导的过程中消逝了,它已经成为一栽第二性质,是无质量粒子和希格斯场相互作用的效果。

  现在再回头望,吾们会发现,在大爆炸发生后的一万亿分之一秒,宇宙的温度已经冷却到足以让希格斯场安详在一个固定的值,这为打破电弱力的对称性挑供了必要的前挑。W粒子和Z粒子找到了能够“倚赖”的东西,它们获得了第三个维度,获得了质量,于是弱力从电磁力中别离出来。

  尽管希格斯机制极具吸引力,但它并异国立即获得行家的声援。希格斯的论文在发外时甚至遇到了一些难得。1964年7月,他把这篇论文寄给了欧洲杂志《物理快报》(Physics Letters),但是编辑以不正当发外为由拒稿了。希格斯火冒三丈,但一个浅易的原形是,在20世纪60年代初,量子场论由于面临题目而门可罗雀,而希格斯这篇论文的内容正是关于如何解决这一题目的。

  希格斯对他的论文做了一些修改,并重新挑交给《物理评论快报》(Physical Review Letters)杂志,这篇论文被送到南部阳一郎那里进走同走评议。南部阳一郎请求希格斯就他的论文与布鲁和恩格勒刚刚在联相符杂志上发外的一篇相通文章之间的相关发外评论。希格斯异国仔细到布鲁和恩格勒在联相符题目上做出的做事,并在补充的脚注中承认了他们的做事。他还在正文中添加了末了一段,挑醒人们仔细另一栽能够存在的大质量玻色子,即希格斯场的量子粒子。这就是吾们今天所说的希格斯玻色子。

  物理学家现在有了一栽机制,但是还异国一个成熟的量子场论(自然更异国一个能够重正化的场论)。不过仅仅3年之后,他们就迈出了下一步。史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)花了几年的时间钻研强相互作用中自愿对称性破缺的影响,后来他认识到本身的手段走不通。然而就在此时,他猛然产生了另一个思想。

  温伯格不息以来都在尝试将希格斯机制行使于强力,试图给强力的载体授予质量。但是他现在认识到,他不息试图行使于强力的数学结构,正益是解决弱力及其隐含的大质量力的载体的相关题目所必要的。他把切确的思路用在了舛讹的题目上——这就是弱力中大质量的力载体之谜的答案。

  但是,温伯格并异国把这栽手段行使到质子和中子上(它们也会受到强力的作用),而是将其行使于诸如电子和中微子这一类不受强力影响的粒子上。温伯格后来坦承了如此选择的理由。几年前,默里·盖尔曼和乔治·茨威格(George Zweig)各自都曾徘徊未定地挑出,质子和中子实际上都是复相符粒子,它们由后来被称为夸克的物质构成。倘若将希格斯机制行使到作用于质子和中子上的弱力,就意味着要将夸克也纳入商议之中,但是温伯格根本不确定夸克是否真的存在。

  温伯格于1967 年11月发外了一篇论文,详细地阐述了一个联相符的电弱理论。在这个理论中,希格斯机制的原理是云云的:在对称性被打破之前,电弱力由4栽无质量粒子携带,为了方便首见,吾们将它们称为W 、W0、W-和B0粒子。与背景希格斯场的相互作用使得W 和W-粒子获得了第三维,从而减速,并获得质量。

  W0和B0粒子也获得了质量,但在量子力学中,电中性粒子都有形成叠加态并同化在一首的趋势。W0和B0同化在一首之后形成了一个大质量的Z0粒子和一个无质量的光子。吾们把大质量的W 、W-和Z0粒子与弱力相关首来,把无质量的光子和电磁力相关首来。

  温伯格估算出了弱力载体大致的质量周围。他展望W粒子的质量答该是质子质量的85 倍(约800亿电子伏特,或80 GeV/c2),Z0粒子的质量答该是质子质量的96 倍(约90 GeV/c2)。

  1964年,希格斯曾挑到希格斯玻色子存在的能够性,但这个粒子与任何一栽力都无关。温伯格发现他有必要在本身的电弱理论中引入一个有4个分量的希格斯场,这就意味着有4栽基本场粒子(即4栽希格斯玻色子)。这4栽希格斯玻色子中的3栽在相互作用中别离被W 、W-和Z0粒子“吞噬”,这一过程为它们添加了第三维,并减慢了速度。

  而第4栽希格斯玻色子则以物理粒子的形态展现,它就是盈余下来的希格斯玻色子。

  在英国,阿卜杜勒·萨拉姆(Abdus Salam)经汤姆·基布尔的介绍接触到了希格斯机制。他在从前间钻研过电弱场理论,并且很快就发现了自愿对称性破缺的能够性。当他望到温伯格论文的预印本时,他发现本身和温伯格各自自力地得出了十足相通的模型,但他决定在本身能够正当地将质子和中子纳入描述中之后再发外本身的论文。温伯格和萨拉姆都认为电弱理论是能够重正化的,但那时他们都无法对此做出表明。

  几年之后,这一点得到了表明。纯属巧相符的是,1971年,荷兰理论物理学家马丁努斯·韦尔特曼(Martinus Veltman)和赫拉德·特霍夫特(Gerard’t Hooft)重新推导出了由温伯格首次挑出的场论,而且他们现在也表清新该场论能够重正化。一路先特霍夫特想将这一理论行使于强力,但是当韦尔特曼向一位同事咨询其他能够行使的倾向时,这位同事的回答指向了温伯格于1967年发外的那篇论文。韦尔特曼和特霍夫特认识到,他们已经竖立首了一个十足可重正化的电弱相互作用量子场论。

  这对电子来说意味着什么?回顾一下此前的内容,质量重正化意味着电子的质量分成两片面。它具有一个伪想的“裸质量”,也就是倘若将其从自身产生的电磁场中别离出来,它将具有的质量;它还具有一个“电磁质量”,这是由电子与本身的电磁场之间的相互作用产生的能量产生的,这栽相互作用将电子包裹在一层虚光子中。现在吾们清新,就连“裸质量”都不是电子的固有性质,它来源于电子和希格斯场的相互作用。这些相互作用添加了第三个维度,并且使电子减速,产生了吾们称之为质量的效答。

  几年之后,高能粒子实验物理学的发展终于追上了理论物理学家的步伐。温伯格已经展望了弱力载体的质量,在他做出这些展望时还异国有余大的粒子对撞机能够不益看测到它们。但是在随后的几年时间里,美国和欧洲核子钻研布局(位于瑞士日内瓦附近)都建造了新一代的粒子对撞机。1983 年1月,欧洲核子钻研布局宣布发现了W粒子,其质量为质子的85倍,与温伯格的展望值相通。随后,在同年的6 月,Z0粒子也被发现了,其质量大约是质子的101倍(按照最新数据,这一数值答是97 倍)。③

  ③ 前文挑到,施温格在1941年倘若弱力的力粒子质量是质子的“几百倍”,如此一来,他的展望与实测值也差了几倍。

  自然,电弱理论还展望了希格斯玻色子的存在。鉴于议决希格斯机制展望的弱力载体质量如此实在,那么希格斯场(或是相通的什么东西)的存在益似是“信任无疑的事”。然而,也有其他不必借助希格斯场的对称性破缺理论,并且电弱理论也存在着一些难以解决的题目。这些题目往往会播下疑心的栽子,并逐渐腐蚀理论物理学家的信念。那时还远远不及说希格斯机制已被证实。

  希格斯机制自然而然地嵌入电弱理论中,并使之重正化,一致望首来都是那么完善。但是这一机制请求存在一栽新的量子场,它将遍布于整个空间之中。因此,一致的题目归根结底就是:倘若希格斯场真的存在,那么它的基本场粒子希格斯玻色子也答该存在。

  因此下一步自然是追求希格斯玻色子存在的证据,一场竞赛就此在芝加哥的费米实验室和日内瓦的欧洲核子钻研布局之间伸开。在1993年出版的一本书中,美国粒子物理学家利昂·莱德曼强调了(也许在你望来强调得有些太甚)希格斯玻色子所首到的基本作用,并称之为“天主粒子”(God Particle)。

  他给出这个名字的因为有二:“第一,出版者不让吾们将其命名为‘天杀的粒子’(Goddamn Particle),但是考虑到它凶毒的本性和消耗的经费,这个标题真是再正当不过了。第二,这也与另外一本更为迂腐的书相关……”

  本文经授权摘选自《物质是什么》(中信集团出版社鹦鹉螺做事室2020年5月版)一书。

 

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