我叫上帝粒子,不叫天杀的粒子

我叫上帝粒子,不叫天杀的粒子
2020年05月31日 09:05 新浪科技综合

  1941年,朱利安·施温格认识到,如果设想弱力的载体是无质量的,那么弱力的强度和作用范围将会和电磁力相仿。这是统一这两种大自然基本力的第一条线索,弱力和电磁力结合在一起就形成了电弱力。但是在如今这个阶段,弱力和电磁力不再是统一的了——它们是两种差异很大的基本力,有着不同的强度和范围。这意味着弱力的载体一定发生了什么变化,从而获得了质量。力的载体变得很重,这大大降低了弱力的强度和范围。但是有一种机制可以解释这一问题,它是由好几位理论物理学家独立开展工作后于1964年提出的,我们今天称之为希格斯机制。

  来源 | 返朴

  撰文 | 吉姆·巴戈特

  翻译 | 柏江竹

  1941年,施温格提出,假设弱力是由一种力粒子携带的①,其质量相当于质子质量的几百倍,那么它的传播范围将会非常有限。与无质量的光子不同,有质量粒子的运动速度非常缓慢,显著低于光速。这种慢速运动的粒子所携带的力也会比电磁力弱得多。

  ①现在,我们知道其实携带弱力的粒子有三种,后文会提到

  施温格意识到,如果这样一个弱力载体的质量能够以某种方式被“关闭”(被切换到没有质量的状态),那么弱力就会具有与电磁力大小相当的传播范围和强度。这句话听起来就像数字算命一样离谱,但这也是第一次有人意识到,弱力和电磁力可以被统一为一体,即“电弱力”。

  我们可以通过这样的思路来推理。尽管电磁力和弱力看起来差异颇大,但它们可以以某种奇怪的方式表现为相同的“电弱力”。它们之所以看起来相差很大,主要是因为弱力的载体身上发生了这样一件事:与光子不同,这种粒子以某种方式变成了“三维”的,它们的速度低于光速,并且拥有大量的质量。这限制了弱力的范围,并且使其强度远远低于电磁力。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。

  我们可以换一个角度来看这个问题。如果我们把时间倒回到宇宙大爆炸刚刚发生的时候,在这时周遭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。引力首先分离出去,随后是强力。而在大爆炸发生之后大约一万亿分之一秒时,电弱力分裂成两种不同的力——弱力和电磁力。这样,四大基本作用力就齐全了。关键问题是,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分裂?

  施温格在哈佛的研究生谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)承担起了解答这一问题的任务。格拉肖基于SU(2)对称群(像杨振宁和米尔斯一样)发展了一种弱相互作用的量子场论。在这一理论中,弱力由三种粒子携带[前文提到,与SU(n)结构相关的力的载体有(n2 -1)种],其中两种粒子带电,现在被我们称为W+和W-,还有一种不带电,被称为Z0。

  但是格拉肖现在遇到了和杨振宁和米尔斯一样的问题,这一量子场论认为的W粒子和Z粒子都是无质量的,就像光子一样。如果试图通过“手动”增加质量来凭空捏造一些方程,那么这一理论就无法重正化。

  所以又是一样的问题,我们明知道弱力的载体一定是有质量的粒子,但是从理论推出的结果是无质量的。弱力载体的质量究竟从何而来呢?谜底在1964年至1971年的这7年间被逐渐揭开,答案与自发对称性破缺有关。

  这个名字听起来挺宏大,但它其实是一种我们非常熟悉的日常现象。想象一下如果有人把玻璃瓶中水结冰的过程拍成一段延时摄影,我们会看到什么样的情景呢?在某个时刻,我们会看到第一批冰晶的形成,然后这些冰晶慢慢地扩展开来,直到整瓶水都变成冰。

  液体中的水分子有一定的对称性,它们从不同的方向(上、下、左、右、前、后)上看起来都大致相似,都在构成液体的松散网络中随机运动,如图1(a)所示。但是冰是一种晶格,一种由六角形原子环平铺(或称“镶嵌”)而成的规则阵列。从不同方向上观察这一结构,会看到不同的情景:如果从左边或者从右边观察,我们可以看到一条由晶格结构形成的“走廊”,但往上看的话会看到一个“天花板”,往下看也会看到“地板”,如图1(b)所示。

图1 液态水的结构是由相邻分子间的短程力控制的,但是在不同的方向上看起来并无不同,如图(a)所示;但冰是一种晶体结构,水分子排列成六边形,如图(b)所示,因此与液体相比,冰的整体对称性较低  图1 液态水的结构是由相邻分子间的短程力控制的,但是在不同的方向上看起来并无不同,如图(a)所示;但冰是一种晶体结构,水分子排列成六边形,如图(b)所示,因此与液体相比,冰的整体对称性较低

  尽管晶体是一种更有规则、重复出现的结构,但在三维空间中,固态水分子的组织方式并不像液态水中那样对称——我们从不同的方向观察会得到不同的结果。因此,将水冻结的过程“打破”了液体较高的对称性。

  不过刚刚解释的只是自发对称性破缺是什么,而不是它发生的机制,现在我们要回过头来把刚刚那段延时摄影再仔细地看一遍。我们看到第一个冰晶在整瓶水中的某处(看起来是相当随机的一处)形成的,最大的可能是在内壁的周围,但这是为什么呢?我们可以看到,一旦有第一个冰晶形成,那么接下来就会有更多的晶体就会包裹上来,形成一个“核心”,并继续扩展,直到整个瓶子结满了冰。所以我们要换一个思路提出问题:是什么导致了第一个冰晶凝结成核?

  这里有一条线索。让我们用超纯水来重复这个实验,同时确保玻璃瓶的内壁非常光滑。现在慢慢地使玻璃瓶冷却下来,我们会发现,即使水的温度已经降低到冰点以下,还是没有形成任何冰晶。这样的水被称为过冷水。答案找到了,之前的那个玻璃瓶中之所以会有冰晶凝结成核,是由于水中含有杂质或是玻璃瓶内壁不均匀,所以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。

  我们得出的结论是,晶体需要“依附”在某些东西上才能完成结冰的过程。我们需要添加一些东西(即上述例子中的杂质和不均匀性)才能促使自发对称性破缺的发生。

  这对解释量子场论遇到的问题有什么意义呢?其实,杨振宁和米尔斯以及格拉肖提出的SU(2)量子场论就像是一个装着超纯水的非常光滑的玻璃瓶,物理学家意识到,要打破对称性,就需要在量子场的“背景环境”中添加某种东西,这是一种原本缺失的成分。

  从某种意义上来说,他们需要找到某种东西,可以让量子场中无质量的力的载体“依附”其上。这种成分需要能打破对称性,使各种作用力之间产生区别。现在也没什么多余的选择了,他们只好又引入了另外一种全新的量子场。

  这一想法起源于20世纪60年代初,与超导材料的特性有关。美籍日裔物理学家南部阳一郎认识到,自发对称性破缺可以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终得出一种详尽的机制。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提及。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)、英国爱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)这三组科学家分别独立地发表了一系列论文,详细地阐述了这一机制。从1972年开始,这一机制开始被人们普遍称为希格斯机制,新的量子场则被称为希格斯场。

  需要再次强调的是,理论物理学家最为关心的问题是如何构造出正确的数学结构,他们并不怎么关心数学方程背后的物理意义(更不用说直观性了),他们很乐意把这个问题留给别人去解决。添加一个具有某些性质的背景希格斯场确实向量子场论方程中引入了新的项,这些新的项可以被解释为与m2ϕ2有关的质量项。这一机制从数学的角度上来看是没有问题的,现在需要做的是寻找它的物理意义,我们必须做出尝试。

  添加一个背景希格斯场(无论它是什么),意味着它遍布于整个宇宙中,就像是现代版的以太(但它比麦克斯韦那些19世纪的物理学家所提出的以太要稀薄得多)。如果没有这个场存在,所有粒子(无论是物质粒子还是力粒子)都是默认的无质量的二维粒子,并且都会以光速运动。

  毫无疑问,如果真的是这样,那就不会有质量了,也不会有物质实体的产生,不会有我们今天所熟悉的宇宙,不会有星系、恒星、行星、生命,更不会有人类。而现在我们知道了希格斯场的存在,无质量粒子与希格斯场相互作用产生了一系列效应,它们获得了第三个维度(变“厚”了),速度也慢了下来。其结果就是,粒子获得了质量(m2ϕ2形式的质量项开始在方程中出现),参见图2。人们使用过各种各样的类比来“解释”这些效应,其中最流行的一种说法是,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抵抗就表现为惯性质量。这样的类比无法做到尽善尽美(希格斯自己更倾向于认为这一机制涉及一种扩散),但它们至少能够让我们有一些概念。

图2。 图(a)中,一个无质量的玻色子以光速运动,只能够“指向”两个方向,在图中显示为左/ 右(x轴)和上/ 下(y轴),它不能“指向”运动的方向;图(b)中,在与希格斯场的相互作用中,粒子获得第三个维度——前/ 后(z轴),它有了“厚度”,速度减慢,场方程中开始出现m2ϕ2 形式的质量项  图2。 图(a)中,一个无质量的玻色子以光速运动,只能够“指向”两个方向,在图中显示为左/ 右(x轴)和上/ 下(y轴),它不能“指向”运动的方向;图(b)中,在与希格斯场的相互作用中,粒子获得第三个维度——前/ 后(z轴),它有了“厚度”,速度减慢,场方程中开始出现m2ϕ2 形式的质量项

  最重要的概念与质量的“起源”有关。从古希腊原子论者开始,人们就倾向于认为质量是物质的最终组成成分,是一种与生俱来的、不可分开的“第一”性质。伽利略和牛顿改进了这一概念,但并没有从根本上改变它。一个物体的惯性质量是它阻碍加速度的量度,我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”越多,就越难加速。

  而如今,我们把一个本来没有质量的基本粒子的运动在与希格斯场的相互作用下“抵抗”运动的程度解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失了,它已经成为一种第二性质,是无质量粒子和希格斯场相互作用的结果。

  现在再回头看,我们会发现,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稳定在一个固定的值,这为打破电弱力的对称性提供了必要的前提。W粒子和Z粒子找到了可以“依附”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分离出来。

  尽管希格斯机制极具吸引力,但它并没有立即获得大家的支持。希格斯的论文在发表时甚至遇到了一些困难。1964年7月,他把这篇论文寄给了欧洲杂志《物理快报》(Physics Letters),但是编辑以不适合发表为由拒稿了。希格斯火冒三丈,但一个简单的事实是,在20世纪60年代初,量子场论因为面临问题而无人问津,而希格斯这篇论文的内容正是关于如何解决这一问题的。

  希格斯对他的论文做了一些修改,并重新提交给《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行同行评议。南部阳一郎要求希格斯就他的论文与布鲁和恩格勒刚刚在同一杂志上发表的一篇类似文章之间的关系发表评论。希格斯没有注意到布鲁和恩格勒在同一问题上做出的工作,并在补充的脚注中承认了他们的工作。他还在正文中增加了最后一段,提醒人们注意另一种可能存在的大质量玻色子,即希格斯场的量子粒子。这就是我们今天所说的希格斯玻色子。

  物理学家现在有了一种机制,但是还没有一个成熟的量子场论(当然更没有一个可以重正化的场论)。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)花了几年的时间研究强相互作用中自发对称性破缺的影响,后来他意识到自己的方法行不通。然而就在此时,他突然产生了另一个想法。

  温伯格一直以来都在尝试将希格斯机制应用于强力,试图给强力的载体赋予质量。但是他现在意识到,他一直试图应用于强力的数学结构,恰恰是解决弱力及其隐含的大质量力的载体的相关问题所需要的。他把正确的思路用在了错误的问题上——这就是弱力中大质量的力载体之谜的答案。

  但是,温伯格并没有把这种方法应用到质子和中子上(它们也会受到强力的作用),而是将其应用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)各自都曾犹豫不决地提出,质子和中子实际上都是复合粒子,它们由后来被称为夸克的物质组成。如果将希格斯机制应用到作用于质子和中子上的弱力,就意味着要将夸克也纳入讨论之中,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月发表了一篇论文,详细地阐述了一个统一的电弱理论。在这个理论中,希格斯机制的原理是这样的:在对称性被打破之前,电弱力由4种无质量粒子携带,为了方便起见,我们将它们称为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混合在一起的趋势。W0和B0混合在一起之后形成了一个大质量的Z0粒子和一个无质量的光子。我们把大质量的W+、W-和Z0粒子与弱力联系起来,把无质量的光子和电磁力联系起来。

  温伯格估算出了弱力载体大致的质量范围。他预测W粒子的质量应该是质子质量的85 倍(约800亿电子伏特,或80 GeV/c2),Z0粒子的质量应该是质子质量的96 倍(约90 GeV/c2)。

  1964年,希格斯曾提到希格斯玻色子存在的可能性,但这个粒子与任何一种力都无关。温伯格发现他有必要在自己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种基本场粒子(即4种希格斯玻色子)。这4种希格斯玻色子中的3种在相互作用中分别被W+、W-和Z0粒子“吞噬”,这一过程为它们增加了第三维,并减慢了速度。

  而第4种希格斯玻色子则以物理粒子的形式出现,它就是剩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。他在早年间研究过电弱场理论,并且很快就发现了自发对称性破缺的可能性。当他看到温伯格论文的预印本时,他发现自己和温伯格各自独立地得出了完全相同的模型,但他决定在自己能够恰当地将质子和中子纳入描述中之后再发表自己的论文。温伯格和萨拉姆都认为电弱理论是可以重正化的,但当时他们都无法对此做出证明。

  几年之后,这一点得到了证明。纯属巧合的是,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提出的场论,而且他们现在也证明了该场论可以重正化。一开始特霍夫特想将这一理论应用于强力,但是当韦尔特曼向一位同事询问其他可能应用的方向时,这位同事的回答指向了温伯格于1967年发表的那篇论文。韦尔特曼和特霍夫特意识到,他们已经建立起了一个完全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部分。它具有一个假想的“裸质量”,也就是如果将其从自身产生的电磁场中分离出来,它将具有的质量;它还具有一个“电磁质量”,这是由电子与自己的电磁场之间的相互作用产生的能量产生的,这种相互作用将电子包裹在一层虚光子中。现在我们知道,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。这些相互作用增加了第三个维度,并且使电子减速,产生了我们称之为质量的效应。

  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。温伯格已经预测了弱力载体的质量,在他做出这些预测时还没有足够大的粒子对撞机能够观测到它们。但是在随后的几年时间里,美国和欧洲核子研究组织(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,欧洲核子研究组织宣布发现了W粒子,其质量为质子的85倍,与温伯格的预测值相同。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(根据最新数据,这一数值应是97 倍)。③

  ③ 前文提到,施温格在1941年假设弱力的力粒子质量是质子的“几百倍”,如此一来,他的预测与实测值也差了几倍。

  当然,电弱理论还预测了希格斯玻色子的存在。鉴于通过希格斯机制预测的弱力载体质量如此准确,那么希格斯场(或是类似的什么东西)的存在似乎是“确信无疑的事”。然而,也有其他无须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问题。这些问题往往会播下怀疑的种子,并逐渐侵蚀理论物理学家的信心。当时还远远不能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,一切看起来都是那么完美。但是这一机制要求存在一种新的量子场,它将遍布于整个空间之中。所以,一切的问题归根结底就是:如果希格斯场真的存在,那么它的基本场粒子希格斯玻色子也应该存在。

  所以下一步当然是寻找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研究组织之间展开。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(或许在你看来强调得有些过分)希格斯玻色子所起到的基本作用,并称之为“上帝粒子”(God Particle)。

  他给出这个名字的原因有二:“第一,出版者不让我们将其命名为‘天杀的粒子’(Goddamn Particle),但是考虑到它恶毒的本性和消耗的经费,这个标题真是再恰当不过了。第二,这也与另外一本更为古老的书有关……”

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

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