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物理学的困顿:希格斯粒子撞到死胡同?  

来自惊鸿岂止一现   2013-07-16 16:54:26|  分类: 物理百科 |举报 |字号 订阅

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物理学的困顿:希格斯粒子撞到死胡同?







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物理学的困顿:希格斯粒子撞到死胡同?



物理学的困顿:希格斯粒子撞到死胡同?
  


 

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

(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。

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。

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?

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。

这明显是一场名动四方的胜利,盛极而衰的窃窃私语却如影随行。有了希格斯粒子,标准模型缺失的一环得以补完,但这个羽翼已丰的模型仍有瑕疵,实验上却已无力再发现新的线索来弥补这些不足。历史循回,粒子物理学再一次亟待全新思想的拯救。

标准模型之路

美国得克萨斯大学奥斯汀分校的理论物理学家史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)说,“标准模型”这个名字是经过深思熟虑的委婉之辞。正是他在1974年创造出了这个术语。“我当时没想把它变成一种教条,而是想把它当成一个交流和实验的基础,以此引导我们做出发现,反过来证明它是错的。”标准模型的要义只用一张明信片就能写完:6种夸克两两成对,构成完全相同仅有质量差异的3“代”;6种轻子(lepton),比如电子和中微子,也像这样构成3代;屈指可数的几种玻色子,传递着自然界的基本作用力,穿梭于这些轻子和夸克之间。

 

标准模型中的许多粒子,在实验发现之前就已经被理论所预言。2012年宣布发现的希格斯玻色子,为这一模型填上了最后一块空白。图片来源:《新科学家》

所有这些实体本质上都是量子粒子。量子理论是从20世纪初的一些惊人发现中成长起来的。那些发现向我们证明,原子发射和吸收辐射之所以具有那样的波长,只能通过假设能量被打包成不连续的小份才能加以解释。这个假设进而又推导出了古怪的二象性:在最小的尺度上,粒子是波,波亦为粒子。这些含混不清的波动-粒子运动起来并不遵从经典的牛顿力学,而是在抽象数学空间中奇异规则的指引下跳着概率之舞。

到了20世纪20年代中期,量子力学已经大体成型,而且通过了当时所有实验的检验。但就在上世纪20年代末,保罗·狄拉克(Paul Dirac)和其他一些物理学家,开始将量子力学与爱因斯坦的狭义相对论关联起来。接下来,事情就如获得生命一般蓬勃发展起来。狄拉克针对电子写下的相对论性方程,拥有不止一个解,似乎预言了一种新的粒子,与电子相同只是电荷相反。5年后,正电子果然在宇宙线中被人发现。反物质就这样,在理论物理学家的笔尖下被“发明”了出来。

量子场论,作为标准模型的理论基础,正是上述逻辑的集大成者。用场来传递作用力,这个想法可以追溯到19世纪的迈克尔·法拉第(Michael Faraday)那里,但量子场论的数学结构给这些场赋予了一个古怪的性质:它们可以从空无一物的空间中随意创造出粒子,然后又将这些粒子湮没于无形。因此,根据量子电动力学,两个电子之所以相互排斥,是因为一个光子(电磁场的量子粒子)——这个光子从无中生有,从一个电子传向另一个电子。无数这样的“虚”粒子涨落,会轻微改变经典电子或者说“裸”电子的性质。自上世纪40年代以来,这种改变已经被很多实验反复证实过了,精度令人瞠目结舌。

不过,量子论驯服其他几种基本力,还是颇费了一番功夫的。弱核力,可以让一种粒子自发衰变成另一种粒子,但在量子论中,它在很长一段时间内都被难以驾驭的无穷大所困扰,除了最简单的一些效应,其他计算都陷入无望。直到上世纪60年代,温伯格等人才找到了出路,一举将弱核力和电磁力统一成弱电力,只在能量极高的环境下才会现身,比如早期宇宙之中。

正如狄拉克方程预言了反物质一样,这个理论也预言了一些此前从未被人发现的粒子,包括:大质量的W和Z玻色子,用来传递今天已经从弱电力中分离出来的短程弱核力;还有就是希格斯玻色子。必须要有希格斯玻色子,才能确保W和Z玻色子在统一的弱电力拆分成电磁力和弱核力的所谓“破缺”过程中获得质量,从而将弱核力限制在原子尺度之内。传递电磁力的光子则不会获得质量,让它们得以在宇宙中光速驰骋。

与此同时,用美国加利福尼亚大学圣巴巴拉分校戴维·格罗斯(David Gross)的话来说,强核力的量子场论正在上演一出“咸鱼翻身”的好戏。强核力是将核子束缚在原子核内的作用力,格罗斯则是用量子场论描述这种作用力的开创者之一。最终,量子色动力学(这个词也是盖尔曼创造出来的)让夸克实至名归,将夸克之间的相互作用描述为它们在不断交换8种携带“色荷”的胶子。量子色动力学还证明,为什么强核力会表现出绝无仅有的特性:两个夸克间距越远,这种作用力就越强。格罗斯说:“它不但能够解释为什么质子看上去像是由夸克构成的,还能解释为什么无法将这些夸克从质子中拉出来。”

这些基本上就是标准模型的全部身世了。到了1973年,披头士乐队已经解散,而伴随着这一连串动人心魄的理论发明,标准模型终告确立——其中包括所有粒子都要遵从的弱电统一理论,以及仅仅约束着夸克和胶子的量子色动力学。标准模型不仅睿智,而且美丽。它的方程拥有如此有力的对称性,不仅阐明了自然界中各种作用力的本质,还告诉物理学家可以到哪里去寻找什么样的新粒子。

果然,代表着新粒子的一个个能量峰,很快就从粒子对撞机的数据中相继现身——伴随而至的,还有理论物理学家内心的狂喜。前3种夸克存在的确凿证据早在上世纪60年代末就已在实验中得到确定,但直到上世纪70年代末,美国的实验物理学家才推测出第4种和第5种夸克的存在,最终在1995年,第6种夸克——顶夸克才在实验中现身。到了2000年,τ中微子,标准模型预言的最后一种轻子,也被收入囊中。在这场逐鹿战的另一端,胶子于1979年在德国汉堡郊外的DESY实验室被捕;W和Z玻色子则于1983年在CERN就擒。最终,到了2012年,标准模型预言的最后一种粒子——希格斯玻色子,也被宣告发现。

 

史蒂文·温伯格,美国物理学家,因提出弱电统一理论而获得1979年度诺贝尔物理学奖。“标准模型”这个名字就是温伯格起的。图片来源:daylife.com

粒子物理前路茫茫

在温伯格看来,标准模型的连连胜绩是一件相当特殊的事情。“你在纸上用一些数学构想来打发时间,然后发现,在花了几十亿美元之后,实验物理学家证实了这些想法……这样的事情确实无可比拟。”既然如此,为什么包括他在内的一些理论物理学家,对此难展笑颜呢?

原因很多。有些涉及美学。比如说,为什么粒子非得分成3代,质量最重的夸克却比最轻的夸克重了75000倍之多?标准模型在方程上或许非常优雅,但要发挥它们的预言能力,你必须手动设定20多个可以调节的“自由”参数,比如粒子质量。一个真正基本的理论,应该借助量子理论的力量,或者某种现在还没有人想过的更深层次的理论,来刈除这些恼人的参数。

另一个事实是,从技术上讲,标准模型并没有统一强核力。弱电理论和量子色动力学只是被打包在一起,没有像弱核力和电磁力那样在量子场论的层次上实现统一 ——这也是通向最终的万物至理之路上第一个必须要跨过的障碍。这还没算上引力。到现在为止,引力还是用广义相对论来描述的,而广义相对论显然与量子不合。既然谈到了引力,为什么跟其他作用力相比,它的强度会奇弱无比?(两个质子之间的电磁力,强度是质子间引力的1038倍。)这个所谓的“等级问题”(hierarchy problem),是标准模型最让人困惑的特征之一。

实验中也有一些迹象表明,标准模型并非尽善尽美。理论上推测应该没有质量的中微子,实际上却具有很小的质量。这是标准模型数学自洽性上的一个污点,或许会是指向新物理学的第一个路标。还有更神秘的暗物质和暗能量,天文学家认为宇宙的几乎96%的成分都由它们构成(参见《物理学的困顿:宇宙学心脏上的黑暗虚空》一文)。标准模型对它们的身份依然守口如瓶。

面对这些沟壑,理论物理学家又开始向老办法求助:用新的粒子和新的对称性来填补它们。这种老办法过去一直都行之有效,但这一回,现实似乎不愿意再奉陪下去了。没有一台粒子对撞机找到意料之外奇异粒子的任何迹象——就连大型强子对撞机都毫无建树,尽管它还没有达到最高能量运行的状态。温伯格认为:“很有可能大型强子对撞机最终只是简单地验证了标准模型而已。”

接下来呢?简而言之,我们不知道。如果无法从大型强子对撞机或其他实验中得到进一步的指引,我们会发现自己跟古希腊哲人德谟克利特(Democritus)的处境差不多——当年他论证说物质并非无限可分,这个观点要到2000多年以后才被实验证实。而且请记住,第一个符合德谟克利特描述的“原子”并不是这个故事的结局。尽管标准模型取得了如此成功,但是对于盖尔曼的夸克会不会遭遇同样的命运,我们还远远无法预知。

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