● 物理學(xué)的困頓 ●

希格斯子闖入了死胡同

劉曉霖/編譯

“反物質(zhì)最初僅僅是理論學(xué)家筆下的一個詞,，可是卻沒想到在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了正電子！”

● 希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)終于在歷史上將最精密的科學(xué)模型補充完整了,，可這也恰恰帶來了一系列的問題：希格斯的存在,，使得一個顯然不完整的模型趨于完整，同時,，實驗也無法提供一個通過改進(jìn)模型來彌補它不足的線索,。粒子物理學(xué)又一次亟需新一輪的翻天覆地。

1964年一個普通的星期二,，甲殼蟲樂隊如風(fēng)暴般風(fēng)靡整個美國,；同一時期，理論物理學(xué)家默里·蓋爾曼(Murray Gell-Mann)也迸發(fā)出一個震驚的想法：假如構(gòu)成物質(zhì)的質(zhì)子和中子本身是由更小的物質(zhì)——夸克構(gòu)成的會怎樣呢,？這個名稱的來源很簡單,，因為蓋爾曼喜歡這個單詞的發(fā)音，讀起來很像酒的計量單位——夸脫,。它的拼寫是取自詹姆斯·喬伊斯（James Joyce）的有關(guān)海鷗,、性和酒店老板的小說《芬尼根守靈夜》中的一個段落。

猜想轉(zhuǎn)換成現(xiàn)實

那個時候,，物理學(xué)界正急需這種奇思異想,。緊接著多達(dá)幾十種奇異的新粒子在宇宙射線中毫無理由和征兆的露出了頭來。蓋爾曼的創(chuàng)新思想指出,，質(zhì)子,、中子以及這些剛剛被發(fā)現(xiàn)的新貴們可以兩兩三三的組合構(gòu)成更多的基本粒子。

這個想法對于大多數(shù)的物理學(xué)家來說太過超前了,。新粒子打破了常規(guī),，它們都具有分?jǐn)?shù)電荷，例如+2/3或者-1/3,，同時它們又無法單獨存在,。為什么實際結(jié)果與這不可思議的念頭符合的剛剛好呢？

為什么就應(yīng)該是不呢,？“每一個人都認(rèn)為這些是不可能的,，但或許它的存在根本無需什么有力的理由——可能它本身就是荒謬的吧,！”現(xiàn)工作于新墨西哥州圣菲研究所的蓋爾曼說。當(dāng)然現(xiàn)在這一切已經(jīng)被證實了,，夸克成為了全科學(xué)界符合最棒的理論模型之一：粒子物理中的標(biāo)準(zhǔn)模型,。在接下來的四十年里，標(biāo)準(zhǔn)模型展現(xiàn)出了它不可思議地將理論猜想轉(zhuǎn)換成為牢不可破的現(xiàn)實的能力,。去年,，在歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）中發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子，就是一個目前為止最新的也是最壯觀的例子,。

然而,，這顯而易見的成功還是被失敗聲包圍著。希格斯的存在,，使得一個顯然不完整的模型趨于完整,，同時，實驗也無法提供一個通過改進(jìn)模型來彌補它不足的線索,。粒子物理又一次亟需新一輪的翻天覆地,。

曾在1974年創(chuàng)造這個新詞的得克薩斯大學(xué)奧斯丁分校的理論學(xué)家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）認(rèn)為，“標(biāo)準(zhǔn)模型”本身就是一個非常保守的名字,?！拔也幌Ｍ兊暮芙虠l，但越來越多的討論和實驗逐漸發(fā)現(xiàn)它是錯誤的,?！彼幕疽c甚至可以寫在一張明信片上：三個不同時期除了質(zhì)量其他完全相同的六個成對排列的夸克子；六個輕子,，比如電子或者中子,，排列也是相似的；以及可以將自然之力在它們之間傳輸?shù)纳倭坎Ｉ印?/span>

關(guān)于一個不可忽視的要點就是它們都是量子粒子。量子理論起源于20世紀(jì)初,，它指出原子輻射以及吸收的波長只可以在假設(shè)能量是離散的，或者說是“量子化”的情況下才解釋的通,。這就在最小的尺度上提出了一個十分荒謬的二次元理論——一個粒子也是一種波,，反之亦然。這種讓人捉摸不透的粒子-波不會規(guī)規(guī)矩矩地按照牛頓力學(xué)的經(jīng)典理論運動,，而是在抽象的數(shù)學(xué)空間里遵循著怪異的規(guī)則,，并隨著概率的分布翩翩起舞。

量子力學(xué)在20世紀(jì)20年代中期被廣泛傳播,，但是卻在接下來的驗證性實驗中敗下陣來,。到了20年代末,，保羅·狄拉克（Paul Dirac）等人開始了將量子力學(xué)與狹義相對論結(jié)合的工作，使得它重新恢復(fù)生機,。狹義相對論其中至關(guān)重要的一步,，就是解釋了接近光速的粒子的運動情況。狄拉克方程的電子運動相對論性不止一個解,，恰恰預(yù)示著粒子似乎像電子一樣存在著,，但擁有著相反的電荷。五年后,，宇宙射線中的正電子閃亮登場,。這就是為什么會說反物質(zhì)是從理論學(xué)家的筆桿子里創(chuàng)造出來的了。

新粒子相繼發(fā)現(xiàn)

量子場論作為標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)原理是這一系列邏輯最精彩的部分,。提到場發(fā)射作用力就要回溯到19世紀(jì)邁克爾·法拉第（Michael Faraday）的理論,，但量子場中的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)卻賦予它一個奇特的性質(zhì)：它可以在一個中空的空間中產(chǎn)生粒子，又幾乎同時將這個粒子摧毀,。因此,，根據(jù)量子電動力學(xué)理論，多虧了量子粒子的這種不知如何產(chǎn)生的電磁場,，也就是光子的存在,，才使得兩個電子產(chǎn)生互斥現(xiàn)象，并且這種電磁場可以從一個電子傳輸給另一個,。這種虛擬粒子無窮級數(shù)的波動特性轉(zhuǎn)換成為經(jīng)典電子或者稱為“裸”電子的性質(zhì)——已經(jīng)得到了20世紀(jì)40年代諸多實驗非常精確地驗證與證實,。

但是，利用量子理論解釋其他的作用力則走過了一段漫長的路程,。有關(guān)在放射性衰變中一個粒子轉(zhuǎn)變?yōu)榱硗庖粋€粒子的這種弱核作用力,，即便最簡單的效率計算也因為計算量的無限巨大而變的不可能。20世紀(jì)60年代,，溫伯格等人將電磁學(xué)視為一種在高能量比如早期宇宙中才顯示出的一種電弱統(tǒng)一作用力,，前進(jìn)的道路重新明朗了起來。

正如狄拉克方程預(yù)測了反物質(zhì)的存在,，這個理論則預(yù)言了一些曾從未出現(xiàn)過粒子的存在：大量的可以發(fā)射短程弱作用力的W,、Z玻色子以及希格斯玻色子。希格斯粒子的存在是為了確保當(dāng)電弱統(tǒng)一作用力逐漸衰弱的時候,，W,、Z粒子可以擁有一定的質(zhì)量，使得弱作用力存在于原子周圍，即便光子的電磁場不再存在時,，它們也可以暢游宇宙,。

與此同時，這項理論的合作創(chuàng)始人,、加州大學(xué)圣巴巴拉分校的戴維·格羅斯（David Gross）曾表示,，將原子核緊密結(jié)合在一起的強核作用力的量子場論，也從最初的“鬧劇”逐漸走向勝利,。蓋爾曼提出的奇異量子數(shù)理論最終使得夸克受到更大的關(guān)注,。該理論描述了八個膠子攜帶一個“有色”電荷的相互交換作用，指出當(dāng)你將兩個夸克分開越遠(yuǎn)時,，這種作用力會變的越強,。這一奇特的性質(zhì)是如何實現(xiàn)的，格羅斯說：“它不僅解釋了為什么質(zhì)子看起來是由夸克組成的,，又指出為什么這些夸克從未產(chǎn)生過質(zhì)子,。”

很大程度上就是這樣,。1973年,，甲殼蟲樂隊解散了，伴隨著則是一系列令人難以置信的理論創(chuàng)新,，標(biāo)準(zhǔn)模型就列入其中。包括所有粒子都遵循的電弱統(tǒng)一理論,，以及只對夸克和膠子適用的量子色動力學(xué),。這個模型不僅只是完善,，而是堪稱完美,。方程本身具有完美的對稱性剛好符合自然界中作用力的特性，同時也讓物理學(xué)家知道應(yīng)該如何以及在哪里尋找這些新的粒子,。

很快,，強子對撞機產(chǎn)生的一系列數(shù)據(jù)開始發(fā)揮作用,，讓理論學(xué)家們不寒而栗。三夸克子存在的證據(jù)被60年代末的實驗所證實,，70年代末美國物理學(xué)家便推測出了第四第五夸克子的存在，1995年,，“最終極”第六夸克子被提出,。2000年，輕子的最后一位成員——中微子也被收服。幾乎在同時,，德國漢堡的電子加速器也于1979年成功捕獲到了膠子,；接著CERN在1983年發(fā)現(xiàn)了W、Z玻色子,。而在標(biāo)準(zhǔn)模型中被預(yù)測的希格斯子,，也于去年被探測到。

對于溫伯格本人而言,，標(biāo)準(zhǔn)模型的凱旋有著更特殊的意義,。“坐在辦公桌前與這些數(shù)學(xué)思想糾纏不清,，然后發(fā)現(xiàn)實驗學(xué)家們花費幾十億元驗證了這些結(jié)論……還有什么可以和這相比的呢,？”這也就是為什么其他人根本沒法像他一樣如此開心。

令人費解的特性

出于種種原因,，它們非常符合美學(xué)的要求,，可為什么來自三個時代的粒子，最重的夸克子其質(zhì)量是最輕的7.5萬倍,？標(biāo)準(zhǔn)模型的方程是完美的,，但如果要讓它發(fā)揮出“預(yù)示未來”的能力，就必須人工地對至少20個自由系數(shù)賦值,，比如粒子質(zhì)量等等,。一個真正的基礎(chǔ)理論可以借助量子理論的力量，亦或其他更深層次的理論思想,，還沒有人真正思考過要披荊斬棘地創(chuàng)新,。

事實上，標(biāo)準(zhǔn)模型并沒有在技術(shù)上與強作用力實現(xiàn)統(tǒng)一,。電弱理論以及量子色動力學(xué)是捆綁在一起的,，而不是在量子場中混搭成了弱作用力和電磁作用力——這便成為了通往萬物終極理論這條艱辛道路的第一個障礙。在我們討論重力之前,，非量子的廣義相對論便可以將其清晰地表述出來,。然而當(dāng)我們不提重力，這個作用力卻又相比于其他的力明顯變得如此微弱呢,？這個“等級問題”就是標(biāo)準(zhǔn)模型最令人費解的特性之一,。

實驗也在不斷暗示著目前的一切并不都是非常好的。所謂無質(zhì)量的中微子實際上也是具有很小的質(zhì)量的,。這簡直就是標(biāo)準(zhǔn)模型數(shù)學(xué)一致性上的一個污點,，但也可能成為物理學(xué)中非常具有超越性的新指向。更多令人難以理解的物質(zhì)仍然是有關(guān)暗物質(zhì)和暗能量的,，天文學(xué)家已經(jīng)拼出了96%的組成成分,?？蓸?biāo)準(zhǔn)模型在它們的身份驗證上仍無法發(fā)揮出作用來。

面對這些漏洞,，理論學(xué)家轉(zhuǎn)向它們迄今仍然用的得心應(yīng)手的解決方案：添加新粒子和對稱性來彌補,。但現(xiàn)實似乎已經(jīng)玩膩了這種把戲。沒有在強子對撞機發(fā)現(xiàn)超出預(yù)期的奇特粒子,，或者哪怕只是一些暗示——即便在LHC已達(dá)到它的全束能量的情況下,。溫伯格解釋稱：“有一種可能性就是LHC只能簡單地符合標(biāo)準(zhǔn)模型?！?

總之,，我們誰也不知道。沒有來自LHC或者其他持續(xù)的實驗支持,，我們就會發(fā)現(xiàn),，我們自身可能處在希臘哲學(xué)家德謨克利特曾處于的位置——他指出物質(zhì)是不能被無限切割的，然而這個思想?yún)s是在2 000年后才被實驗所證實,。不過有一件事是值得被記住的：第一個符合他所描述的原子可不是就這樣結(jié)束使命了,。對于標(biāo)準(zhǔn)模型取得的所有成績，我們確實無從知道蓋爾曼的夸克子是否也可以如此成功,。

[資料來源：New Scientist][責(zé)任編輯：則 鳴]

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本文作者馬修·查莫斯（Matthew Chalmers）,，英國布里斯托爾自由撰稿人。