我叫上帝粒子,不叫天殺的粒子
2020年05月31日09:05

  1941年,朱利安·施溫格認識到,如果設想弱力的載體是無質量的,那麼弱力的強度和作用範圍將會和電磁力相仿。這是統一這兩種大自然基本力的第一條線索,弱力和電磁力結合在一起就形成了電弱力。但是在如今這個階段,弱力和電磁力不再是統一的了——它們是兩種差異很大的基本力,有著不同的強度和範圍。這意味著弱力的載體一定發生了什麼變化,從而獲得了質量。力的載體變得很重,這大大降低了弱力的強度和範圍。但是有一種機製可以解釋這一問題,它是由好幾位理論物理學家獨立開展工作後於1964年提出的,我們今天稱之為希格斯機製。

  來源 | 返樸

  撰文 | 吉姆·巴戈特

  翻譯 | 柏江竹

  1941年,施溫格提出,假設弱力是由一種力粒子攜帶的①,其質量相當於質子質量的幾百倍,那麼它的傳播範圍將會非常有限。與無質量的光子不同,有質量粒子的運動速度非常緩慢,顯著低於光速。這種慢速運動的粒子所攜帶的力也會比電磁力弱得多。

  ①現在,我們知道其實攜帶弱力的粒子有三種,後文會提到

  施溫格意識到,如果這樣一個弱力載體的質量能夠以某種方式被“關閉”(被切換到沒有質量的狀態),那麼弱力就會具有與電磁力大小相當的傳播範圍和強度。這句話聽起來就像數字算命一樣離譜,但這也是第一次有人意識到,弱力和電磁力可以被統一為一體,即“電弱力”。

  我們可以通過這樣的思路來推理。儘管電磁力和弱力看起來差異頗大,但它們可以以某種奇怪的方式表現為相同的“電弱力”。它們之所以看起來相差很大,主要是因為弱力的載體身上發生了這樣一件事:與光子不同,這種粒子以某種方式變成了“三維”的,它們的速度低於光速,並且擁有大量的質量。這限製了弱力的範圍,並且使其強度遠遠低於電磁力。②

  ②在質子和中子所處的飛米尺度上,弱力的強度大約只有電磁力的1000萬分之一。

  我們可以換一個角度來看這個問題。如果我們把時間倒回到宇宙大爆炸剛剛發生的時候,在這時週遭環境的能量和溫度之下,自然界中的所有力(也包括由時空中的質能施加的引力在內)被認為是融為一體、難以區分的。引力首先分離出去,隨後是強力。而在大爆炸發生之後大約一萬億分之一秒時,電弱力分裂成兩種不同的力——弱力和電磁力。這樣,四大基本作用力就齊全了。關鍵問題是,弱力的載體身上發生了什麼,讓它變得這麼重?或者說,是什麼在大爆炸發生之後大約一萬億分之一秒時導致了電弱力的分裂?

  施溫格在哈佛的研究生謝爾登·格拉肖(Sheldon Glashow)承擔起瞭解答這一問題的任務。格拉肖基於SU(2)對稱群(像楊振寧和米爾斯一樣)發展了一種弱相互作用的量子場論。在這一理論中,弱力由三種粒子攜帶[前文提到,與SU(n)結構相關的力的載體有(n2 -1)種],其中兩種粒子帶電,現在被我們稱為W+和W-,還有一種不帶電,被稱為Z0。

  但是格拉肖現在遇到了和楊振寧和米爾斯一樣的問題,這一量子場論認為的W粒子和Z粒子都是無質量的,就像光子一樣。如果試圖通過“手動”增加質量來憑空捏造一些方程,那麼這一理論就無法重正化。

  所以又是一樣的問題,我們明知道弱力的載體一定是有質量的粒子,但是從理論推出的結果是無質量的。弱力載體的質量究竟從何而來呢?謎底在1964年至1971年的這7年間被逐漸揭開,答案與自發對稱性破缺有關。

  這個名字聽起來挺宏大,但它其實是一種我們非常熟悉的日常現象。想像一下如果有人把玻璃瓶中水結冰的過程拍成一段延時攝影,我們會看到什麼樣的情景呢?在某個時刻,我們會看到第一批冰晶的形成,然後這些冰晶慢慢地擴展開來,直到整瓶水都變成冰。

  液體中的水分子有一定的對稱性,它們從不同的方向(上、下、左、右、前、後)上看起來都大致相似,都在構成液體的鬆散網絡中隨機運動,如圖1(a)所示。但是冰是一種晶格,一種由六角形原子環平鋪(或稱“鑲嵌”)而成的規則陣列。從不同方向上觀察這一結構,會看到不同的情景:如果從左邊或者從右邊觀察,我們可以看到一條由晶格結構形成的“走廊”,但往上看的話會看到一個“天花板”,往下看也會看到“地板”,如圖1(b)所示。

圖1 液態水的結構是由相鄰分子間的短程力控製的,但是在不同的方向上看起來並無不同,如圖(a)所示;但冰是一種晶體結構,水分子排列成六邊形,如圖(b)所示,因此與液體相比,冰的整體對稱性較低
圖1 液態水的結構是由相鄰分子間的短程力控製的,但是在不同的方向上看起來並無不同,如圖(a)所示;但冰是一種晶體結構,水分子排列成六邊形,如圖(b)所示,因此與液體相比,冰的整體對稱性較低

  儘管晶體是一種更有規則、重復出現的結構,但在三維空間中,固態水分子的組織方式並不像液態水中那樣對稱——我們從不同的方向觀察會得到不同的結果。因此,將水凍結的過程“打破”了液體較高的對稱性。

  不過剛剛解釋的只是自發對稱性破缺是什麼,而不是它發生的機製,現在我們要回過頭來把剛剛那段延時攝影再仔細地看一遍。我們看到第一個冰晶在整瓶水中的某處(看起來是相當隨機的一處)形成的,最大的可能是在內壁的周圍,但這是為什麼呢?我們可以看到,一旦有第一個冰晶形成,那麼接下來就會有更多的晶體就會包裹上來,形成一個“核心”,並繼續擴展,直到整個瓶子結滿了冰。所以我們要換一個思路提出問題:是什麼導致了第一個冰晶凝結成核?

  這裏有一條線索。讓我們用超純水來重複這個實驗,同時確保玻璃瓶的內壁非常光滑。現在慢慢地使玻璃瓶冷卻下來,我們會發現,即使水的溫度已經降低到冰點以下,還是沒有形成任何冰晶。這樣的水被稱為過冷水。答案找到了,之前的那個玻璃瓶中之所以會有冰晶凝結成核,是由於水中含有雜質或是玻璃瓶內壁不均勻,所以在第二次實驗中去除了水中的雜質以及內壁的不均勻性之後,就不會再形成冰晶。

  我們得出的結論是,晶體需要“依附”在某些東西上才能完成結冰的過程。我們需要添加一些東西(即上述例子中的雜質和不均勻性)才能促使自發對稱性破缺的發生。

  這對解釋量子場論遇到的問題有什麼意義呢?其實,楊振寧和米爾斯以及格拉肖提出的SU(2)量子場論就像是一個裝著超純水的非常光滑的玻璃瓶,物理學家意識到,要打破對稱性,就需要在量子場的“背景環境”中添加某種東西,這是一種原本缺失的成分。

  從某種意義上來說,他們需要找到某種東西,可以讓量子場中無質量的力的載體“依附”其上。這種成分需要能打破對稱性,使各種作用力之間產生區別。現在也沒什麼多餘的選擇了,他們只好又引入了另外一種全新的量子場。

  這一想法起源於20世紀60年代初,與超導材料的特性有關。美籍日裔物理學家南部陽一郎認識到,自發對稱性破缺可以導致具有質量的粒子的產生。

  物理學家花了幾年的時間才最終得出一種詳盡的機製。南部陽一郎和英國理論物理學家傑弗里·戈德斯通(Jeffrey Goldstone)的論文以及美國物理學家菲利普·安德森(Philip Anderson)的評論中都對此有所提及。1964年,美國物理學家羅伯特·布魯(Robert Brout)和比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)、英國愛丁堡大學物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)、美國物理學家傑拉爾德·古拉爾尼克(Gerald Guralnik)以及卡爾·哈根(Carl Hagen)和英國倫敦帝國理工學院物理學家湯姆·基布爾(Tom Kibble)這三組科學家分別獨立地發表了一系列論文,詳細地闡述了這一機製。從1972年開始,這一機製開始被人們普遍稱為希格斯機製,新的量子場則被稱為希格斯場。

  需要再次強調的是,理論物理學家最為關心的問題是如何構造出正確的數學結構,他們並不怎麼關心數學方程背後的物理意義(更不用說直觀性了),他們很樂意把這個問題留給別人去解決。添加一個具有某些性質的背景希格斯場確實向量子場論方程中引入了新的項,這些新的項可以被解釋為與m2ϕ2有關的質量項。這一機製從數學的角度上來看是沒有問題的,現在需要做的是尋找它的物理意義,我們必須做出嚐試。

  添加一個背景希格斯場(無論它是什麼),意味著它遍佈於整個宇宙中,就像是現代版的以太(但它比麥克斯韋那些19世紀的物理學家所提出的以太要稀薄得多)。如果沒有這個場存在,所有粒子(無論是物質粒子還是力粒子)都是預設的無質量的二維粒子,並且都會以光速運動。

  毫無疑問,如果真的是這樣,那就不會有質量了,也不會有物質實體的產生,不會有我們今天所熟悉的宇宙,不會有星系、恒星、行星、生命,更不會有人類。而現在我們知道了希格斯場的存在,無質量粒子與希格斯場相互作用產生了一系列效應,它們獲得了第三個維度(變“厚”了),速度也慢了下來。其結果就是,粒子獲得了質量(m2ϕ2形式的質量項開始在方程中出現),參見圖2。人們使用過各種各樣的類比來“解釋”這些效應,其中最流行的一種說法是,希格斯場就像是一團黏稠的糖漿,它會拖拽著粒子使其減速,而粒子對於加速度的抵抗就表現為慣性質量。這樣的類比無法做到盡善盡美(希格斯自己更傾向於認為這一機製涉及一種擴散),但它們至少能夠讓我們有一些概念。

圖2。 圖(a)中,一個無質量的玻色子以光速運動,只能夠“指向”兩個方向,在圖中顯示為左/ 右(x軸)和上/ 下(y軸),它不能“指向”運動的方向;圖(b)中,在與希格斯場的相互作用中,粒子獲得第三個維度——前/ 後(z軸),它有了“厚度”,速度減慢,場方程中開始出現m2ϕ2 形式的質量項
圖2。 圖(a)中,一個無質量的玻色子以光速運動,只能夠“指向”兩個方向,在圖中顯示為左/ 右(x軸)和上/ 下(y軸),它不能“指向”運動的方向;圖(b)中,在與希格斯場的相互作用中,粒子獲得第三個維度——前/ 後(z軸),它有了“厚度”,速度減慢,場方程中開始出現m2ϕ2 形式的質量項

  最重要的概念與質量的“起源”有關。從古希臘原子論者開始,人們就傾向於認為質量是物質的最終組成成分,是一種與生俱來的、不可分開的“第一”性質。伽利略和牛頓改進了這一概念,但並沒有從根本上改變它。一個物體的慣性質量是它阻礙加速度的量度,我們本能地把慣性質量等同於這個物體所擁有的物質的量,它包含的“東西”越多,就越難加速。

  而如今,我們把一個本來沒有質量的基本粒子的運動在與希格斯場的相互作用下“抵抗”運動的程度解釋為粒子的慣性質量,質量的概念在一堆數學推導的過程中消失了,它已經成為一種第二性質,是無質量粒子和希格斯場相互作用的結果。

  現在再回頭看,我們會發現,在大爆炸發生後的一萬億分之一秒,宇宙的溫度已經冷卻到足以讓希格斯場穩定在一個固定的值,這為打破電弱力的對稱性提供了必要的前提。W粒子和Z粒子找到了可以“依附”的東西,它們獲得了第三個維度,獲得了質量,於是弱力從電磁力中分離出來。

  儘管希格斯機製極具吸引力,但它並沒有立即獲得大家的支援。希格斯的論文在發表時甚至遇到了一些困難。1964年7月,他把這篇論文寄給了歐洲雜誌《物理快報》(Physics Letters),但是編輯以不適合發表為由拒稿了。希格斯火冒三丈,但一個簡單的事實是,在20世紀60年代初,量子場論因為面臨問題而無人問津,而希格斯這篇論文的內容正是關於如何解決這一問題的。

  希格斯對他的論文做了一些修改,並重新提交給《物理評論快報》(Physical Review Letters)雜誌,這篇論文被送到南部陽一郎那裡進行同行評議。南部陽一郎要求希格斯就他的論文與布魯和恩格勒剛剛在同一雜誌上發表的一篇類似文章之間的關係發表評論。希格斯沒有注意到布魯和恩格勒在同一問題上做出的工作,並在補充的腳註中承認了他們的工作。他還在正文中增加了最後一段,提醒人們注意另一種可能存在的大質量玻色子,即希格斯場的量子粒子。這就是我們今天所說的希格斯玻色子。

  物理學家現在有了一種機製,但是還沒有一個成熟的量子場論(當然更沒有一個可以重正化的場論)。不過僅僅3年之後,他們就邁出了下一步。史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)花了幾年的時間研究強相互作用中自發對稱性破缺的影響,後來他意識到自己的方法行不通。然而就在此時,他突然產生了另一個想法。

  溫伯格一直以來都在嚐試將希格斯機製應用於強力,試圖給強力的載體賦予質量。但是他現在意識到,他一直試圖應用於強力的數學結構,恰恰是解決弱力及其隱含的大質量力的載體的相關問題所需要的。他把正確的思路用在了錯誤的問題上——這就是弱力中大質量的力載體之謎的答案。

  但是,溫伯格並沒有把這種方法應用到質子和中子上(它們也會受到強力的作用),而是將其應用於諸如電子和中微子這一類不受強力影響的粒子上。溫伯格後來坦承了如此選擇的理由。幾年前,默里·蓋爾曼和喬治·茨威格(George Zweig)各自都曾猶豫不決地提出,質子和中子實際上都是復合粒子,它們由後來被稱為夸克的物質組成。如果將希格斯機製應用到作用於質子和中子上的弱力,就意味著要將夸克也納入討論之中,但是溫伯格根本不確定夸克是否真的存在。

  溫伯格於1967 年11月發表了一篇論文,詳細地闡述了一個統一的電弱理論。在這個理論中,希格斯機製的原理是這樣的:在對稱性被打破之前,電弱力由4種無質量粒子攜帶,為了方便起見,我們將它們稱為W+、W0、W-和B0粒子。與背景希格斯場的相互作用使得W+和W-粒子獲得了第三維,從而減速,並獲得質量。

  W0和B0粒子也獲得了質量,但在量子力學中,電中性粒子都有形成疊加態並混合在一起的趨勢。W0和B0混合在一起之後形成了一個大質量的Z0粒子和一個無質量的光子。我們把大質量的W+、W-和Z0粒子與弱力聯繫起來,把無質量的光子和電磁力聯繫起來。

  溫伯格估算出了弱力載體大致的質量範圍。他預測W粒子的質量應該是質子質量的85 倍(約800億電子伏特,或80 GeV/c2),Z0粒子的質量應該是質子質量的96 倍(約90 GeV/c2)。

  1964年,希格斯曾提到希格斯玻色子存在的可能性,但這個粒子與任何一種力都無關。溫伯格發現他有必要在自己的電弱理論中引入一個有4個份量的希格斯場,這就意味著有4種基本場粒子(即4種希格斯玻色子)。這4種希格斯玻色子中的3種在相互作用中分別被W+、W-和Z0粒子“吞噬”,這一過程為它們增加了第三維,並減慢了速度。

  而第4種希格斯玻色子則以物理粒子的形式出現,它就是剩餘下來的希格斯玻色子。

  在英國,阿卜杜勒·薩拉姆(Abdus Salam)經湯姆·基布爾的介紹接觸到了希格斯機製。他在早年間研究過電弱場理論,並且很快就發現了自發對稱性破缺的可能性。當他看到溫伯格論文的預印本時,他發現自己和溫伯格各自獨立地得出了完全相同的模型,但他決定在自己能夠恰當地將質子和中子納入描述中之後再發表自己的論文。溫伯格和薩拉姆都認為電弱理論是可以重正化的,但當時他們都無法對此做出證明。

  幾年之後,這一點得到了證明。純屬巧合的是,1971年,荷蘭理論物理學家馬丁努斯·韋爾特曼(Martinus Veltman)和赫拉德·特霍夫特(Gerard’t Hooft)重新推導出了由溫伯格首次提出的場論,而且他們現在也證明了該場論可以重正化。一開始特霍夫特想將這一理論應用於強力,但是當韋爾特曼向一位同事詢問其他可能應用的方向時,這位同事的回答指向了溫伯格於1967年發表的那篇論文。韋爾特曼和特霍夫特意識到,他們已經建立起了一個完全可重正化的電弱相互作用量子場論。

  這對電子來說意味著什麼?回顧一下此前的內容,質量重正化意味著電子的質量分成兩部分。它具有一個假想的“裸質量”,也就是如果將其從自身產生的電磁場中分離出來,它將具有的質量;它還具有一個“電磁質量”,這是由電子與自己的電磁場之間的相互作用產生的能量產生的,這種相互作用將電子包裹在一層虛光子中。現在我們知道,就連“裸質量”都不是電子的固有性質,它來源於電子和希格斯場的相互作用。這些相互作用增加了第三個維度,並且使電子減速,產生了我們稱之為質量的效應。

  幾年之後,高能粒子實驗物理學的發展終於追上了理論物理學家的步伐。溫伯格已經預測了弱力載體的質量,在他做出這些預測時還沒有足夠大的粒子對撞機能夠觀測到它們。但是在隨後的幾年時間里,美國和歐洲核子研究組織(位於瑞士日內瓦附近)都建造了新一代的粒子對撞機。1983 年1月,歐洲核子研究組織宣佈發現了W粒子,其質量為質子的85倍,與溫伯格的預測值相同。隨後,在同年的6 月,Z0粒子也被發現了,其質量大約是質子的101倍(根據最新數據,這一數值應是97 倍)。③

  ③ 前文提到,施溫格在1941年假設弱力的力粒子質量是質子的“幾百倍”,如此一來,他的預測與實測值也差了幾倍。

  當然,電弱理論還預測了希格斯玻色子的存在。鑒於通過希格斯機製預測的弱力載體質量如此準確,那麼希格斯場(或是類似的什麼東西)的存在似乎是“確信無疑的事”。然而,也有其他無須借助希格斯場的對稱性破缺理論,並且電弱理論也存在著一些難以解決的問題。這些問題往往會播下懷疑的種子,並逐漸侵蝕理論物理學家的信心。當時還遠遠不能說希格斯機製已被證實。

  希格斯機製自然而然地嵌入電弱理論中,並使之重正化,一切看起來都是那麼完美。但是這一機製要求存在一種新的量子場,它將遍佈於整個空間之中。所以,一切的問題歸根結底就是:如果希格斯場真的存在,那麼它的基本場粒子希格斯玻色子也應該存在。

  所以下一步當然是尋找希格斯玻色子存在的證據,一場競賽就此在芝加哥的費米實驗室和日內瓦的歐洲核子研究組織之間展開。在1993年出版的一本書中,美國粒子物理學家利昂·萊德曼強調了(或許在你看來強調得有些過分)希格斯玻色子所起到的基本作用,並稱之為“上帝粒子”(God Particle)。

  他給出這個名字的原因有二:“第一,出版者不讓我們將其命名為‘天殺的粒子’(Goddamn Particle),但是考慮到它惡毒的本性和消耗的經費,這個標題真是再恰當不過了。第二,這也與另外一本更為古老的書有關……”

  本文經授權摘選自《物質是什麼》(中信集團出版社鸚鵡螺工作室2020年5月版)一書。

關注我們Facebook專頁
    相關新聞
      更多瀏覽