希格斯子闯入了死胡同

● 物理学的困顿 ●

希格斯子闯入了死胡同

刘晓霖/编译

“反物质最初仅仅是理论学家笔下的一个词，可是却没想到在宇宙射线中发现了正电子！”

 

●希格斯玻色子的发现终于在历史上将最精密的科学模型补充完整了，可这也恰恰带来了一系列的问题：希格斯的存在，使得一个显然不完整的模型趋于完整，同时，实验也无法提供一个通过改进模型来弥补它不足的线索。粒子物理学又一次亟需新一轮的翻天覆地。

 

1964年一个普通的星期二，甲壳虫乐队如风暴般风靡整个美国；同一时期，理论物理学家默里·盖尔曼(MurrayGell-Mann)也迸发出一个震惊的想法：假如构成物质的质子和中子本身是由更小的物质——夸克构成的会怎样呢？这个名称的来源很简单，因为盖尔曼喜欢这个单词的发音，读起来很像酒的计量单位——夸脱。它的拼写是取自詹姆斯·乔伊斯（JamesJoyce）的有关海鸥、性和酒店老板的小说《芬尼根守灵夜》中的一个段落。

猜想转换成现实

那个时候，物理学界正急需这种奇思异想。紧接着多达几十种奇异的新粒子在宇宙射线中毫无理由和征兆的露出了头来。盖尔曼的创新思想指出，质子、中子以及这些刚刚被发现的新贵们可以两两三三的组合构成更多的基本粒子。

这个想法对于大多数的物理学家来说太过超前了。新粒子打破了常规，它们都具有分数电荷，例如+2/3或者-1/3，同时它们又无法单独存在。为什么实际结果与这不可思议的念头符合的刚刚好呢？

为什么就应该是不呢？“每一个人都认为这些是不可能的，但或许它的存在根本无需什么有力的理由——可能它本身就是荒谬的吧！”现工作于新墨西哥州圣菲研究所的盖尔曼说。当然现在这一切已经被证实了，夸克成为了全科学界符合最棒的理论模型之一：粒子物理中的标准模型。在接下来的四十年里，标准模型展现出了它不可思议地将理论猜想转换成为牢不可破的现实的能力。去年，在欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中发现的希格斯玻色子，就是一个目前为止最新的也是最壮观的例子。

然而，这显而易见的成功还是被失败声包围着。希格斯的存在，使得一个显然不完整的模型趋于完整，同时，实验也无法提供一个通过改进模型来弥补它不足的线索。粒子物理又一次亟需新一轮的翻天覆地。

曾在1974年创造这个新词的得克萨斯大学奥斯丁分校的理论学家史蒂文·温伯格（StevenWeinberg）认为，“标准模型”本身就是一个非常保守的名字。“我不希望它变的很教条，但越来越多的讨论和实验逐渐发现它是错误的。”它的基本要点甚至可以写在一张明信片上：三个不同时期除了质量其他完全相同的六个成对排列的夸克子；六个轻子，比如电子或者中子，排列也是相似的；以及可以将自然之力在它们之间传输的少量玻色子。

关于一个不可忽视的要点就是它们都是量子粒子。量子理论起源于20世纪初，它指出原子辐射以及吸收的波长只可以在假设能量是离散的，或者说是“量子化”的情况下才解释的通。这就在最小的尺度上提出了一个十分荒谬的二次元理论——一个粒子也是一种波，反之亦然。这种让人捉摸不透的粒子-波不会规规矩矩地按照牛顿力学的经典理论运动，而是在抽象的数学空间里遵循着怪异的规则，并随着概率的分布翩翩起舞。

量子力学在20世纪20年代中期被广泛传播，但是却在接下来的验证性实验中败下阵来。到了20年代末，保罗·狄拉克（PaulDirac）等人开始了将量子力学与狭义相对论结合的工作，使得它重新恢复生机。狭义相对论其中至关重要的一步，就是解释了接近光速的粒子的运动情况。狄拉克方程的电子运动相对论性不止一个解，恰恰预示着粒子似乎像电子一样存在着，但拥有着相反的电荷。五年后，宇宙射线中的正电子闪亮登场。这就是为什么会说反物质是从理论学家的笔杆子里创造出来的了。

新粒子相继发现

量子场论作为标准模型的基础原理是这一系列逻辑最精彩的部分。提到场发射作用力就要回溯到19世纪迈克尔·法拉第（MichaelFaraday）的理论，但量子场中的数学结构却赋予它一个奇特的性质：它可以在一个中空的空间中产生粒子，又几乎同时将这个粒子摧毁。因此，根据量子电动力学理论，多亏了量子粒子的这种不知如何产生的电磁场，也就是光子的存在，才使得两个电子产生互斥现象，并且这种电磁场可以从一个电子传输给另一个。这种虚拟粒子无穷级数的波动特性转换成为经典电子或者称为“裸”电子的性质——已经得到了20世纪40年代诸多实验非常精确地验证与证实。

但是，利用量子理论解释其他的作用力则走过了一段漫长的路程。有关在放射性衰变中一个粒子转变为另外一个粒子的这种弱核作用力，即便最简单的效率计算也因为计算量的无限巨大而变的不可能。20世纪60年代，温伯格等人将电磁学视为一种在高能量比如早期宇宙中才显示出的一种电弱统一作用力，前进的道路重新明朗了起来。

正如狄拉克方程预测了反物质的存在，这个理论则预言了一些曾从未出现过粒子的存在：大量的可以发射短程弱作用力的W、Z玻色子以及希格斯玻色子。希格斯粒子的存在是为了确保当电弱统一作用力逐渐衰弱的时候，W、Z粒子可以拥有一定的质量，使得弱作用力存在于原子周围，即便光子的电磁场不再存在时，它们也可以畅游宇宙。

与此同时，这项理论的合作创始人、加州大学圣巴巴拉分校的戴维·格罗斯（DavidGross）曾表示，将原子核紧密结合在一起的强核作用力的量子场论，也从最初的“闹剧”逐渐走向胜利。盖尔曼提出的奇异量子数理论最终使得夸克受到更大的关注。该理论描述了八个胶子携带一个“有色”电荷的相互交换作用，指出当你将两个夸克分开越远时，这种作用力会变的越强。这一奇特的性质是如何实现的，格罗斯说：“它不仅解释了为什么质子看起来是由夸克组成的，又指出为什么这些夸克从未产生过质子。”

很大程度上就是这样。1973年，甲壳虫乐队解散了，伴随着则是一系列令人难以置信的理论创新，标准模型就列入其中。包括所有粒子都遵循的电弱统一理论，以及只对夸克和胶子适用的量子色动力学。这个模型不仅只是完善，而是堪称完美。方程本身具有完美的对称性刚好符合自然界中作用力的特性，同时也让物理学家知道应该如何以及在哪里寻找这些新的粒子。

很快，强子对撞机产生的一系列数据开始发挥作用，让理论学家们不寒而栗。三夸克子存在的证据被60年代末的实验所证实，70年代末美国物理学家便推测出了第四第五夸克子的存在，1995年，“最终极”第六夸克子被提出。2000年，轻子的最后一位成员——中微子也被收服。几乎在同时，德国汉堡的电子加速器也于1979年成功捕获到了胶子；接着CERN在1983年发现了W、Z玻色子。而在标准模型中被预测的希格斯子，也于去年被探测到。

对于温伯格本人而言，标准模型的凯旋有着更特殊的意义。“坐在办公桌前与这些数学思想纠缠不清，然后发现实验学家们花费几十亿元验证了这些结论……还有什么可以和这相比的呢？”这也就是为什么其他人根本没法像他一样如此开心。

令人费解的特性

出于种种原因，它们非常符合美学的要求，可为什么来自三个时代的粒子，最重的夸克子其质量是最轻的7.5万倍？标准模型的方程是完美的，但如果要让它发挥出“预示未来”的能力，就必须人工地对至少20个自由系数赋值，比如粒子质量等等。一个真正的基础理论可以借助量子理论的力量，亦或其他更深层次的理论思想，还没有人真正思考过要披荆斩棘地创新。

事实上，标准模型并没有在技术上与强作用力实现统一。电弱理论以及量子色动力学是捆绑在一起的，而不是在量子场中混搭成了弱作用力和电磁作用力——这便成为了通往万物终极理论这条艰辛道路的第一个障碍。在我们讨论重力之前，非量子的广义相对论便可以将其清晰地表述出来。然而当我们不提重力，这个作用力却又相比于其他的力明显变得如此微弱呢？这个“等级问题”就是标准模型最令人费解的特性之一。

实验也在不断暗示着目前的一切并不都是非常好的。所谓无质量的中微子实际上也是具有很小的质量的。这简直就是标准模型数学一致性上的一个污点，但也可能成为物理学中非常具有超越性的新指向。更多令人难以理解的物质仍然是有关暗物质和暗能量的，天文学家已经拼出了96%的组成成分。可标准模型在它们的身份验证上仍无法发挥出作用来。

面对这些漏洞，理论学家转向它们迄今仍然用的得心应手的解决方案：添加新粒子和对称性来弥补。但现实似乎已经玩腻了这种把戏。没有在强子对撞机发现超出预期的奇特粒子，或者哪怕只是一些暗示——即便在LHC已达到它的全束能量的情况下。温伯格解释称：“有一种可能性就是LHC只能简单地符合标准模型。”

总之，我们谁也不知道。没有来自LHC或者其他持续的实验支持，我们就会发现，我们自身可能处在希腊哲学家德谟克利特曾处于的位置——他指出物质是不能被无限切割的，然而这个思想却是在2000年后才被实验所证实。不过有一件事是值得被记住的：第一个符合他所描述的原子可不是就这样结束使命了。对于标准模型取得的所有成绩，我们确实无从知道盖尔曼的夸克子是否也可以如此成功。

[资料来源：NewScientist][责任编辑：则 鸣]

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本文作者马修·查莫斯（MatthewChalmers），英国布里斯托尔自由撰稿人。