第10章 基本粒子的质量来源:自发对称破缺和希格斯机制
某一天早晨,锁链终将会打破。
更严格的限速法令使得远距离开车成了艾克的恶梦,他多么渴望能够随心所欲地放开速度行驶啊,可是几乎每跑半英里他就会被警察逮到。对那些常见的、大众化的车,警察是从不愿费心去管的,他们只会骚扰像他这种开着鲜亮的、涡轮发动机车的人。
为了表示顺从,艾克只开很短的距离,因为这样,他就可以完全避开警察了。在离他出发点方圆半英里的区域内,警察从不干涉,而他就能肆意地开快了。尽管出了他周围的社区,没人见识过保时捷的风驰电擎,但在他家周围,那可是有目共睹的。
对称非常重要,但宇宙通常并不能呈现完美的对称,稍微有点不完美的对称使世界更为有趣(且更有条理)。对我来说,物理研究最有趣的一面就是寻找一些联系,让对称在一个不对称的世界里变得有意义起来。
当对称并不完美时,物理学家称其为对称破缺。尽管对称破缺常常很有趣,但从审美角度来看,它可能不那么吸引人:它可能会损失(或降低)系统或理论潜在的美感和经济。泰姬陵那么讲究对称,它的对称也并非绝对完美:原计划在对面要再建造一座陵墓,以保持一个完美的四面旋转对称,但建造者的后人因为节俭还是放弃了这一计划,而是在原来的基础上加了一个偏离中心的陵墓,这就稍稍损失了其本来应有的美感。
但幸运的是,对于颇具审美情趣的物理学家来说,对称破缺甚至比绝对的对称还要完美和有趣。绝对对称往往是枯燥的,如果蒙娜丽莎展现的是一个对称的微笑,那肯定不会有现在的效果。
在物理中,就如在艺术中一样,简洁并不一定是终极目标。现实生活和世界很少是完美的,你能说出的所有对称几乎都是残缺的。尽管物理学家非常看重和崇尚对称,我们仍不得不在对称的理论和不对称的世界间寻找一种联系。虽然最好的理论崇尚对称理论的典雅,但同时也会兼容必要的对称破缺,以作出符合我们现实世界现象的预言。我们的目的是让理论更为丰富,有时甚至更为完美,而不致损害其原本的优雅。
希格斯机制的概念,就是这样一个成熟的、优雅的理论观点,它所依赖的现象正是自发性对称破缺(这是我们下节讨论的内容)。苏格兰物理学家彼得·希格斯提出的这一机制,使标准模型的粒子——夸克、轻子和弱规范玻色子获得了质量。
如果没有希格斯机制,则所有的基本粒子都不能具有质量;而粒子具有质量的标准模型,如果没有希格斯机制,在高能领域就会作出不合情理的预言。希格斯机制的神奇之处就在于,它既然让你得到了蛋糕,就可以让你享用它:粒子获得了质量,但在高能情况下,当有质量的粒子遇到问题时,它们的表现又像是没有质量一样。我们会看到,希格斯机制既允许粒子具有质量,又使它们能够在有限的范围内自由行驶,就像艾克的车一样,超出半英里他会被警察拦住,但在有限的距离内,他可以自由驰骋。这就解决了高能问题。
尽管希格斯机制是量子力学最完善的观点之一,给出了所有基本粒子质量的基础,但它还是有点抽象。由于这一原因,除了专家,大多数人对它并不了解。但即使不明白希格斯机制的细节,也不会影响你理解我后面讨论的观点(如果愿意,你可以跳到后面的“探索大揭密”部分),但本章确实给我们深入理解粒子物理和支撑当今粒子物理理论发展的思想(如自发对称破缺)提供了一个机会。作为一个额外收获,对希格斯机制的更多了解还会让你知道一个关于电磁场的神奇见解,这是在20世纪60年代,人们正确理解了弱力和希格斯机制后才发现的。以后,当我们探索额外维度模型时,对于希格斯机制的理解会让那些新近观点的潜在优势变得有意义起来。
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