问题
弱力有一奇特的属性。电磁力能够穿越很远的距离——每次打开收音机时,你便能体会到这一点——而弱力却不同,它只在极近的距离范围内对物质产生作用。两个粒子的距离只有在一亿亿分之一厘米的范围之内,才会通过弱力相互影响。
对于早期研究量子场理论和量子电动力学(QED,电磁力的量子场理论)的物理学家来说,这一有限的范围是一个谜。QED让人感觉,力似乎都应和人们已熟知的电磁力一样,可以传到离荷源任意远的距离,但为什么弱力不能在任意距离的粒子间传递,而只传递给那些附近的粒子?
结合了量子力学原理与狭义相对论原理的量子场理论规定,如果低能粒子只在短距离范围内传递力,它们必须具有质量;且粒子越重,粒子的作用范围则越小。正如第6章所讲述的,这是不确定性原理与狭义相对论的结果。不确定性原理告诉我们,需要高动量粒子来探索或影响小距离的物理过程;而狭义相对论则将动量与质量联系起来。尽管这一陈述只是讲了其性质,但量子场论却给出了这一关系的精确值。它告诉我们一个有质量的粒子会行驶多远。质量越小,行程越远。
因此,根据量子场论,弱力的微小作用范围只意味着一件事:传递弱力的规范玻色子质量一定非零。但是,前几章里我所描述的力的理论只适用于像光子等规范玻色子,它们能在远距离上传递力,并且质量为零。根据最初有关力的理论,非零质量的存在就很奇怪,而且出现了问题——当规范玻色子有质量时,理论作出的高能预言是无意义的。例如,理论预言:能量极大、有质量的规范玻色子的相互作用会过于强大——事实上,这些粒子的相互作用频率会超过100%。这一天真的理论显然是错误的。
而且,弱规范玻色子、夸克和轻子(所有这些,我们都知道是非零质量)的质量不能够维持内部对称,而内部对称,正如我们在上一章看到的,是力的理论的一个关键因素。物理学家想要构筑一个包含有质量粒子的理论,显然需要一个新的观点。
物理学家证实,要使一个理论避免作出有关高能的、有质量规范玻色子的无意义预言,唯一的办法是通过希格斯机制的程序使弱力对称自发破缺,以下就是对原因的解释。
你可能还记得,在上一章里,我们想以包含内部对称来排除规范玻色子的虚假极化的一个原因就是:没有这一对称,理论会作出同样的不合情理的预言。最简单的没有对称的理论会预言:高能的规范玻色子,无论有无质量,与其他规范玻色子作用要频繁得多。
通过禁止导致不正确预言且在自然界中不存在的极化,力的理论成功地排除了高能粒子的不良表现。虚假极化是关于高能散射问题预言的根源,因此,对称只允许保留那些实际存在并符合对称的物理极化。对称既排除了理论不存在的极化,又排除了它可能导致的不正确预言。
可能当时我并未明确说明,但所述观点只对无质量规范玻色子有效。与光子不同,规范玻色子是非零质量的,弱规范玻色子的速度没有光速快,这就给工作迎头一击。
无质量的规范玻色子在自然界中只有两种极化,而有质量的规范玻色子却有三种极化方向。有一方法可以帮助理解这一差别:无质量规范玻色子总是以光速行驶,这就告诉我们,它们永远不会静止,因此它们总能明显表现出其运动方向,你也总能将垂直极化与其他的沿其运动方向的极化区分开来,结果就是,无质量规范玻色子只存在两个垂直方向上的极化。
而有质量的规范玻色子就不同了。就如我们熟悉的所有物体一样,它们可以静止下来。但当有质量规范玻色子不运动的时候,我们就无从辨别它的运动方向。对一个静止的、有质量的规范玻色子,所有三个方向都是相同的,而如果三个方向相同,那么所有三个可能的极化方向在自然界中都将存在,而它们也确实存在。
尽管你可能觉得上面的逻辑很神秘、难以理解,但请放心,实验者们已经观察到了第三种极化的效应,并证实了它的存在。第三种极化叫做纵向极化。当一个有质量的规范玻色子运动时,纵向极化就是沿其运动方向的波的振动,例如声波的振动方向就是这样。
这种极化不存在于像光子等无质量的规范玻色子中,但是,第三极化却是像弱规范玻色子等有质量规范玻色子的一种真实的自然属性。因此,第三极化必须成为弱规范玻色子理论的一个组成部分。
因为第三极化是弱规范玻色子在高能下作用频率明显超高的根源,因此,它的存在就带来了矛盾。我们已经知道,要消除不良高能表现需要一个对称,但这一对称在排除不正确预言的同时,也排除了第三极化;而这一极化对有质量规范玻色子和对描述它的理论都是必不可少的。尽管内部对称会排除高能表现的错误预言,但其代价却是高昂的:这一对称还摒弃了质量!就如给孩子洗完澡后,将洗澡水连同孩子一起倒掉了。
乍看起来,障碍似乎不可逾越,因为有质量规范玻色子理论的要求似乎完全是自相矛盾的:一方面,上一章描述的内部对称不应保持,否则有三个极化方向的有质量规范玻色子就会被禁止;另一方面,如果没有内部对称来排除另一极化方向,当规范玻色子在高能量时,力的理论会作出不正确的预言。如果我们希望排除不良的高能表现,还是需要一个对称来排除单个有质量规范玻色子的第三极化。
解决这一明显矛盾并找到描述有质量规范玻色子的正确量子场论的关键是,要找到高能和低能的有质量规范玻色子的差别。在没有内部对称的理论里,似乎只有关于高能规范玻色子的预言才会出现问题,关于低能有质量规范玻色子的预言还是符合情理(且正确)的。
这两个事实结合在一起就暗含了一个深刻的意义:要避免有问题的高能预言,内部对称是必须的——上一章的内容仍然适用。但如果有质量规范玻色子的能量很低(相比爱因斯坦方程E=mc2与质量相关的能量),则不应再保持对称,对称应被排除。这样,规范玻色子就能具有质量,第三极化也可以参与低能量的相互作用,而质量使得作用有所不同。
1964年,彼得·希格斯等人发现了力的理论是如何通过我们刚才讲述的方式来兼容有质量的规范玻色子的:高能时保留对称;低能时排除对称。
希格斯机制依赖的基础是自发对称破缺,它打破了弱相互作用的内部对称,但这只是在低能的时候。这就保证了另一极化在低能时会出现,这也是理论所需要的。但另一极化不会参与高能过程,因此,也就不会出现不合情理的高能相互作用。
现在,我们就来探讨体现希格斯机制弱力对称自发破缺的模型。有了希格斯机制的这一典型例子,我们会看到标准模型的基本粒子是怎样获得质量的。
希格斯机制
希格斯机制包含了一个物理学家称为希格斯场的场。正如我们看到的,量子场理论的场能在空间任何位置产生粒子,每一种场都会产生它自己特定类型的粒子,如电子场是电子的源泉;同样,希格斯场就是希格斯粒子的源泉。
就如重夸克和轻子一样,希格斯粒子也很重,因而在通常的物质里找不到它们。但不同于重夸克和轻子的是,即便在高能加速器的实验里,也没人见到希格斯场产生过希格斯粒子。这并不意味着希格斯粒子不存在,而只是因为希格斯粒子太重,迄今为止,我们实验能探索的能量还不足以将它们生产出来。物理学家预计,如果希格斯粒子存在,在几年的时间里,当LHC开始运行时,我们就能将它们生成。
但我们仍然确信希格斯机制对我们的世界是有用的,因为,这是已知的使标准模型粒子具有质量的唯一方法,它也是前几节所提到问题的唯一解决办法。不幸的是,因为还没有人发现希格斯粒子,我们仍不能确切地知道希格斯场究竟是怎样的。
希格斯粒子的性质是粒子物理最热门的争论话题。这一节里,我将给出几个最简单的模型——包含不同粒子和力的可能理论——它们展示了希格斯机制是怎样发挥作用的。无论真正的希格斯场论最终会怎样,它都要履行希格斯机制——自发地打破弱力对称,给基本粒子以质量。下面这一模型就给出了一种方式。
在这一模型里,有一对场同时经受弱力。这在以后会非常有用,我们要考虑两个希格斯场,因为携带弱荷,它们必须受弱力支配。希格斯机制的术语并不很严格,“希格斯”有时同时指两个场,有时指单个场(有时还指我们渴望找到的希格斯粒子)。这里,我会将这些可能区分开来,用希格斯 1和希格斯 2来代指单个的场。
希格斯1和希格斯2都有可能生成粒子,但即使没有粒子存在,它们也可能取非零值。到现在为止,我们还没有在量子场里遇到这样的非零值。迄今为止,除了电磁场以外,我们只探讨过会产生和销毁粒子的量子场,可没有粒子时,它们的值是零。但是,就如经典电磁场一样,量子场也可以是非零值。根据希格斯机制,其中的一个希格斯场会采取非零值,这一非零值就是粒子质量的根本来源。
当一个场取非零值时,理解它的最好办法是将它想象成一个空间——呈现了场所带的电荷,却不包含任何实际粒子。你应该想到场所携带的电荷是无处不在的,因为场本身就是一个抽象的物体,而这一概念就更为抽象。但当场取非零值时,其结果却是具体的:现实世界中就存在着非零值的场所携带的电荷。
尤其是,一个非零的希格斯场产生的弱荷贯穿于整个宇宙,这就好像是一个携带弱荷的非零希格斯场将弱荷涂满了整个空间。希格斯场的非零值意味着,即便不存在任何粒子,希格斯1(或希格斯2)所携带的弱荷仍将无处不在。当其中的一个希格斯场取非零值时,真空(没有粒子存在的空间状态)本身也携带弱荷。
就如会与所有其他弱荷作用一样,弱规范玻色子也会与真空里的这些弱荷相互作用。而弥漫于真空的这些弱荷会妨碍规范玻色子在远距离上传递力,它们想穿越的距离越远,所遭遇的“喷涂”就越多(因为弱荷实际上是在三维空间弥漫,或许将它想象成是一场大雾更为恰当。)。
希格斯场所发挥的作用就好像是篇首故事里的交警,它将弱力的作用限制在很短距离之内。如果试图将弱力传递给远处的粒子,传递弱力的规范玻色子必然要遭遇希格斯场,它会挡住它们的去路,并将它们困住。就像艾克一样,他只能在自己方圆半英里的范围内自由行驶,弱规范玻色子也只能在很小的范围内无阻碍地行动,这一范围大约只有一亿亿分之一厘米。弱规范玻色子和艾克一样,都是在小范围内可以任意驰骋,到了远距离就会受到阻碍。
真空的弱荷分布非常稀薄,因此,在近距离内非零希格斯场及相关弱荷的踪迹也比较罕见。夸克、轻子和弱规范玻色子在近距离内就可以自由地行驶,就好像真空里不存在弱荷一样。因此,弱规范玻色子能在短距离内传递力,似乎两个希格斯场的值都是零。
但在远距离上,粒子行驶得较远,因而会遭遇更多的弱荷。究竟遭遇多少,要看弱荷的密度,而弱荷密度又依赖于非零希格斯场的值。远距离行驶(及弱力的传递)可由不得低能弱规范玻色子自己选择,真空的弱荷会拦住它长途旅行的去路。
关于弱规范玻色子,这正是我们需要弄明白的。量子场理论说,能在近距离内自由行驶却极少会行驶到远距离的粒子,它的质量非零。弱规范玻色子受阻的行程告诉我们,它们的表现就像是具有质量,因为有质量的规范玻色子不会行驶很远。弥漫于空间的弱荷妨碍了弱规范玻色子的行驶,使得它们的表现恰好与实验相符。
弱荷在真空里的密度大致符合间距为一亿亿分之一厘米。在这一密度里,弱规范玻色子(带电的W及中性的Z)的质量测量值大约是100GeV。
希格斯机制的成就远不止如此,它还解释了夸克和轻子的质量。夸克和轻子是标准模型里构成物质的基本粒子,它们获得质量的方式与弱规范玻色子非常相似。夸克和轻子与密布于空间的希格斯场互相作用,因此也受到了宇宙中弱荷的阻挡。与弱规范玻色子一样,因为夸克和轻子被时空中到处弥漫的希格斯弱荷弹回,从而获得了质量。如果没有希格斯场,这些粒子的质量也会是零,但非零的希格斯场和真空的弱荷再一次干涉了运动,使粒子具有了质量。希格斯机制对夸克和轻子获得质量也是必需的。
可能你会觉得,以希格斯机制来解释质量的来源太过牵强,但根据量子场论,这是规范玻色子获得质量的唯一合理方式。希格斯机制的魅力在于,它既赋予了弱规范玻色子质量,又恰巧完成了本章一开始我所提出的任务:有了希格斯机制,弱力对称似乎就能既在短距离内(根据量子力学和狭义相对论,这就等于高能量)保持,又在远距离上(等于低能量)破缺。它自发地打破了弱力对称,而这一自发破缺正是解决规范玻色子质量问题的根源。下一节,我将解释这一更高深的话题(如果愿意,你尽可以跳到下一章)。
本书评论