宇宙的精灵 #21.6

 

六

弱力玻色子为什么不能没有质量？信使粒子是服从不确定性原理的虚粒子，能量必须在与之共轭的不确定时间内归还。信使粒子的作用范围与存活时间成正比，由△t≈h/△E的关系式我们知道，虚粒子的存活时间与它的能量（质量）成反比。比如光子没有静止质量，能量几乎为0，因此时间几乎任意长，作用范围任意大，这就决定了电磁作用是一种长程力。弱力怎么就不能跟电磁力一样是长程力呢？如是将是一部最恐怖的恐怖片！弱力的效应是β衰变，一种元素变为另一种元素。弱力是长程力，将意味着世界将失去稳定性，所有物质瞬息万变，别的不说，你体内时时刻刻发生的β衰变所产生的β射线就决不会让你看到明天的太阳。幸运的是，弱力是一种短程力，弱力玻色子能存活的时间使它们只有很小的概率能引力β衰变，像隧穿效应一样。逻辑上，弱力玻色子就应有一个足够大的△E。格拉肖的模型优美而自洽，理论上无懈可击，可就是与实验结果不符。格拉肖自己也很困惑：“为什么只有光子无质量？”

1950年代后是量子力学发展充满着蓬勃生机的年代，物理学家有的眼睛向上，构建越来越抽象的理论模型，另一部分眼睛向下，把理论转化功能神奇的技术，比如半导体、激光和超导。在超导研究中发现一个很奇怪的现象：把超导体放在一个磁场中，超导体自身会产生一个磁场，这个磁场能够精确的把外加磁场抵消掉或说屏蔽掉，超导体自身成了外加磁场水泼不进针插不入的独立王国，所以一块磁铁会浮悬在超导体的上面，悬浮高速列车运用的就是这个原理。科学家相信，只有量子力学才能解释这个现象。1956年，一位26岁的美国物理学家里昂·库珀提出了“库珀对”模型，简略地说：在超导的特殊环境下，本该相斥的两个电子可以结成一个库珀对，由于两个电子运动方向是相反的，因此净动量精确为0。在量子力学中，不确定稀疏平常，一确定就肯定有事。按不确定性原理，动量完全确定，位置就完全不确定，库珀对理论上会占据所有的空间，估计实际上一个库珀对占据的空间是一个原子占据空间的几千倍！正是这种空间占有能力奇强的库珀对场，把外加磁场屏蔽掉了。

库珀对是由两个自旋1/2的电子组成的，总自旋为1，效应上相当一个玻色子，所以库珀对场是一个玻色子场。屏蔽外加磁场是什么意思？电磁场不过是由无数光子以光速运动编织成的大网，在电磁场中光子身轻如燕，我们不可能把自己加速到与光子等速的相对静止位置，在这个位置上测量光子的质量，所以我们说光子无静止质量。记住喽，现代科学的一个基本态度：千万不要站在的角度而要站在观察者的角度搞科研，如果观察者做不到的事，这件事就不存在。然而光子进入库珀对场，她只能走很短的距离就被“屏蔽”了，我们完全有可能取得测量她静止质量相对静止位置——光子有质量了！库珀由于超导的理论成果，与另二位物理学家分享了1972年的诺贝尔物理学奖。

再回头看格拉肖模型的四个电弱玻色子，她们担负着不同的信息传递任务，革命分工不同，但无质量这一点上，她们是一致的，或者说具有严格的对称性。这点有错吗？你说实验已经证明是错了。但是打住，实验只能证明现在，不能说明过去。我说当年我比张三强，因为他成绩不如我；我说当年李四比我差，因为他品质很恶劣。现在张三官至一品，李四富甲天下，而我却无权无势，穷困潦倒，能证明我的话错了吗。当年作为同学，我们具有地位上的严格对称性；以后进入社会，各人的环境、机遇不同，在成长的过程中愈来愈呈现出巨大的差别，这叫“对称性破缺”。某些物理过程对称性破缺是必然的，叫“对称性自发破缺”。一支铅笔以笔尖垂直在桌面上，具有空间空间上的严格对称性，但这种脆弱的对称性任何一点微小的扰动都会使它破缺，铅笔倒在桌面上具有了空间上的方向性。那么有没有可能，格拉肖的模型是对的，观测结果也是对的，对称性是由理论定义的，对称性的自发破缺是后天环境定义的？

日本物理学家南部一郎最早从库珀对场得到启示，提出了通过对称性破缺使粒子获得质量的机制。1961年，32岁的英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）刚获得爱丁堡大学讲师职位，对自己将来的研究方向还懵里懵懂，这时南部的文章吸引了他，粒子物理从此束缚了他的一生。1964年，他在欧洲核子研究中心的《物理快报》（Physics Letters）上发表了《破坏了的对称性、无质量的粒子和规范场》等两篇论文，提出了 “希格斯机制”， 并预言了这种机制的一个产物——“希格斯玻色子”。 1967年，格拉肖中学和大学的同学温伯格（Steven Weinberg）和巴基斯坦物理学家萨拉姆（Abdus Salam）把希格斯的对称性自发破缺机制引入格拉肖模型，构造了一个成功的电磁力与弱力统一的理论，这个理论被命名为“温伯格—萨拉姆模型”，解决了弱力玻色子的质量来源。

根据希格斯的假设，空间弥漫着一个希格斯场，希格斯粒子是这个场的量子化激发态，这是个有质量自旋为1的玻色子（酷似库珀对！）。在早期宇宙中，希格斯场是各向同性的，这也是标准模型中的规范玻色子严格对称的注脚。但是大爆炸之后，由于不确定性微扰，这种对称性很快地就自发破缺掉了，在时空上分化出了四个极化分量——两个带电的两个中性的。电弱玻色子场与希格斯场耦合，“吃掉”两个带电的分量和一个中性的分量，从而获得质量（约比质子质量大80~90倍），形成三种分别带正电、负电和中性的玻色子，命名为W+、W－和Z0玻色子，而不与希格拉场发生耦合的玻色子依然没有质量，这就是光子。所以三个弱力玻色子和光子本来都是一个班的同学，进入希格斯场这个社会后，由于融入（耦合）与不融入的区别，W和Z粒子为质量所累而步履蹒跚，光子出污泥而不染保持无质量本色而秒行三十万里，对称性就是这样自发破缺了。希格斯场被“吃剩”的一个中性极化分量，就是“希格斯玻色子”——一种电中性、有质量、自旋为0的粒子。

电弱统一理论被视作与麦克斯韦统一电场和磁场同样科学奇迹，是现代科学统一大业自爱因斯坦以来第一次取得实质性的进展，迈出了踏踏实实的一大步，瑞典皇家科学院一激动就把1979年的诺贝尔物理学奖以“对基本粒子弱相互作用理论的贡献”的名义授予了格拉肖、温伯格和萨拉姆。一向处事谨慎的诺奖委员会这次可是冒了个天大的风险——“温伯格—萨拉姆模型”预言的W±和Z粒子还没有被实验证实呢！1983年，位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），意大利物理学家鲁比亚（Carlo Rubbia）领导下的100多位世界各国科学家协作，通过质子—反质子对撞机发现了这三种玻色子，诺委会的委员们这才如释负重，长吁了一口气。下一年，就神速地把1984年的诺贝尔物理学奖授予了鲁比亚，这大概也包括了感谢他对诺委会的救赎。

其实更伟大的预言是“希格斯玻色子”。理论上，希格斯玻色子是一切质量之源，粒子——玻色子和费米子——通过希格斯场产生的空间弯曲就是一切物质质量的形成机制。这个预言太惊世骇俗了，一位美国物理学家莱德曼（Leon Lederman）写过一本书，书名叫做《该死的粒子（goddamn particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。编辑觉得goddamn这种骂人的话出现在书名上也太有失斯文，所以最后出版时改成了《上帝粒子（God particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。自始“上帝粒子”成名。我不知道这个理论伟大到什么程度，也许可以跟牛顿方程、相对论方程和量子力学方程比肩！可是“上帝粒子”还未被探测发现，这也是标准模型中唯一未被实验证实的粒子。

CERN于2008年9月启动的大型强子对撞机（LHC）的首要任务就是找寻这种粒子。世界科学家都为此激动不已。这一年已经79岁希格斯说，如果发现了希格斯玻色子，他将打开一瓶香槟，还说希望能用这一好消息来庆祝自己的80大寿。而霍金则在接受BBC电台采访时说他已出资100美元赌LHC不会发现希格斯玻色子。希格斯在一次晚宴上向一位记者说：霍金由于其特殊的名望获得了本不该有的、顺手拈来的权威性，同时他与其他领域的理论家们交流起来很困难。这事被媒体大肆炒作，希格斯未免尴尬，忙给霍金去信说明自己的本意。霍金表示对此并不介意。现在实验进行三年，好坏消息不断传来，令人莫衷一是。咱们还是拭目以待吧。