考槃笔记-20-没有终结的答案

 

被寄予厚望的大型强子对撞机（LHC）终于要揭开神秘的面纱，正式运转了。“按照目前的进度，所有的磁铁的降温将在今年6月中旬完成，随后就是注入粒子束，实验将正式开始。”^[1]

 

“位于日内瓦的大型强子对撞机是一个圆形加速器，深埋于地下100米，它的环状隧道有 27 公里长，走完全程要花４个多小时。它将两束质子分别加速到7万亿电子伏特的极高能量状态，并使之对撞。其能量状态可与宇宙大爆炸后不久的状态相比，用来模拟大爆炸后十亿分之一秒的状态。粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物探索物理现象，例如，寻找标准模型预言的希格斯粒子、探索超对称、额外维等超出标准模型的新物理。 ” ^[2]

 

 （图片来自山东技术创新网，http://www.ctisd.com/Web/News/20080407/9425.html）

 

其中Higgs更是呼之欲出，这可是61个基本粒子中唯一还没有得到实验数据支持或验证的粒子了。

要搞清楚Higgs为什么这么重要，我们必须先看看粒子物理学的标准模型。

 

按照作用力的不同，人们把所谓的“基本粒子”分为三类：强子、轻子和传播子三种，“强子就是是所有参与强力作用的粒子的总称。它们由夸克组成，已发现的夸克有五种，它们是：上夸克、下夸克、奇异夸克、粲夸克和底夸克。理论预言还有第六种夸克存在，已命名为顶夸克，但目前尚未发现。现有粒子中绝大部分是强子，质子、中子、π介子等都属于强子。 ”

“轻子就是只参与弱力、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子的总称。轻子共有六种，包括电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子、τ子中微子。 ”

“传播子也属于基本粒子。传递强作用的胶子共有8种，1979年在三喷注现象中被间接发现，它们可以组成胶子球，但至今尚未被直接观测到。 ” ^[3]

 

“而标准模型正是一套描述强作用力、弱作用力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。它属于量子场论的范畴，但是没有描述重力。 ”

“标准模型包含费米子及玻色子两类——费米子为拥有半整数的自旋并遵守泡利不相容原理（这原理指出没有相同的费米子能占有同样的量子态）的粒子；玻色子则拥有整数自旋而并不遵守泡利不相容原理。简单地说，费米子组成物质的粒子，而玻色子负责传递各种作用力。 ”

超对称（SUSY）指出，“每一种基本粒子都有一种被称为超对称伙伴 (Superpartner) 的粒子与之匹配， 超对称伙伴的自旋与原粒子相差 1/2 (也就是说玻色子的超对称伙伴是费米子， 费米子的超对称伙伴是玻色子)， 两者质量相同， 各种耦合常数间也有着十分明确的关联。 ”

 

Higgs负责引导规范变换中的对称性自发破缺，是惯性质量的来源。为什么Higgs受到如此期待呢？因为它是标准理论中最为重要的一个环节。

 “杨-米尔理论无论应用到弱还是强相互作用中所遇到的主要障碍就是质量问题，由于规范理论规范对称性禁止规范玻色子带有任何质量，然而这一禁忌却与实验中的观测不相符合，如果不能解决质量问题，将使得整个研究失去基础。一开始人们试图通过自发对称破缺机制，即打破规范理论中对拉氏量对称性的严格要求，使得物理真空中的拉氏量不再满足这种对称性，然而到了1962年，每一个自发对称性破缺都被证明必定伴随着一个无质量无自旋粒子，这无疑也是不可能的。1964年，英国物理学家Higgs解决了这个问题，使得自发对称性破缺发生时，那个无质量无自旋粒子仍然存在，但它将变成规范粒子的螺旋性为零的分量，从而使规范粒子获得质量。这一方法被今天的标准模型所借鉴，标准模型通过引入基本标量场——希格斯场来实现谓希格斯机制。通过希格斯场产生对称性破缺，同时在现实世界留下了一个自旋为零的希格斯粒子。 ” ^[4]

 

（图片来自三思科学，http://www.oursci.org/magazine/200201/020107.htm）

 

1995年3月2日，美国费米实验室向全世界宣布他们发现了顶夸克。从此，只有Higgs幽灵般的徘徊在标准模型上空。如果LHC发现或者能够支持Higgs的存在，那么标准模型将金刚不坏而无坚不摧，而如果发现不了Higgs，也许我们要寄望于更猛烈的一次撞击。

正如李淼所说“LHC如果不是地球上人类用来探测微观世界的最后一台人造加速器，也几乎是倒数第二台加速器……粒子物理正站在十字路口，我们将走向何方，LHC是下一个路标。 ”

 

在李淼的博客中，一位署名“龙珠雷达”的朋友留言道，“

我认为LHC不外乎四种结果， 按照我认为的几率大小排列分别是：

1、除了Higgs以外什么都没发现。我认为这是最悲惨的一种结果。几乎是物理学陷入长期困境。当然，还可以通过比较Higgs的质量来判断Higgs是标准模型的还是超对称的，不过好像这个工作即使ILC(国际直线对撞机-International Linear Collider)也无法给出确切结果。在经济不景气的今天，恐怕没有国家再愿意花几十亿投资这种没意义的买卖。

2、我认为同样比较大的几率，发现我们从来没有设想过的东西。也许不是超对称。恐怕这是对物理学最有好处的结果。毕竟大统一能标和普朗克能标相差太远，在THz上还不知道有什么物理……现在谈终极理论未免过于乐观。

3、发现了SUSY. 我认为这种可能性并不大。当然，这是相对较好的结果。至少证明过去30年超弦学家的努力有意义。ILC的建造也可以提上日程。至于怎么造，还有看LHC的结果。

４、连Ｈｉｇｇｓ都没发现……我认为几乎不可能，但是也不是绝对不可能。如果真的发生了，将是自然界和人类开的一个巨大的玩笑，物理学研究要退回到２０世纪５０年代，简直不可思议：也许现在的人已经忘记Ｙａｎｇ－Ｍｉｌｌｓ（杨-米尔）之前的物理学家在研究什么了： 没有典型群，没有纤维丛，没有卡-丘流型……”

 

我们认为他的看法很有见地。我不是粒子物理专业的学生，对此知道不多，从哲学层面，我猜结果是四。因为自然界恰好喜欢和人类开玩笑。往往人们寄以厚望的理论和实验最后无疾而终，而冷不丁的宇宙敲了某人一闷棍，敲出一堆很华丽的东西来。

当然，我们知道，宇宙的这一闷棍不会乱敲，它不会去敲那些忽视最基本科学规则和学术规则的人，也不会去敲那些没有任何准备的脑袋，然而，往往在我们准备好了而又自信满满的时候，宇宙转移了他的视线。

结果是四的后果是什么呢？过去50年大批物理学家的工作看起来是“白做了”。而我之所以不啻于猜测最坏的后果，是因为在这些理论中，有太多的新理论是为了让旧理论自洽而提出来的。这就好像有人说了一个谎，为了让这个谎言听起来很美丽，他又继续说了一千个谎言一样。这么说肯定会让粒子物理学家们伤心，但是我坚信，物理学和科学是不会走到尽头的。如果真的有那么标准的模型和四种力的大统一，在统一之外有什么例外可以用来研究呢？如果LHC轰出一堆稀奇古怪的东西来，我们的理论又该如何自处呢？假若我们发现了Higgs，是否就是粒子物理学的胜利或者终结呢？

 

我对微观世界的看法是：每个粒子都完全一样，每个粒子又都完全不同。肯定会存在几个大类，但世界应该没有如此复杂。如果我们不能用一千个字说清楚一个理论的话，不是我们对这个理论理解不够透彻，就是我们想错了。

于是我选择了四，我相信：即使发现了Higgs，和没有发现也没有什么区别。即使出现最坏的结果，其实我们没有必要否定物理学家过去50年的努力：得救之道，就在失败之中。

在答案即将揭晓的前夜，写下这点东西来验证一下自己的直觉。正确与否都说明不了任何问题，也许这件事情根本没有一个终结的答案。

 

[1]摘自李淼文章《十字路口》

[2]摘自百度百科《大型强子对撞机》

[3]摘自百度百科《基本粒子》

[4]摘自百度百科《希格斯玻色子》

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