博文
希格斯粒子之后，基础物理学向何处去
||
在这次论坛上，诺贝尔获得者t’Hooft强调了标准模型对我们现在物理世界的重要性，上帝粒子，即希格斯粒子的发现，更加验证了模型的准确性。但是它并非完美，例如暗物质的存在(因为只有这样才能解释宇宙的质量)，中微子的质量问题，所以在更高的能量下它将会被修正，我们也许会发现超对称或额外维，任何超出标准模型之外的信号的发现，将会为我们的认识再次带来一场革命。下一代高能物理对撞机的建设，将会为这场革命带来重要的影响。他说道：
“让我们回溯一下历史，50多年前我们研究的问题。那时候还没有标准模型。我们不仅没有标准模型，我们甚至无法想象在20几年之后会有像标准模型这样的理论出现。科学就是这样，通过许多”偶然”的发现而有所突破。 两年以前，我们找到了标准模型的最后一个粒子。标准模型现在其实应该叫成”标准理论”。在标准模型建立之初，我们慢慢搭建这个模型并作各种尝试。我们有一些想法，我们尽力做精确的预言，我们把这些放在一起，然后这个模型需要经受各种检验。理论上的检验包括理论的自洽性，实验上的检验包括各种实验上的验证。所有标准模型的预言都和实验吻合，这是很神奇的一件事。标准模型已经成为了一种标准理论。 希格斯粒子通常被称为上帝粒子，然而我们不认为它是上帝的反映。我们更倾向于认为希格斯粒子是人类成功认识自然规律的反映。我们更相信系统的数学和物理的描述。标准模型是一个伟大而美丽的模型，但它不是完美的。在很高能量或很小尺度标准模型就有可能会被修正。就像科学家用显微镜来观察微观世界，我们所用的最大的粒子物理显微镜是大型强子对撞机。而这个对撞机将会被中国正在设想的对撞机所超越。这个对撞机比大型强子对撞机强大10倍，能看到10倍更高的能量，能观察到10倍更小尺度。在这个小尺度会有什么样的新现象我们并不知道。作为理论家我们并不一定知道什么是正确的答案。作为实验家我们会用各种方法来探测。在进入10倍的小尺度我们有可能会发现超对称或额外维，也许什么都没有。 理论家并不惊讶标准模型并不完备。例如说暗物质必须存在，因为只有这样才可以解释宇宙的质量。理论家的想象力不会被某一个对撞机所限制。我们可以设想小上亿倍尺度的物理。在比现在观测到的最小尺度还小10-15倍时现有的各种方法可能都不适用。因为在那儿万有引力将不再适用，计算将不再准确。我们必须有新的方法来描述这个领域。大自然的准确描述方法到底是什么？实验会给我们答案。理论家总是可以有各种设想，但是更困难的是问正确的问题。”
Edward Witten
菲尔兹将获得者Edward Witten在论坛上强调了量子力学和相对论对在物理上产生的伟大革命。但仍然有许多问题亟需解答，如宇宙的起源，粒子质量的起源。如果在目前对撞机的能量上，再提高一个数量级，将会在揭示自然界的秘密上推前一大步。现在正是中国成为这一领域的领袖的最好时机。他说道：
“物理最大的惊奇是量子力学加相对论。更多的精彩问题：宇宙起源，粒子质量。如果可以从目前的实验精度上再提高一个数量级，将可以在揭示自然界的秘密上前进一大步。现在是中国成为这个探索的领袖，迈出这一大步的最好时机。”
Nima Arkani-Hamed
基础物理学奖获得者Nima Arkani-Hamed回溯了物理学的进化，充分肯定了希格斯粒子发现的重要意义。也提出了现在理论物理仍然存在的问题，以及为了解决这些问题，建造加速器，进行试验的重要意义。他说道：
“二十世纪物理可以将年代划分在1895年到2012年，这段时间人类探索并确立的两大理论支柱是相对论和量子力学。标准模型是量子力学的发展，是人类对自然认识的深化。标准模型的最后一个组分，希格斯粒子被找到，这证明了标准模型的完整性。标准模型可以解释所有观测到的现象，包括粒子质量、分子、原子结构。
这是物理学史上空前的成就，也预示了新时代的开始。希格斯粒子是一种全新的粒子，它区别于所有其它的粒子并赋予传播弱相互作用的玻色子以质量。然而，关于希格斯粒子仍然有理论上的问题。例如希格斯粒子相关的量子涨落如此之小？
为了回答这个问题，我们必须
1、仔细彻底研究希格斯子。
2、探讨微观量子涨落究竟有什么新东西。
这也就是说，我们必须探索更微观的世界。由于能量越高，我们所能探测的尺度越小。所以唯一的方法是建立更大的环型加速器。而这个加速器第一步可以进行正负电子的湮灭的对撞实验。由于轻子没有发现下一层次的结构，它的对撞给出的谱会比较清晰。这个阶段会产生很多希格斯粒子，从而带动相关研究。第二步我们可以在加速器上进行质子反质子的对撞实验。由于质子的静质量比电子大很多，我们可以探测更高的能量区域，从而观察更微观的尺度。”
演讲过后，会议进入了问答环节。
丘成桐教授代表相关学者提了以下几个问题，而各位世界一流的物理学家也对问题进行了精彩而深刻的回答。以下是部分问答实录。
丘成桐：“理论和实验的关系？”
“理论物理是令人激动人心的，但需要实验指导，二十世纪我们有很重要的实验指导，如标准模型的验证，宇宙膨胀，等等。现在我们正需要新的实验指导。”
丘成桐：“高能物理对科学的意义？”
“古代牛顿引力论是我们认识世界的钥匙，借它我们可以正确的计算行星的运行周期和轨道。19世纪的电磁学为我们开辟了一个全新的领域，从电磁学衍生出的电力革命是人类进步的写照。20世纪发现的量子力学和相对论是对自然界的认识的深化，而这正带来一轮又一轮新的技术革命。
我们的最终目标是理解自然界最基本的规律。这要求我们探索最微观的世界。量子力学告诉我们，我们必须到更高的能量去探索更微观的世界。更普遍的说，我们对微观世界的探索每前进一个数量级，都会有新的发现。我们有理由相信这个将会持续下去。通过这种不懈的探索，最终理解自然界运行的终极法则，这就是高能物理的目标。”
丘成桐：“物理史最让人激动的新物理机遇是什么？”
“量子力学和Einstein相对论是20世纪物理学的主要成就。二者的结合产生的量子场论是近代物理伟大的成就。我们知道基本粒子的自旋只有可能是0，1/2，1，3/2，2。其中自旋为0的希格斯粒子刚被发现，而另外两种被发现的基本粒子分别是自旋为1/2的夸克、轻子以及自旋为1的传播相互作用的玻色子。但如果自旋3/2的粒子被发现呢？这样的粒子的发现将会是Einstein以来最大的突破，即验证超对称的正确性，这是最令人激动的可能性。”
总之，在这次会议上，来自全球的一流物理学家都坚信下一代的粒子加速器将会为我们对世界的认识带来重要的突破，对促进中国基础物理学以及现代科学技术的发展提供巨大动力，都坚信中国将为基础科学的进步做出重大贡献。
名词解释：
量子力学：主要在10-10米尺度或宏观低温状态下起作用。可精确描述原子核外电子的运动。是现代信息技术的基础。
相对论：变革了人类的时空观。给出了质量和能量等价的观点。广义相对论是迄今为止最成功的引力理论，满足坐标协变原理。
量子场论：现代粒子物理理论的一般框架。它认为场充斥全空间，粒子是场的激发，场的基态对应真空。场满足规范协变原理。
粒子物理标准模型：主要包括描述电弱相互作用的温伯格-萨拉姆模型以及描述强相互作用的量子色动力学。电弱相互作用中的传递相互作用的玻色子由希格斯机制赋予质量，量子色动力学拥有渐进自由性质。标准模型认为宇宙由12种费米子，12种传递相互作用的玻色子以及一个标量场的量子——希格斯粒子构成。所有的粒子都有反粒子。费米子包括6种夸克，6种轻子。每种夸克有3个色的自由度—红、绿、蓝。当夸克混合出”无色”时，才是可被观测到的粒子。三种不同”颜色”的夸克混合成的”无色”粒子称为重子。两种相反”颜色”的夸克混合成的”无色”粒子称为介子。最轻的（最稳定）的两种重子就是质子和中子，他们构成原子核。最轻的带电轻子是电子。
四种基本力：强相互作用将同是带正电的质子束缚到原子核中，电磁相互作用决定生物以及电过程，弱相互作用为贝塔衰变提供解释，万有引力决定天体宇宙运行。
https://blog.sciencenet.cn/blog-319569-770528.html
上一篇：给小学生做的科普
下一篇：雾霾治理之散人乱语
