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日志

2013年的物理学奖:希格斯机制

热度 6已有 7777 次阅读2013-10-9 01:39 |个人分类:科普|系统分类:科技| 物理学

刚看到新闻,提出希格斯机制的PETER HIGGS获得了2013年的诺贝尔奖。所谓希格斯机制是物质质量来源的机制。

自古以来,人类就试图用基本原理解释自然现象。比如说中国的阴阳学说就是这种“自然哲学”,一阴一阳演化,上知天文、下至地理,都可以进行一大通辩论,比如说潮汐现象古人就用月亮为太阴吸海水解释,但其实太阳也产生潮汐。而且古人肯定不知道,面对月亮这边涨潮,背对月球的那面也在涨潮。当然了,如果知道,你也可以用阴阳理论进行一番解说任何事情都可以加加减减,得出一些定性的说法。
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物理学也是在寻找自然现象的基本原理,物理学的不同在于它是数学化的,也就是说物理学不是模棱两可、泛泛而谈,而是真枪实弹用数学方程表达,你可以计算、预测,并且与现实进行比较。物理被称为硬科学,因为它是量化的、讲的是硬道理。而物理数学方程的来源,往往是直觉与灵感。牛顿一个 F = ma 使人类走向了现代科技文明,但牛顿并不能告诉我们为什么 F=ma,牛顿也不能告诉我们这个质量从何而来,为什么物体有质量。他只是说你用F=ma去试试,屡试不爽。果然,无论是地上、还是天上、还是星球的运动用F=ma都能搞定。用F=ma加上牛顿万有引力,我们可以计算月球、太阳产生的潮汐高度。

物理学经过300多年的发展,我们现在搞懂了的事情已经很多了。其中一件事情就是质量来自粒子与希格斯场的耦合。

去年希格斯粒子被CERN找到的新闻出来后,我在珍珠湾写了篇《科普上帝粒子》(参见:科学网发表,《中国科学报》)。那篇文章除了科普之外,主要说明了一个问题(也是纠正一个常见错误概念):
很多人在提到HIGGS机制的时候,喜欢使用对称自发破缺的说法,其实这是一个用词的谬误。实际上,HIGGS机制恰恰维持了YANG-MILLS规范场的局域不变性(local gauge invariance)。也就是说,规范不变才是王道。】那篇文章也纠正了网上某些民科的概念错误,以为YANG-MILLS场必须对称破却才能有物理,我在文字指出夸克相互作用的SU(3)规范场就没有破却,而是精确的杨-米尔斯,强相互作用的短距离不是因为波色子获得质量,而是因为所谓夸克囚禁。

希格斯机制与YANG-MILLS场结合,被成功运用于粒子物理量子场论的标准模型中的弱电理论部分(如前所述强相互作用是精确的YANG-MILLS),但是如果你去看希格斯当年的论文 (PhysRevLett.13.508.pdf,你会发现他根本没有提到YANG-MILLS。为什么?因为HIGGS只是举了一个最简单的U(1)规范场(也就是电磁场)作为例子,虽然是讨论量子场,但其方程全部是经典的。希格斯的论文只有一页半,其中数学公式极为简单(见文末)。

但这个简单的数学展示了一个魔术:开始我们有一个完全独立的质量为0的矢量场与一个真空期待值不为0的标量场,这两者是彼此独立的,这个没意见吧(论文中方程1);但玩一玩之后,发现矢量场获得了质量(方程4)。


而且类似的机制在超导现象、等离子体物理里已经出现过了,可以说HIGGS是突然灵感发现,将全局的规范不变改为局域的规范不变,用最简单的一个例子说明了这个波色子获得质量的机制。

有了这个大的概念突破,其他人就可以把这个方法运用到复杂得多的SU(2)xU(1) YANG-MILLS 场了。此后,粒子物理的高速发展使我们陷入了一个困境:理论已经远远领先于实验,实验总是验证了理论,而现有的技术手段(如能量)无法达到理论的极限。

现在希格斯场的存在似乎已经被实验验证了,但是接下来的问题是:希格斯场又是怎么来的?

每当科学遇到这样的问题,总是再次给宗教发挥的空间。




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