物理学之美-浅析2013诺贝尔物理奖

人人都追求美，物理学家也不例外，但到底什么是物理学的美，那是一个模糊的概念，或者说只是一种感觉，只能意会，不能言传。物理学家也难以赋予它科学而精确的定义。
　　
　　狄拉克可算是是物理学家中追美之第一人。他清心寡欲，别无他求，唯独追求的是其物理理论之美。有他的名言为证：“使一个方程具有美感，比使它去符合实验更重要。”
　　
　　狄拉克导出他著名的狄拉克方程后，为了追求他的理论的数学美，而作出了一个被称为‘狄拉克海’的美丽假设，预言了当时并不存在，似乎显得有些荒谬的正电子。
　　
　　预言不存在的东西，犹如第一次吃螃蟹，是要有点冒险精神的。不过，狄拉克别无选择，为了他的理论之美！
　　
　　后来，经过众多物理学家的努力，终于发现了正电子以及其它的各种反粒子。其实，科学史上的多次事实证明：成功的预言能够充分地体现美丽理论的强大魅力。上世纪60年代中期，物理学家们预言了希格斯粒子，然后，他们孜孜以求，期望等待着希格斯粒子登场，也就是为了完善和证实粒子物理学中的“标准模型”，证实物理理论之美。
　　
　　物理，物理，究物之理，这是上天赋予物理学家的基本使命。究到现在，大家都听说过了：在粒子物理学中，究出了一个“标准模型”，后来，又有了一个不甚玄乎的“弦论”。弦论更玄妙一点，标准模型却与2013年的诺贝尔物理奖有点关系。
　　
　　希格斯粒子是“标准模型”的宠儿，是被此模型所预言，而在2012年才被欧洲核子中心（CERN）所发现的标准模型的最后一个粒子，即媒体所谓的“上帝粒子”。
　　
　　在标准模型中，物质的本源来自于4种基本力，以及61（62？）种粒子。尽管标准模型还谈不上是一个“统一的物理理论”，因为它无法将那个顽固的‘引力’统一在它的框架中。但是，它却较为成功地统一了其它三种力：电磁力、弱力、强力，并且基本上能精确地解释与这三种力有关的所有实验事实。
　　
　　標準模型共预言了61种基本粒子，其中包括36种夸克，12种轻子，8种胶子，2种W粒子，另外还有Z粒子，光子，及希格斯粒子。
　　
　　物理学家为什么会预言存在这样一种希格斯粒子呢？这与一个叫做‘自发对称破缺’的物理术语有关。
　　
　　对称性不难理解，最简单的例子就是人体。人体基本上是左右对称的，有左手又有右手，有左眼又有右眼。自然界还有许许多多对称的例子，对称是一种美。各种各样的对称性，或许也应该加上各种不对称性，构成了我们周围美丽的世界。
　　
　　物理学家也早就注意到事物的对称性。并且，他们所建立的物理规律，各种方程，更是表现出对称的特点。也许从某种意义上可以说，物理学家们所追求和探索的物质深层的某种对称性，就是他们所欣赏、且津津乐道的物理学之美。
　　
　　然而，有一个如今看起来很简单的现象却曾经困惑物理学家多年。那就是说，自然规律具有某种对称性，但服从这个规律的现实情形却不具有这种对称性。换言之，在实验中却没有观察到这种对称性，这是怎么回事呢？现在看来，这并不难理解，那是因为科学家们已经为我们理清了思路，建立了理论，这个理论就是：自发对称破缺。
　　
　　人们经常举几个简单的例子来说明这个专业术语。比如说，一支铅笔竖立在桌子上，它所受的力（物理定律）是四面八方都对称的，它往任何一个方向倒下的几率都相等。但是，铅笔最终只会倒向一个方向，这就破坏了它原有的旋转对称性，而这种破坏是铅笔自身发生的，所以叫自发对称破缺。
　　
　　再表达得更清楚一些，就是说，物理规律具有某种对称性，它的方程的某一个解不一定要具有这种对称性。一切现实情况都只是‘自发对称破缺’后的某种特别情形，它只能反映物理规律的一小部分侧面（瞎子摸象？）。
　　
　　再举大家熟悉的铁磁体为例。当铁磁体的温度在某个温度（居里点）以上时，分子磁矩分布是各向同性的，即：具有与铅笔类似的旋转对称性。温度降低后，分子磁矩随机地选择了某一个方向，成为在这个方向磁化的永磁体（和铅笔朝一个方向倒下的情况类似）。
　　
　　如果我们想象，磁化磁体的分子中诞生了某种小生命。更进一步，不妨设想我们就处在那种小生命的地位。那么，在我们看来，世界并不是旋转对称的，在某个方向（磁化的方向）比较特别一些，能感觉到磁性！这儿可以用上一句中国成语：“旁观者清，当局者迷”。想想看，如果我们是从像磁铁那样一个有偏见的世界中来探索物理规律的话，我们得用多长的时间，才能认识到真正的大自然是旋转对称的啊。也就是说，自然定律的对称性一定要比我们能接触到的世界的对称性多得多。
　　
　　以上例子听起来似乎荒谬，但却是我们做科研时真正面对的现实。
　　
　　自发对称破缺的概念，首先是在凝聚态物理中被朗道提出、安德森发展，为了解释物质相变而用的，后来被嫁接到粒子物理中，再到了标准模型中，在那儿大显身手。
　　
　　标准模型建立在量子场论的基础上，量子场论的基本思想之一是认为：最基本的物理实在是一系列充满空间的场，而每一种粒子对应于一种场。
　　
　　四种基本作用力：电磁力、弱力、强力和引力，则是由于与其相对应的粒子的交换而产生和传递的。比如说众所周知的，电磁力是由光子所激发和传递。
　　
　　自发对称破缺也会被激发和传递。我们用一个通俗的例子来说明这点。
　　
　　想象一大排竖立着的多米诺骨牌。每个骨牌面对着的情况类似于刚才所举的竖立的铅笔。不过骨牌遵循的规律是左右对称，不像铅笔是旋转对称。
　　
　　一个骨牌的物理规律是左右对称的，但倒下后的位置（向左或向右）就不对称了。并且，只要有一个骨牌随机倒下了，对称性自发破缺了，便会诱发邻近的、再邻近的……以至于很远的骨牌一个一个倒下。换言之，这种‘激发’效应像一种波动一样，可以被传递到很远的地方。
　　
　　‘一种激发的波动’，听起来有点像我们所说的电磁场中的光子。的确如此，物理微观世界中力的作用也可以被想象成是这样传播的。
　　
　　再回到骨牌的例子。如果骨牌做得比较薄，倒下去很快，它的作用传播起来也很快，很快地就传到很远的地方，像光子那样。那时我们说，传播的力是一种远距作用，传播粒子的静止质量为0。而如果骨牌比较厚，倒下去时是笨笨地慢动作。那时候，骨牌效应传播不远就被衰减而传不下去了。这种情形就对应于某种短程力，相应的传播粒子则具有一个有限的静止质量。
　　
　　这些概念：对称自发破缺、元激发等等，被粒子物理学家从凝聚态物理搬来研究基本粒子和场。这些粒子和场与我们刚才所举的现实生活中的铅笔和骨牌一样，也遵循某种对称性。不过，它们遵循的是比我们常见的对称例子更复杂的对称性，被称之为规范对称性。
　　
　　在上世纪60年代初，物理学家在运用自发对称破缺理论来研究弱力、强力和电磁力统一理论的时候，碰到了一些麻烦，甚至一度似乎陷入绝境。事情是这样的：一个统一这几种力的理论应该是规范对称的，否则就会导致发散而得出不合理的荒谬结果。而规范对称的方程得出来的传递粒子只能是质量为0的粒子，这也意味着被传递的作用力是长程力。这个结论对电磁力没问题，但并不符合弱力和强力的情况。弱力和强力只在极短的距离起作用，在很短的空间和时间内就衰减了，因此，传递粒子应该具有较大的质量。
　　
　　困难还不仅仅如此，不但作用力的传递波色子没有质量，其它组成真实世界的费米子，诸如电子、质子等，也都没有质量。这听起来像是个‘杞人忧天’的故事：“我们的世界明明是具有质量的，真不懂你们物理学家在说些什么？”当然，这只是说粒子物理学家研究了几十年的规范理论走入了困境，这个理论得出了一个没有质量、与实际情况不符合的世界。
　　
　　物理学家们不愿意放弃看起来颇有希望的规范理论，而又要使某些基本粒子得到质量，为此想了许多办法。其中，希格斯机制是最简单的一种方法。这种机制在1964年被3个研究小组几乎同时提出，其中包括两位2013年诺贝尔物理奖得主，即比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯，以及其他4位主要人物，至于为什么以希格斯而命名，这其中有巧合或误会，但并不重要，重要的是希格斯机制将规范场论带出了困境。希格斯机制的基本思想是假设宇宙中存在一种无处不在的希格斯场，当它与其它规范粒子相作用的时候，因希格斯场的真空态不为0而产生自发对称破缺，使规范粒子获得质量，同时产生出一个带有质量的希格斯玻色子。
　　
　　希格斯机制的实质，有点像是将规范理论中所有的粒子都得不到质量这个困难，转移到一个统一的希格斯场的真空态上来统一解决。无论如何，它成功地解释了粒子惯性质量的来源。
　　
　　1968年，温伯格和萨拉姆率先将希格斯机制引入的弱电理论，用于统一弱力和电磁力的工作。他们三人因此而获得了1979年的诺贝尔物理奖。
　　
　　包括希格斯机制的弱电统一理论，还预言了弱力的传递粒子W和Z粒子，它们都是通过希格斯机制得到质量。这两个W粒子和1个Z粒子于1983年在CERN被发现。
　　
　　希格斯粒子本来是人为引入标准模型的，它的发现证实了标准模型基本正确，也让我们再一次见识了物理学理论之美。
　　
　　来源：科学网