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无论如何,以下叙述是关键:力的作用范围与其载力子的质量之间的密切联系表明,由于超短的作用范围,强核力和弱核力是由大质量的载力子来传递的(这个逻辑对于强核力来说是错误的,正如不久后将要谈到的那样,大自然找到了另一种减小强核力作用范围的方法)。
问题在于,唯一不受灾难性发散影响的量子场论是局域规范理论,荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特于1971年在某种程度上证明了这一点。
但是仅当规范粒子没有质量时,这一不发散的特点才存在,一旦引入有质量载力子,就立即失效了。
这也是量子场论在20世纪60年代初期不受欢迎的原因之一。
截至1964年7月,希格斯已经思考了好几年如何使局域规范理论在保持所有优点的同时,又纳入有质量载力粒子。
他在想,要是载力子原本就是没有质量的,但通过某种外部过程得到了质量,结果会怎样呢?这是否可以既纳入有质量粒子,同时又不破坏可重整化的局域规范理论呢?希格斯想象,空间中充满了一种未知的不可见场——希格斯场,这种场就像游泳池里的水一样能阻碍其中粒子的运动。
乍一看,游泳池的想法与我们的实际经验完美契合。
质量大的物体,比如冰箱,很难移动,因为质量抗拒运动状态的改变。
这可能真是因为有一种看不见的媒介在起阻碍作用。
可是,这个类比并不完美——这是自然界的一种基本特征,也是爱因斯坦狭义相对论的基石,正是不可能用实验的方法来区分物体到底是静止的还是均速运动的。
设想有两个人在火车上玩抛接球游戏。
假定火车没有振动,车窗也被遮挡起来,看不到外边,那么两个人的游戏就好像是站在轨道旁边的地面上玩一样。
他们无法通过球的运动来判断自己是否在运动。
然而,如果充满整个空间的希格斯场真的像游泳池里的水一样,那么就有可能分辨出物体是在场中穿行,还是静止的,这与相对论相矛盾。
反倒是在希格斯场中,宇宙所有物体都必须保持静止,不管其运动如何。
[2]这种性质用术语表述,就是洛伦兹不变量(Lorentzinvariant)只适用于标量场(scalarfield)。
就像温度和台球桌的高度一样,在这些标量场空间的每个点上都可用简单的数字表示。
容易让人误解的是,希格斯场会阻碍粒子运动,即使粒子相对于希格斯场始终是静止的。
因此,更准确的说法是,场只是与粒子相互作用。
正是这种相互作用,使得本质上无质量的粒子具有质量,其精确质量取决于每个粒子与场相互作用的强度。
能量在空间中处处非零的场是全新的东西。
没有质量,就没有引力场;没有电荷,就没有电磁场,但希格斯想象出另一个存在于真空空间、没有来源的场。
场里到处都有同样的能量,正是这种不变性解释了为什么这个场以前从未被注意到:我们沉浸其间,就像我们沉浸在可以呼吸的空气里一样。
只要有机会,一切都会将其势能降到最低。
例如,球会自动滚到山脚下,那里的重力势能最低。
人们一直认为真空处于宇宙中能量最低的状态,就像滚到山脚下的球那样,宇宙终将终结于真空。
但希格斯认为,这是错误的,宇宙的最低能量状态实际上是充满希格斯场的真空,其中能量处处都是非零的。
但是,为了赋予载力子以质量,而随意地把一个填满所有空间的场引入理论中,就像手工给载力子插入质量一样,是单方面的一厢情愿。
这种做法必然破坏局域规范不变性,而局域规范不变性是理论不发散的基本要求。
希格斯需要的是一种方法,能更自然地表述他的场,而且他已经知道怎么去做了。
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