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一方面,所有载力子均无质量的规范理论是优雅且对称的,毕竟,这个理论中所有粒子的质量是完全相同的;另一方面,一个载力粒子有质量,且质量可能各不相同的理论是烦琐且缺乏对称的,物理学家称其为对称性破缺。
在日常生活中,我们很容易发现对称性被打破的例子。
想象一支铅笔,用削尖的一端直立在桌面上。
现在,从各个方向来看,它都是完全对称的。
然而,如果铅笔受到一股气流的冲击,就有可能向北、向西南或其他任何方向倒下去。
相对于垂直方向,铅笔不再是对称的。
这说明尽管物理学的基本定律是对称的——在这种情况下,重力指向下方,不偏向罗盘的任何方向——然而,这些定律的结果可能是不对称的。
希格斯想象中的场处于关闭状态时是完全对称的,并不破坏局域规范不变性,但其会因为对称性自发破缺(spontaneofsymmetry)导致其打开,并与规范载力子相互作用,赋予它们以质量。
希格斯想象存在一个墨西哥草帽形状的势能场(sombrerohatpotential),粒子的能量由自身在这个场中所处位置的高度来决定。
最初,在大爆炸的超高能量条件下,粒子位于草帽的中央的最高点,处于完全对称状态。
然而,随着宇宙逐渐冷却到如今的低能状态,粒子选择了一个方向,滚落到草帽的帽檐处,破坏了最初的对称性。
要解释无质量载力子与希格斯的自发破缺场的相互作用如何产生质量,还须等一等,希格斯方案还有一个更直接、更紧迫的问题要解决。
其他物理学家都知道这个问题,这也是为什么量子场论在20世纪60年代初不受欢迎的另一个原因。
再想想那顶墨西哥草帽。
描述希格斯场能量的粒子可以停留在帽檐上的任何一个位置,每个位置都对应着希格斯场的一种状态。
原子可以通过发射或吸收1个能量等于两种状态之间的能量差的光子,从而从一种能量状态转变为另一种能量状态。
然而,在希格斯场的情况下,环绕帽檐一周的各个状态都处于完全相同的高度,因此具有相同的能量。
从一种状态到另一种状态不需要能量,这意味着对应的粒子质量为零,这种粒子被称为戈德斯通玻色子(Goldstoneboson)。
英国物理学家杰弗里·戈德斯通(JeffreyGoldstone)发现,这种粒子是标量场对称性自发破缺不可避免的结果。
问题是,如果质量为零,那么这种粒子应该很容易产生,所以物理学家应该早就在实验中发现它们了。
但是戈德斯通玻色子从未显露真容。
物理学家们曾把没有找到戈德斯通玻色子作为证据,认为需要自发对称性破缺才能与现实世界接触的量子场论在理论上是行不通的。
但是,局域规范对称性可能产生基本力的想法非常吸引希格斯。
这个想法是那么优雅、那么美丽、那么令人心旷神怡,让他实在割舍不下。
多年来,这种想法一直萦绕在希格斯的脑海中,现在他终于有了突破。
3周前,他将论文寄给了《物理快报》,公布了惊人的结果。
希格斯突破性的发现在于,如果量子场论是局域规范不变的,也就是说,如果也存在规范载力子的话,戈德斯通玻色子就会消失。
要理解原因,就有必要先了解无质量粒子和有质量粒子之间的关键区别。
如前所述,亚原子粒子只不过是通过量子场传播的波,就像风吹过麦田一样。
我们生活的世界是具有三个维度的空间,因此很明显,粒子的波可以在三个相互垂直的方向上振**。
这种直觉对于具有质量的粒子是正确的,但是对于以光速运动的光子这类无质量粒子来说并非如此。
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