空中的城堡理论(从空中的城堡到微观世界的理论基石)

作者|先生。

资料来源:迟先生

2012年7月4日，一场专题报告会在CERN主报告厅举行。

在这篇报道中，在欧洲大型强子对撞机LHC上运行的两个实验分别公布了它们的最新结果:它们同时发现了希格斯粒子。

半个多世纪前预言希格斯粒子的彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也应邀参加了讲座。

在陈述过程中，彼得·希格斯被媒体拍照，并不时擦眼睛。显然，这位83岁的老人有点激动。

被媒体拍到的彼得·希格斯正在擦眼睛。

报告会上，两个实验的科学家分别展示了他们最新的分析数据。最终结果公布时，科学家们兴奋地向上挥拳，接受了观众的欢呼，“终于，我们找到了！”

科学家为希格斯粒子的发现欢呼

这是几乎所有粒子物理学家期待了半个世纪的结果。几乎半个世纪前几位德高望重的理论物理学家的研究成果，最终被实验物理学家所证实。

为什么这个发现如此激动人心？因为，在物理学的顶级分支——粒子物理学的发展过程中，几十年来，逐渐建立了一套理论框架，被称为粒子物理学的标准模型。这个框架中几乎所有的底层粒子都被找到了。希格斯粒子被认为是最后一个底粒子，因此也被称为“标准模型的最后一个谜题”。

粒子物理学的标准模型

现在，科学家们目前所知的标准模型建筑的最后一个框架也已经搭好了。这个粒子物理标准模型的发展，凝聚了近一个世纪几代人的心血。

泡利的怀疑

如果我问你，这个世界上有多少“势力”？你可以列出“重力、摩擦力、磁力、压力、浮力”...很多很多！”但如果你问一个现代粒子物理学家，世界上有多少种“力”，你一定会得到四个答案:强核力(强相互作用)、弱核力(弱相互作用)、电磁力和万有引力。那么为什么普通人眼中的力的类型和物理学家眼中的不同呢？那是因为，除了万有引力来自万有引力之外，生命中几乎所有能感受到的力，本质上都来自电磁相互作用力。

你可能会疑惑，为什么不带电的物体产生的力本质上都是电磁力？事实上，像摩擦力、压力等力。，看似没有电和磁的参与，都是微观层面上分子之间的相互作用，分子之间通过自身的电磁场相互作用。所以这些宏观上不带电的磁力，其实就是电磁相互作用。

那么，为什么我们看到的世界感受不到重力和电磁力之外的两种力呢？强核力，弱核力，分别是什么？事实上，顾名思义，无论是强核力还是弱核力，其影响范围都非常短，而且只能在原子核内发挥作用，是实验物理学家通过对放射性衰变的分析发现的。就像橡皮筋一样，强核力会拉动原子核中因为电荷相同而相互排斥的粒子，而弱核力则是启动恒星放射性衰变和氢聚变的力。

人类最熟悉的基本力是引力，这也是在宇宙尺度上维持恒星运动的最直观的力。由于近百年来电磁学和电动力学理论的发展，特别是在英国物理学家麦克斯韦总结出一套描述电场、磁场、电荷密度和电流密度关系的偏微分方程组——麦克斯韦方程组之后，人类对宏观电磁力及其传播子光子有了深入的认识。在20世纪20年代，当赫尔曼·威尔试图统一广义相对论和电磁学时，他用数学方法将麦克斯韦方程描述的场概括为规范场。

这里的规范场是指满足某种规范变换不变性的物质场。举个例子:我们熟悉的地球引力。如果在地球附近的引力场中举起一个苹果，地球引力给苹果带来的引力势能的大小会因为零点的选择不同而不同，所以引力势能的分布不是一个规范场。但无论引力势能的零点如何选取，固定位置的苹果上引力的大小是一定的，所以引力场就是规范场。同样，电磁场也是规范场。

但与这种重力和电磁力容易观察到宏观效应不同，另外两种基本力的认知过程要困难得多。因为对另外两种力的研究，起初只能在放射性衰变等看不见摸不着的反应中进行。

19世纪末发现放射性元素后，欧内斯特·卢瑟福和约瑟夫·汤慕孙研究了铀在磁场中的辐射偏转，发现铀的辐射有三种:带正电荷、带负电荷和不带电。他们把这三种射线分别称为射线、射线、射线，发出射线和射线的衰变过程也称为衰变和衰变。

在1930年的物理学界，人们正在讨论一个严肃的问题，即能量、动量和自旋角动量是否守恒，因为当时实验中观察到的衰变能谱始终呈现弥散状态，无法给出一个确定的能量值。这个问题触及基本守恒定律如此之深，几乎撼动了几千年来物理学的基石。但当时相对论和量子论的发展已经一次又一次地打破了物理学家的世界观，人们已经开始仔细考虑守恒定律也被打破的可能性。

然而，年仅30岁的奥地利物理学家沃尔夫冈·泡利却是守恒定律的坚定信徒。为了解释这个问题，他提出了一个假设:他认为在衰变过程中，除了实验中观察到的带电粒子射线之外，还有一束不带电粒子射线。这种粒子是如此的小，如此的孤独，以至于当时的各种探测器都无法观测到它，它就是中微子(泡利最初称之为“中子”，但两年后詹姆斯·查德威克发现了真正的中子，恩利克·费密和泡利将其改名为“中微子”)。这也是历史上第一次完整地写出了涉及弱核力的衰变过程的表达式。

几年后的1935年，为了解释原子核中的质子和中子是如何束缚在一起的，日本科学家汤川秀树提出了强核力理论。

沃尔夫冈·泡利

在那之后的二十年里，物理学界对强核力和弱核力做了更深入的研究。到1953年，科学家们想根据麦克斯韦方程写出描述核子、介子及其相互作用的方程。这时，泡利在长期研究规范场方面取得了一些突破。他通过纯数学工具严谨地推导出了一个可以统一描述电磁力场和核力场的非阿贝尔规范场方程。

上面的“阿贝尔”是指这个规范场满足“阿贝尔群”的条件。尼尔斯·阿贝尔是一位天才的挪威数学家，英年早逝。尼尔斯·阿贝尔在他仅有的26年生命中，在许多数学领域做出了杰出的贡献，其中之一就是具有交换性质的群。为了纪念这位数学家，交换群也被称为阿贝尔群。对于某个规范场的某个变换，如果连续两次变换的结果与阶无关，数学上称为阿贝尔，否则称为非阿贝尔。比如大家熟知的加法，1+2+3=1+3+2，与计算的顺序无关，所以加法属于阿贝尔群。但是3D 空中的旋转会有不同的结果。比如下图就是中国物理学家安东尼·齐(Anthony Zee)在他的科普著作《可怕的对称性》中给出的一个例子。按照军官的要求，一名海军新兵先在纵轴上向右旋转90度，再在横轴上向右旋转90度，交换这两个命令。

非阿贝尔群运算的一个例子

数学上，电磁力满足阿贝尔规范场的形式，而核力的相互作用则呈现非阿贝尔规范场的形式。

此时，泡利已经53岁了。他以泡利的不相容原理等理论而闻名。他现在是著名的科学家，被学术界称为“物理学的良心”、“上帝的鞭子”。虽然他写的非阿贝尔规范场方程在数学上很美，但他意识到这个方程在物理学上还有一个致命的缺陷，那就是方程中有一个散度项，这意味着这个方程表明规范场必须有质量为零的规范粒子和转移相互作用来维持方程之间的关系。而一个质量为零的规范粒子，意味着它传递的相互作用力应该是长程力，应该可以在无限远的距离上接收到它的力，这与现实中发现的短程核力是矛盾的。因此，泡利意识到他的理论“导致了一些相当不切实际的阴影粒子”，所以他只在几次讲座中谈到了这一理论，而选择不发表这一成果。

但是在这个之后的第二年，一个三十出头的中国人和他的美国合作者也写了一个类似的方程，他们希望这个方程能够描述强大的核力量。与谨慎的泡利不同，这个年轻的中国人选择了迅速发表自己的研究成果，并开始了在学术圈的宣传。

1954年，年轻的中国人在普林斯顿做了一个关于这个方程的学术报告，这个报告的会场都是大师，就像一场华山论剑。其中有泡利前年用同样的概念写的方程。当这位年轻的中国人在黑板上写下他的新发现时，他被坐在台下的保利打断了:“方程所描述的这个场的质量是多少？”泡利的问题简单却深刻，却像内力强大的杨手指直接戳中了这个理论的软肋:无法描述现实中有质量的粒子，泡利自己也很清楚这一点。宝本希望目睹一场精彩的表演，但中国人只是尴尬地回答:“我不知道……”

质量！质量在哪里？这是泡利最担心的。不解决粒子质量的来源问题，所有美好的方程都是纸上谈兵。不出意外，这个中国年轻人写的方程发表后并没有引起当时学术界的重视，这个理论在那之后被搁置了一段时间。

这个年轻的中国人是杨振宁。这个方程最初是由泡利写的，后来被杨振宁和他的合作者重新发现，后来被一些人称为杨-米尔斯方程，因为和米尔斯选择发表它。

杨振宁和罗伯特·米尔斯

然而，泡利、杨振宁和米尔斯当时可能都没有料到。多年以后，这个有缺陷的方程所描述的规范对称性已经成为标准模型的基石之一。

基本粒子元素周期表

与泡利等人痴迷于研究物质之间的相互作用不同，另一批科学家现在痴迷于研究物质本身。

我们知道，这个世界上所有的宏观物体都是由无数个叫做原子的微小粒子组成的。原子由一个位于其中心微小空空间的原子核和若干个在原子核空空间空之外围绕原子核运动的电子组成。原子核包含几个紧密结合在一起的质子和中子。这些原子核中质子和中子的数量不同，决定了不同的原子具有不同的物理性质。我们所熟悉的氧、碳、氢等不同的原子，由于其原子核内质子数的不同而表现出不同的性质。

但是质子和中子是物质的最小结构吗？科学家对此的认知随着实验的进展逐渐改变。20世纪50年代，研究微观粒子实验的物理学家发现，一小部分粒子行为非常奇怪，寿命比其他粒子长得多。

为了解释这些粒子的奇异现象，20世纪60年代初，以默里·盖尔曼为代表的粒子物理学家提出了夸克模型的概念，认为大多数粒子只包含上夸克和下夸克，而这些奇异粒子的结构中包含另一种与下夸克电荷一致的成分——奇异夸克。虽然这样一个包含三个夸克的夸克模型成功描述了上世纪60年代发现的几乎所有基本粒子的物理性质，但分数电荷的假设无论如何在当时都显得有点疯狂。

默里·盖尔曼，夸克之父

也许是为了淡化这个疯狂想法的严重性，盖尔曼选择用一个模仿鸭子叫声的荒谬名字“夸克”来命名他的假想粒子。甚至在他的夸克理论之初，他自己也只是假设了他所想象的粒子名称的发音，没有固定的拼写。

与此同时，著名物理学家理查德·费曼提出了另一个模型，称为“部分子模型”，以了解基本粒子的行为和分类。夸克模型和部分子模型都可以解释粒子分类中的一些问题，所以直到20世纪60年代末，粒子物理学都没有完全接受夸克模型。就连夸克模型的提出者盖尔曼也保持了谨慎的态度，表示夸克模型只是一个数学模型，并试图模糊化夸克是否真的存在。即使当斯坦福线性加速器中心(SLAC)在1968年发现质子中确实存在更深的二级结构时，科学家仍然更愿意相信所发现的二级结构是部分子而不是夸克。

理查德·费曼

那么事情是如何扭转的呢？夸克模型究竟是如何成为粒子物理学家的共识的？

在盖尔曼提出夸克模型后不久，谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)和詹姆斯·比约肯(James Bjorken)在盖尔曼包含三个夸克的模型基础上提出了第四个夸克存在的假说，格拉肖和比约肯将这第四个夸克命名为“粲”。魅力这个词的意思是“魔力、魅力和吸引力”。glashow认为魅力夸克的魅力可以使夸克模型更加完善。

詹姆斯·比约肯

谢尔顿，格拉秀

王竹溪先生是我国著名的物理学家，曾指导过李政道、杨振宁等人，他把这种夸克的中文名翻译成“奇夸克”。“Chi quark”这个词的意思是“美丽而生动”，与英语中charm的发音相似，也表达了与英语原词相似的意思。在华人圈的其他地方，比如中国台湾省，粲夸克被翻译成“粲夸克”更直白。

Glashow和Bjorcken似乎是数学对称美的终极追求者。他们认为既然在盖尔曼等人的模型中存在一种类似于下夸克的奇异夸克，那么就应该存在另一种类似于上夸克的夸克。不仅如此，新夸克的加入可以更好地描述弱相互作用，这是自然界最基本的相互作用之一。然而，他们的猜测在当时并没有受到重视。

真正让粲夸克假说得到更多关注的是glashow、John Iliopoulos和Luciano Maiani在1970年写的一篇论文，他们在论文中提出了更多关于粲夸克的证据。文中的理论观点后来以他们三个姓氏的首字母命名，称为GIM机制。Glashow对魅力夸克理论非常有信心。他甚至在1974年举行的一次国际会议上树立了一面旗帜。如果两年内找不到魅力夸克，就吃他的帽子！

约翰·利尔plus

卢西亚诺·梅安妮

事情没有让格拉肖失望。在他下了吃帽子的赌注后不久，几个实验小组发现了一些有趣的新结果。1974年9月，位于美国布鲁克海文国家实验室的丁肇中实验小组利用向铍靶发射高能质子，从碰撞产物中寻找正负电子对的方法，发现了一个奇怪的信号:他们发现总能量为31亿电子伏的正负电子对频繁出现，这意味着大规模产生了一种质量为31亿电子伏的新粒子。在粒子物理学家看来，质量和能量是等价的，31亿电子伏的能量相当于一个电子在31亿伏电压下获得的能量。丁肇中的学术声誉很好，他做实验非常谨慎。他不愿意贸然发表任何可能是错误的结果。在粒子物理实验中，经常会有仪器引起的干扰信号。在我们不能确定实验结果不是一些错误的电子信号之前，丁肇中的团队正在秘密地分析和检查他们的实验数据。

与此同时，在美国斯坦福直线加速器中心，伯顿·里克特的实验团队设计并建造了一种新型对撞机——斯坦福正电子不对称环(SPEAR)，电子和正电子以相反的方向旋转并对撞。1974年11月10日，他们还发现了许多在31.05亿电子伏特能量下产生粒子的事件。同样，这意味着一种新粒子存在的迹象，他们将其命名为“介子”。里希特迫不及待地将这一成果公之于众，于是他们决定第二天发布这一消息。

伯顿·里克特和丁肇中

无独有偶，11月10日，就在里克特的实验团队发现他们新成果的同一天，原本远离美国东海岸的丁肇中恰好在美国西海岸的斯坦福直线加速器中心相遇。在这里，在得知里克特实验小组发现新粒子的消息后，丁肇中发现里克特小组发现的新粒子的质量与自己小组的如此接近，他不得不怀疑两个小组是否发现了同一种粒子。所以丁肇中决定不再犹豫，立即将他的团队的发现公之于众，并将他们发现的粒子命名为“J介子”。

11月11日上午8点，丁肇中和里克特在SLAC实验室主任的办公室里见了面。双方都祝贺对方的新发现。经过一番交流，他们确定自己发现的新粒子确实是同一种粒子。因此，他们立即分别公开了他们的实验结果，并撰写了两份报告，发表在12月份的《物理评论快报》上。由于两个团队独立发现并命名了新粒子，为了使他们的贡献得到认可，学术界将这种粒子命名为J/ particle，这也是由两个字母组成的基本粒子家族中唯一的粒子名称。

J/粒子的性质不同于以往发现的任何粒子，以至于只有glashow和Bjorcken在夸克模型下预言的粲夸克才能合理解释J/粒子的存在。事实上，J/粒子是由一个粲夸克和一个反粲夸克组成的。J/ particle的发现在粒子物理领域引起了一场不大不小的革命，后来被称为“十一月革命”，因为这意味着夸克模型理论不是一纸空空谈。由于粲夸克的发现，强子被证明是由夸克组成的。

然而，这并不是夸克发现故事的结尾。当丁肇中和里希特忙于加速器和对撞机实验时，另一组科学家在其他领域的研究表明，夸克的数量更被大老鼠肖和比约肯所相信。

早在1956年，为了解释质量和寿命相同的+粒子和+粒子(后来证明其实是同一个粒子，现在叫K+介子)具有不同的宇称量子数和不同的衰变产物，李政道和杨振宁提出在弱相互作用下，微观粒子的行为可能不具有宇称量子数守恒。宇称守恒对应的对称是“左”和“右”的对称。李政道和杨振宁的猜想意味着，在微观世界中，“左”和“右”的物理规律并不完全相等。

李宗道

这个推测在当时是相当有力的，打破了几千年来被人类奉为金科玉律的观念。第二年，中国科学家吴健雄女士和其他科学家在对钴60(60Co)衰变的观察中证实了这一猜想。她设计了一个实验，在两套互为镜像的装置中使用钴60。一组装置中钴60原子核的自旋方向向左，另一组装置中钴60原子核的自旋方向向右。结果发现，在极低的温度下，两套装置发射的电子数相差很大，这进一步证实了李政道和杨振宁的假说。同年，李政道和杨振宁因为这个划时代的假说获得了当年的诺贝尔物理学奖。

吴健雄

在弱相互作用下宇称对称性破缺被发现后不久，物理学家发现弱相互作用下电荷共轭的对称性也被破缺。这时，列夫·朗道、李政道和杨振宁认为电荷宇称(C-P)这两个量子数的组合应该保持良好的对称性。电荷宇称对称性守恒可以使粒子和反粒子遵循相同的物理定律。

莱夫兰道

1964年，在带有奇异夸克的介子衰变中，科学家们发现了另一个更加“奇怪”、更加不可接受的事实:电荷宇称组合的对称性似乎并不守恒。在电中性K介子的衰变中，Jim Cronin和Val Fitch发现，本应衰变为三个介子的长寿命K介子，有的却衰变为两个介子。电荷宇称对称性守恒不允许这种衰变方式。克罗宁和惠誉的研究成果再次给理论界带来了巨大的冲击，也为他们带来了1980年的诺贝尔物理学奖。

瓦尔菲奇(左)和詹姆斯·克罗宁(右)

为了解释电荷宇称对称性破缺，1973年，日本科学家小林和吉川敏英在意大利物理学家尼古拉卡·卡比博的研究基础上，建立了卡比博-小林-一川矩阵，给出了电荷宇称对称性破缺的必要条件，并在当时只发现3个夸克的情况下预言了6个夸克的存在。之后分别于1977年和1995年在粒子加速器中发现了底夸克和顶夸克。到目前为止，六种口味的夸克都已经被发现，夸克模型已经完整呈现。夸克模型将来会成为标准模型的基石之一。