封鎖它就是封鎖人類科技，“上帝粒子”到底是什麼？ | 三體科學匯01 | AC茂的模

三體第一部地球往事獲得了第73屆餘果獎最佳長篇小說獎 這部小說再版和第一版有一定的區別 新一版刪去了部分可能導致404的內容 並且排版也調整了一定的順序 我就以新版爲準 故事從納米材料科學家汪淼的視角展開 他被邀請參加一個神祕的會議 會議上常韋斯將軍請求汪淼臥底科學邊界組織 查查近期衆多科學家自殺之謎 汪淼在自殺科學家名單裏看到了楊冬 這個大神級理論物理學家直到首次露面之前 甚至沒人知道他的性別 投資200億的中華二號高能加速器 正是爲了驗證他提出的一個超弦模型 汪淼對楊冬的自殺感到震驚 他接受了加入科學邊界調查的任務 在這部小說第一章的故事裏 就提到了最近幾年最具爭議的大型粒子對壤機 那麼這期就圍繞這個話題展開 去年一篇題爲楊振寧的最後一戰的文章廣爲傳播 這篇網紅文章引起科學界甚至科學界之外發生激烈爭議 人們再次聚焦中國是否應該投入數百億 甚至千億建造超級對壤機 2012年至今 中國科學界特別是物理學界 激烈爭論超級對壤機項目CEPC 它由中國科學院高等物理研究所提出 科學家代表爲高等所所長 中國科學院院士王一芳 得到海內外高等物理學界的較多支持 但科學界包括物理學界都有各種不同的意見 先簡單介紹一下CEPC CEPC全稱是環星正負電子對壤機 是中國高能物理學家們在2012年9月提出的 正在規劃中的高能粒子加速器項目 用於替換即將到達預期壽命的北京正負電子對壤機 該加速器項目分爲兩步 一期工程爲CEPC 能量將達到1200億電子伏特 二期工程爲SPPC 能量將達到45萬億電子伏特 是歐洲正在運行的LHC最高能量的七倍 爲什麼要建造CEPC呢 網紅文說是爲了驗證超前理論 這個只能說是其衆多副產品之一 如果沒有一個明確可持續進行的科研目標 只是爲了驗證某個理論花費幾百億 這個項目就沒什麼討論的必要了 CEPC首先可以作爲希格斯工廠 大量製備希格斯粒子 以精確測量其性質 希格斯粒子本來準備開個粒子物理這個深坑的時候再講 但既然跳不過去 這期就主要介紹一下了 這是瑞士日內瓦西北部的郊區 左邊已經能看到法國邊境處的農田 背景是美麗的日內瓦湖 漂亮的建築 翠綠的草坪 很難想象 在這一片寧靜祥和的美景之下 隱藏着一個巨大的科學工程 歐洲核子中心的大型強子對撞機 歐洲核子中心CERN 可以說是世界上科學研究最前沿的地方 二十多年之前 萬維網在這悄然誕生 之後的發展有目共睹 2012年 這個組織宣告找到了上帝粒子的消息 震驚了全世界 第二年 CERN的實驗物理學家們 基本確認發現了希格斯粒子之後 諾貝爾委員會將2013年的物理獎 授予了與此相關的兩位理論物理學家 弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯 大型強子對撞機LHC 隱藏在100米深的地下 位於一個周長27公里的巨大環形隧道內 當年 全世界各國的科學團體聯合建造 這個世界最大粒子加速器的主要目的 就是爲了尋找希格斯粒子 這是一臺世界上最昂貴的顯微鏡 幾年來 世界各國合作的總耗資達到130億美元 上萬人爲此日夜辛勤工作 目的就是爲了追蹤一個平均壽命 只有1.56乘以10的-22次方秒的 小小的基本粒子 這個不平常的小東西不是天外來客 因此 與其說是CERN發現了希格斯粒子 還不如說是對撞機制造出了希格斯粒子 事實上 科學家們試上LHC隧道中的兩束質子 以每秒11245圈的速度狂奔後相撞 在極小的空間內爆發出 等同於10萬倍太陽溫度的超級高溫 並釋放出大量的能量和粒子 希格斯粒子就有可能產生在其中 不過質子碰撞產生希格斯粒子的幾率很小 每1012次的對撞纔可能產生一次 並且 希格斯粒子一旦產生後轉瞬即逝 在11分之1秒的時間內 就會衰變成其他的粒子 雖然有人稱其爲上帝粒子 但希格斯粒子與上帝 或者上帝的存在與否絲毫無關 它也不是什麼新聞媒體所大肆渲染的 世界上一切物質的質量來源 說得準確一點 它是爲大多數物理學家所認可的 爲什麼需要爲標準模型中的粒子提供質量來源呢 楊振寧在普林斯頓高研院 做關於楊米爾斯規範場的報告時 泡利提出了有關質量的問題 這個問題當時無法解釋 因而使得規範場的理論沉寂多年無法應用 在電磁規範理論中 光子作爲滿足局域規範不變的要求而被人爲引進 帶電荷的粒子通過交換光子而相互作用 因此人們把光子稱作電磁作用的中間波色子 除了電磁作用之外 還有弱相互作用和強相互作用 它們是否也可以看成是粒子之間 通過交換某種中間波色子而作用的呢 這種想法和類比如此美妙 使理論物理學家難以放棄 但是這其中有一個與質量有關的困難 如果要求被推廣的理論滿足規範不變的條件 其中引入的中間波色子必須是沒有質量的 衆所周知光子沒有靜止質量 因而它按照狹義相對論允許的最大速度光速運動 也就是說規範理論需要的光子 正好符合規範不變所要求的無質量的條件 也正好符合相對論光速恆定的理論和相關實驗事實 但是如果將這點用於弱相互作用和強相互作用 其中的中間波色子也沒有質量的話 就產生了一系列的問題 我們首先探究一下質量爲0 及不爲0的粒子有何不同 質量爲0的粒子以光速運動 質量不爲0的粒子速度小於光速 如果粒子自旋爲1 質量爲0的粒子只有兩個自由度 1-1 質量不爲0的粒子有三個自由度 四種相互作用中 引力和電磁力是遠程力 強互作用和弱互作用是進程力 引力和電磁力符合平方反比率 作用的大小隨着距離的增大 而與距離平方成反比的減小 但從理論上說 它們的作用範圍是無限的 而強弱兩種作用的所謂進程 是指在很小的微觀世界起作用 遠到一定範圍之外就沒有了 比如說 強作用力只在10-15次方米範圍內有作用 弱作用力的範圍不超過10-16次方米 物理學家們認爲 引力 電磁力及強力 都由無質量的傳播量子傳播 但強力傳播遠是因爲夸克禁閉的原因 對弱力爲進程力性質則有另一種解釋 普遍觀點是認爲弱力的傳播子具有較大的質量 但是現在如果我們想把弱作用 嵌入到規範場的理論框架內的話 它的傳播量子最好沒有質量 才能符合規範不變 不僅僅弱作用中間波色子的非靈質量惹來麻煩 貝米子的非靈質量也產生問題 比如說電子 它既參與電磁作用也參與弱相互作用 根據狄拉克的電子理論 電子運動速度小於光速 因而旋轉度不固定 但弱作用中有一種弱超荷 電子的旋轉度不確定性將導致弱超荷不守恆的錯誤結論 基本粒子的非靈質量給規範場理論帶來了這麼多的麻煩 而物理學家又捨不得規範理論的數學美 那麼是否可以首先假設這些粒子沒有質量來構造出漂亮的理論 然後再從規範理論之外去尋找一種方法 給所有的粒子加上它應該有的質量呢 於是各種方案應運而生 這其中最簡單大多數人最喜歡的一種 便是在1964年由三組研究人員獨立提出的希格斯機制 希格斯機制最初的思想來自於對超導現象的解釋 上世紀50年代 前蘇聯物理學家朗道和金斯堡在描述超導時 引進了一個飆量場 這個場有不爲零的真空值 該場與光子相互作用時使得光子帶有質量 因此在超導內部的電磁場能量很高 產生超導效應 希格斯等人將這種讓光子產生質量的方法 用於粒子物理中 爲基本粒子產生質量 謂之希格斯機制 朗道引入的飆量場 便類似於現在所說的希格斯場 根據量子場論的觀點 每種場都對應一種粒子 希格斯場對應希格斯粒子 並非只有希格斯機制才能爲基本粒子賦予質量 所以即使仍然使用規範理論 也不是一定要有希格斯粒子來提供質量 還可以有別的方法 如果再深究一下質量到底是什麼 質量如何起源 我們也許未必見得能完美地回答這個問題 但是根據愛因斯坦相對論所得出的質能關係 E等於mc方 質量和能量是相互聯繫的 起碼可以說質量的一部分來源於能量 這種質量和希格斯粒子沒什麼關係 比如說設想一個無質量的盒子 其中充滿了不停地從四壁反射回來的光子 光子及盒子都沒有靜止質量 但是由於光子帶有總能量E 因而整個盒子可以有與能量相對應的 m等於E除以c方的質量 實際上質子質量的絕大部分 就是來源於上述光子和類似的機制 質子的靜止質量爲938兆電子伏特 組成質子的三個夸克的總質量僅爲11兆電子伏特 剩餘的927兆電子伏特的質量從何而來呢 是來源於強相互作用的傳遞粒子膠子 膠子和光子一樣沒有靜止質量 但質子中的許多膠子在一起運動和相互作用 因此而具有的束縛能便是質子中絕大部分質量的來源 如果空間中存在某種場 場與在其中運動的粒子相互作用 這種作用的結果便有可能改變運動粒子的能量 從而賦予粒子相應的質量 這是希格斯機制能夠賦予粒子質量的基本道理 場的真空態是能量最低的狀態 但是一般來說能量最低的狀態對應於場強爲0 如果場的勢能曲線比較特別 比如經常使用的所謂墨西哥帽子的形狀 這時能量最低的狀態是無限減並的 經墨西哥帽子向下凹的一圈 這一圈的能量最低但場強卻不爲0 希格斯場的真空態便可以由這種勢能曲線描述的系統 產生自發對稱破缺而得到 就像圖中所畫的小球無法停在中間能量較高的不穩定位置 最後朝一邊滾下到谷底某一點的情形 因此真空中存在着場強非0的穩定的希格斯場 這種場無處不在 無孔不入 質量爲0的各種基本粒子深陷其中 與希格斯場相互作用 並且獲得它應該具有的質量 從現代場論的觀點 場的激發態便表現爲粒子 希格斯場的真空態有四種激發模式 其中沿着勢能曲線對稱軸繞圈的相位變化模式有三種 對應於三種質量爲0的goldstone粒子 這些粒子在與其他粒子反應時消失不見 像是被喫掉了 只有一種沿着勢能曲線鏡像振動的激發模式 對應於有質量的場粒子 也就是被大家稱之爲上帝粒子的希格斯粒子 綜上 希格斯粒子解決了質量的問題 物理學家們得以在楊米爾斯規範場的基礎上建立理論 將除了引力之外的其他三種粒子統一在同一個標準模型中 標準模型包括了61種基本粒子 而希格斯粒子正是這些粒子中最後一個被發現的 因此 如果能確定LHC探測到的的確是希格斯粒子的話 無疑是驗證標準模型的一個重要里程碑 乾貨部分就說到這裏 這期內容有些過硬 我保證下期會簡單的多且更有趣味性 至於中國是否該建造大型粒子對樁機這個問題 我就不評論或站隊了 這只是個排序問題 如果解決其他更緊迫問題的資金預算足夠 能夠排到CEPC的話那自然會建 排不到就不會建 但這個爭論擴展到科學界以外是件好事 有助於各個科研項目爲了爭取經費而願意更清晰的 向公衆解釋他們項目的目標和意義 謝謝大家 下期見