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【转载】物理学之美  

2016-03-29 11:13:41|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自shengge《物理学之美》
来源:高中物理岳阳讲堂

物理学之美

  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。
1
理论预言之美

  狄拉克可算是物理学家中追美之第一人。他淡泊名利、少言寡语,却对其物理理论之数学美极端追求,以至于在1963年《美国科学人》的一篇文章中,他写出如此超凡脱俗的话:“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,做到自圆其说,而作出了一个被称为“狄拉克海”的美丽假设。在这个假设的模型中,狄拉克天才地预言了当时并不存在,似乎显得有些荒谬的正电子【1】。

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  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!

  可没想到,在1932年,从美国加州理工学院传来一条令人吃惊的消息:卡尔·戴维·安德森(Carl David Anderson)在研究宇宙射线的云室里,发现了一种与狄拉克假设的“空穴”一模一样的新粒子——正电子!这是人类第一次发现的反物质,这个实验为狄拉克赢得了1933年的诺贝尔物理奖。卡尔·戴维·安德森之后也因此发现而得到了1936年的诺贝尔物理奖。

  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,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,从理论上预言存在一种希格斯玻色子。然后,他们孜孜以求,期望等待着希格斯粒子登场,其目的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。

2
物理模型之美

      物理,物理,究物之理,即探究物质起源之理,这是上天赋予物理学家的基本使命。物质到底是由什么构成的?物质的结构是否可以无限可分下去?早在公元前4世纪,古希腊学者德谟克利特就提出了物质由不可分的“原子”构成的观念。后来,意大利科学家阿伏伽德罗提出分子学说;英国科学家道尔顿建立原子模型。再后来,科学家又证明了原子是由质子、中子、电子组成的。除此之外,人们还听说过光子、夸克、中微子等等,直到现在,被大多数物理学家认可的、最好的粒子物理理论,则是标准模型【2】。

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  在标准模型中,物质的本源来自于4种基本力,以及61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。

  标准模型认为的“基本粒子”有61种,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。

  希格斯粒子是“标准模型”的宠儿,是被此模型所预言的所有基本粒子中,最后一个被发现的粒子。2012年7月4日,欧洲核子中心(CERN)第一次宣布,他们的大型强子对撞机(LHC)捕捉到类似希格斯玻色子的踪影。2013年3月14日,欧洲核子研究组织发布新闻稿表示,先前探测到的新粒子被确认是希格斯玻色子。即媒体所谓的“上帝粒子”。

  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。

3
对称破缺之美

  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,即对称的破缺,才构成了我们周围这个美丽的世界。

  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种种对称性,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。

  可以举出很多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。当它朝某个方向倒下之后,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,所以叫做自发对称破缺。

  再表达得更清楚一些,就是说,物理规律具有某种对称性,但是,它的方程的某一个解却不一定要具有这种对称性。实际上,我们看到的世界中的一切现实情况,都只是“自发对称破缺”后的某种特别情形。因此,它只能反映物理规律的一小部分侧面。

  自发对称破缺的概念,首先是在凝聚态物理中被朗道提出【3,4】、由安德森发展,为了解释物质相变而用的。下面,我们举几个物理中对称破缺产生相变的例子。

  比如液态和固态,它们的对称性,到底孰高孰低呢?对称又如何破缺而导致相变呢?首先想象一下在液态(水)中的情形:其中的水分子作着随机而无规的布朗运动,没有固定的方向,没有固定的位置,液态的分子处于完全无序的状态,处处均匀,在任何方向,任何点看起来都是一样的!而这正是我们所谓的对称性,也就是说,液态的对称性很高。在固态(冰)中的情形就不一样了。水分子们不再像在液体中看起来那样单调乏味,它们有次序地排列起来,形成整齐漂亮的格子或图案。当你从晶格中望过去,不同方向会有不同的风景。也就是说,固态的有序程度增加了,而对称性却降低了。

  用数学的语言来描述的话,液态时,如果将空间坐标作任何平移变换,系统的性质都不会改变,表明对空间的高度对称。而当水结成冰之后,系统只在沿着某些空间方向,平移晶格常数a的整数倍的时候,才能保持不变。所以,物质从液态到固态,对称性减少了,破缺了。从连续的平移对称性减少成了离散的平移对称性。也就是说,晶体是液体的任意平移对称性破缺的产物。

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  另一个例子,是顺磁体到铁磁体的转变。在居里温度以上,磁体的磁性随着磁场的有无而有无,即表现为顺磁性。外磁场消失后,顺磁体恢复到各向同性,是没有磁性的,因而,与刚才所说的铅笔类似,具有旋转对称性。当温度从居里点降低,磁体成为铁磁体而有可能恢复磁性。这时铁磁体会随机地选择某一个特定的方向为最后磁化的方向,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。

  事实上,我们能看到的真实世界的确是多次自发对称破缺后的结果,其中包括大爆炸、星团形成、生命诞生等等。

  后来,自发对称破缺的思想被嫁接到粒子物理,再应用到了标准模型中,在那儿大显身手。

4
统一场论之美

  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为复杂的对称性,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?”别着急,这当然只是说粒子物理学家们研究了几十年的规范理论走入了困境。因为根据这个理论模型,得出了一个没有质量、与实际情况不相符合的世界。

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  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,共6位主要人物【5,6,7】,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格拉肖的弱电理论,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【8】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。

  将四种作用力,以及构成世界的所有基本粒子,统一到一个单一的理论框架中,一直是物理学家们追求的美梦。就连伟大的爱因斯坦,也抵挡不住统一场论之美的诱惑,把他后半生几十年的精力献给了这一事业。

  相信希格斯粒子的发现、标准模型的验证、近代弦论的发展,让我们离统一场论之美景更近了一步。

参考文献


【1】Dirac, P. A. M. (1928). "The Quantum Theory of the Electron". Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 117 (778): 610.

【2】R. Oerter (2006). The Theory of Almost Everything: The Standard Model, the Unsung Triumph of Modern Physics (Kindle ed.).

【3】Collected Papers of L D Landau, Ed. D ter Haar, NY, 1965 (Reprint of Landau’s papers)

【4】于禄,郝柏林。《相变和临界现象》,科学出版社,1992


【5】Englert,Franc?0?5ois; Brout, Robert (1964). "Broken Symmetryand the Mass of Gauge VectorMesons". Physical Review Letters 13 (9): 321–23.

【6】Higgs,Peter (1964). "Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons". Physical ReviewLetters 13 (16): 508–509..

【7】Guralnik,Gerald; Hagen, C. R.; Kibble, T. W. B. (1964). "Global Conservation Laws and MasslessParticles". Physical Review Letters 13 (20): 585–587.

【8】"HiggsBoson Discovery Confirmed After Physicists Review Large Hadron Collider Data atCERN". Huffington Post. 14 March 2013. Retrieved 14 March 2013.

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来源:张天蓉科学网博客

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