逝者丨世界是由什么组成的？“上帝粒子”预测者希格斯辞世

新京报04-11

彼得·希格斯。（来源：爱丁堡大学网站）4月10日，英国爱丁堡大学发布的讣告中表示，物理学家彼得·希格斯于当地时间4月8日去世，享年94岁。他曾成功预测有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子（即希格斯场所对应的粒子）存在。1929年，彼得·希格斯出生在泰恩河畔纽卡斯尔。1960年，他毕业于伦敦国王学院，1960年到1996年期间，希格斯曾在爱丁堡大学任教。20世纪60年代，希格斯在理论研究中预言了希格斯...

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译，上海科技教育出版社，2023年10月版。物质可以拥有多种不同的形式世界是由什么组成的？诸如此类的简单问题始终在测试人类的智力，只要人类还能够做理性思考。当然，如今我们问这个问题的方式已经变得更加精细和微妙，而提供答案已经变得更加复杂和昂贵。但毫无疑问，在我们的内心深处，这个问题依然非常简单。2500年前，所有的古希腊哲学家孜孜以求的是他们对自然界的美丽与和谐的感觉，以及他们的逻辑推理和想象的能力。他们把这种能力应用于那些以自己独立的感官所能察觉到的事物。从历史的角度来看，不同寻常的只是他们能够在多大程度上解决问题。希腊人谨慎地把形式（form）和实质（substance）区分开来。世界是由物质组成的，物质可以拥有多种不同的形式。公元前5世纪的西西里哲学家恩培多克勒（Empedocles）认为，这种形式上的多样性可以简化成四种基本的形式，就是我们今天所知的“古典元素”（classical ele⁃ments）。它们是土、气、火和水。人们断定这些元素是永恒的和不可毁灭的，它们以相当浪漫的组合方式通过“爱慕”（Love）的吸引力而结合在一起，并通过“冲突”（Strife）的排斥力而分离开来，从而构成了世间万物。起源于公元前5世纪的另一个学派认为，世界是由微小的、不可分的而且不可毁灭的物质粒子［叫作原子（atom）］组成的。该学派的代表人物是哲学家留基伯（Leucippus），还有与之关系密切的学生德谟克利特（Democritus）。原子代表所有物质的基本组分，负责构成所有的物质。所以留基伯指出，从原则上来说，原子是必不可少的，因为物质必定不是无限可分的。假如物质是无限可分的，那么我们就能够把物质无止境地分下去，一直分到什么都不剩，而这显然与看起来无懈可击的物质守恒律相矛盾。大约一个世纪以后，柏拉图（Plato）发展出一套理论，可以解释原子（即实质）是如何构建的，从而组成四种元素（即形式）。他用几何体（或柏拉图多面体）来描述每种元素，并在《蒂迈欧篇》（Timaeus）中指出：每个多面体的表面可以进一步分解成三角形（代表元素的组分原子）体系。重新排列三角形的图案就等同于重新排列原子，因此有可能把一种元素转化成另一种元素，并把元素结合在一起以产生新的形式*。应该存在某些最基本的组分，作为不可否认的实在，它们构成了我们放眼望去所看到的物质世界的基础，并将形式和形状赋予了它。这一点似乎是符合逻辑的。如果物质是无限可分的，那么我们就会面临一个问题：那些组分本身变得相当短命，结果就是什么都不存在了。于是物质世界的基本组分不存在了，剩下的只是一些不可思议的、非实质的幽灵之间的相互作用，它们导致了实质的出现**。上述观点也许令人难以接受，但这在很大程度上正是现代物理学已经证实了的东西。我们现在相信，质量不是自然界的最基本组分所具有的固有特性或“主要”属性。事实上，这种意义上的质量是不存在的。质量是完全由相互作用的能量组成的，而相互作用自然包括了无质量的基本粒子。物理学家依旧在对物质分割来分割去，但最后却一事无成。直到17世纪初期、正式的实验哲学发展起来之后，超越那种思辨性的思维方式才成为可能。思辨一直是古希腊人的理论所具有的特征。旧式哲学试图凭借直觉认识物质的本质，但哲学家们对现象的观察会被他们的偏见污染，这种偏见在于他们先入为主地认为世界应该是怎样的。如今，新时代的科学家们拿自然界本身做实验，找出证据说明世界实际上是怎样的。人们主要关注的问题依旧是形式和实质的特性。质量的概念对于我们理解实质具有决定性的作用。质量衡量的是物体处于动力学运动状态时所表现出来的物质的数量。一个物体对速度改变的抵抗能力被诠释成它的惯性质量（inertialmass）。当施加相同的力时，质量小的物体与质量大的物体相比，其速度改变得更快一些。一个物体产生引力场的能力被诠释成了它的引力质量（gravitation⁃almass）。月亮产生的引力要比地球产生的引力弱一些，原因在于月亮较小，所以拥有较小的引力质量。惯性质量和引力质量在现实生活中是等价的，尽管还没有令人信服的理论能够解释为什么会是这样。在原子核中，形式和实质合二为一了科学家们也揭示了自然界之所以形式多样的秘密。他们发现基本的希腊“元素”之一，即水并非像柏拉图所猜测的那样是由三角形所组成的几何体构成的，而是由化学元素氢和氧的原子所组成的分子构成的。如今我们把水分子写成H₂O的组合形式。“原子”是更为现代的用语，这个词首先令人想起希腊人所赋予它的含义，他们把它诠释成物质的不可分割的基本组分。但正当人们热烈地辩论原子的真实性时，英国物理学家汤姆孙（Joseph John Thomson）在1897年发现了带负电荷的电子。这似乎表明，原子进一步应该拥有亚原子层次的组分。在汤姆孙的发现之后，接踵而至的是新西兰人卢瑟福（Ernest Ruth⁃erford）于1909—1911年在曼彻斯特实验室所做的实验。这些实验表明，原子的绝大部分空间是空空荡荡的。一个微小的、带正电荷的原子核处在原子的中心，而带负电荷的电子环绕着原子核运转，就像行星环绕着太阳运转一样。物质的元素是由原子构成的，而原子的绝大部分质量集中在原子核。因此在原子核中，形式和实质合二为一了。即使在今天，原子的“行星”模型依然是一个有说服力的、形象化的比喻。但在当时，物理学家们很快就意识到这样一个模型其实没什么意义。可以预期，这种行星式的原子在本质上是不稳定的。与围绕着太阳运动的行星不同，带电粒子在电场中运动时，会以电磁波的形式辐射能量。此类行星电子很快就会耗尽它们的能量，于是乎原子的内部结构将会崩溃。这个难题的解决方案披着量子力学的外衣出现在20世纪20年代初期。电子不仅仅是粒子——一个可以被形象化为带负电荷的小球体——它同时扮演着波和粒子的角色。它不是定域化了的东西，不像有些人所认为的那样处在“这儿”或“那儿”，而是在其非定域的、幽灵般的波函数（wavefunction）所允许的边界之内“无所不在”。电子并非如此这般地环绕着原子核运行；相反，其波函数在原子核周围的空间会形成典型的三维图案，我们称之为“轨函数”（orbital）。与每个轨函数的数学形式相关联的是在原子内部特定的位置——“这儿”或“那儿”——发现那个如今显得完全不可思议的电子的概率（probability）。（a）在卢瑟福的氢原子“行星”模型中，一个带负电荷的电子占据一条环绕原子核的固定轨道，原子核是由一个带正电荷的质子组成的。（b）量子力学用电子波函数代替了沿轨道运行的电子，能量最低的波函数（1s）的形状是球对称的。（c）在波函数的边界之内，人们现在随处都能“发现”电子的踪迹；但是在旧的行星模型所预言的地方，电子被发现的概率最高。《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》内文插图。量子革命是一个前所未有的、硕果累累的时代从理论物理学和实验物理学两方面来看，量子革命都是一个前所未有的、硕果累累的时代。当英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）在1927年把量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合在一起时，一个被称为电子自旋（electronspin）的新性质脱颖而出。这是一种实验物理学家已经知道的性质，暂且用电子绕着它的中轴线旋转来解释，就好像一个旋转的陀螺，和地球围绕着太阳转动时也绕着中轴线自转差不多。狄拉克（1902—1984）。《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》内文插图。但这只是另一种形象化的比喻，人们很快就发现这种比喻事实上并没有什么依据。如今我们把电子自旋解释为一种纯粹的“相对论性”的量子效应，其中电子可以占据两种可能的“取向”（orientation）之一。这两种取向分别叫作上旋（spin⁃up）和下旋（spin⁃down）。它们并不是在通常的三维空间中沿着特定方向的取向，而是在“自旋空间”（spinspace）中的取向。自旋空间只有两维——上或下。人们发现，在原子中每条轨道只包含两个电子。这就是奥地利物理学家泡利（Wolfgang Pauli）在1925年所阐释的著名的不相容原理，它规定电子不得占据相同的量子态（quantumstate）。泡利（1900—1958）。《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》内文插图。该原理源自由两个或多个电子所组成的复合态的波函数的数学形式。假设复合态是由两个具有完全相同的物理特性的电子造就的，那么其波函数的振幅为零，即不可能存在这样的态。要想使波函数的振幅不等于零，那么这两个电子必须有所不同。这意味着在原子的轨道上，一个电子的自旋取向必须朝上，而另一个电子的自旋取向必须朝下。换句话说，它们的自旋必须一上一下地配对。明智之举是抵抗住诱惑，不要去想象这些不同的自旋取向的实际面目特征。不过，它们的效应足够真实。自旋决定了电子所拥有的角动量的大小，该动量是与电子自旋的“转动”相关联的。自旋也决定了电子如何与磁场相互作用，人们可以在实验室里面仔细地研究此类效应。但在量子力学中，我们对这些效应的起源似乎依然处于一知半解的状态。狄拉克关于电子的相对论性量子理论还给出了两倍于他想要的解。其中两个解对应着电子的上旋和下旋取向，那么另外两个解对应什么呢？他是个有主见的人，不过他在1931年终于做出让步：那另外两个解描述的只能是以前不为人知的、带正电荷的电子的上旋和下旋取向。狄拉克发现了反物质（antimatter）。“正电子”（positron），即电子的反粒子，后来在宇宙线（cosmicray）实验中被发现了。宇宙线是由于高能粒子与地球的外层大气发生碰撞而形成的。1927 年，狄拉克把量子力学和爱因斯坦的狭义相对论结合在一起，创建了一个完全“相对论性”量子理论，于是电子自旋的性质脱颖而出。《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》内文插图。世界上所有的物质都是由化学元素构成的1932年，似乎最后一个未解之谜也水落石出了。英国物理学家查德威克（James Chadwick）发现了中子，它是一种电中性的、与带正电荷的质子紧挨在一起坐落于原子核内部的粒子。物理学家们此时此刻似乎已经具备了所有的要素，能够就我们尚不清楚的问题给出一个明确的答案。答案是这样的。世界上所有的物质都是由化学元素构成的。这些元素种类繁多，组成了周期表，从最轻的氢元素一直排到铀元素。铀是人们所知道的最重的、天然存在的元素。每种元素都是由原子组成的。每种原子含有一个原子核，后者是由不同数目的带正电荷的质子和电中性的中子组成的。每种元素的特性是由它的原子核中质子的数目决定的。氢元素的原子核含有1个质子，氦含有2个，锂含有3个，等等。铀元素的原子核含有92个质子。围绕着原子核的是带负电荷的电子，它们的数目与质子的数目相等，使得整个原子呈电中性。每个电子可以取上旋或下旋的方向，而每条轨道可以容纳两个配成对的、自旋取向相反的电子。这是个包罗万象的答案。利用质子、中子和电子等基本组分以及泡利不相容原理，我们可以解释为什幺元素周期表具有它所展现出来的结构。我们可以解释为什么物质具有形态和密度。我们可以解释为什么存在同位素（isotope）——同一元素的不同原子，在它们的原子核中质子的数目相同但中子的数目不同。只要稍微花一点力气，我们就可以解释化学、生物化学和材料科学的所有现象。在以上的描述中，质量一点都不神秘。所有物质的质量都可以追溯到组成它的质子和中子，质子和中子的质量大约占了每个原子质量的99％。让我们想象一小块由蒸馏过三次的水所形成的冰立方体。它的每条边长为2.7厘米，或者说略微大于1英寸。把它拿起来，你会觉得它又凉又滑。虽然冰块并不重，但你还是会感知到它在你手心中的重量。那么，冰块的质量身居何处呢？可以用很简单的方法算出水的分子量，即对组成水分子H₂O的2个氢原子和1个氧原子的原子核中的质子和中子求和。每个氢原子的核只含有1个质子，而氧原子的核包含8个质子和8个中子，因此1个水分子总共是由18个核子构成的。你握在手中的那块纯净的冰的重量约为18克，等于以克为单位的分子量。所以冰块代表的是对固态水的一种标准度量，称为“摩尔”（mole）。我们知道，1摩尔的物质含有固定数目的原子或分子，后者构成了该物质。这就是阿伏伽德罗常量，其数值略大于6×10的23次方。原子不再是坚不可摧的人们不得不接受的事实是，原子并非如希腊人所曾经认为的那样，它们不再是坚不可摧的。原子是可以被改变的，可以从一种形式转化为另一种形式。1905年，爱因斯坦利用他的狭义相对论证明了质量和能量的等价性。他是凭借那个后来成为世界上最有名的科学方程式，即E=mc²，完成了他的证明：能量等于质量乘以光速的平方。然而，这一结果不但无损于质量的概念，而且“质量代表了一个巨大的能量库”的观念在某种程度上使得质量的概念更加牢靠和充实。质量的内涵虽然很丰富，但并非永远不变。爱因斯坦证明了物质（质量）是不守恒的，它可以转化为能量。当一个铀235的原子被一个快中子轰击而发生裂变时，单个质子质量的大约1/5在核裂变反应中转化成能量。当把这一质能转化的数量关系按比例放大到一个56千克重、由纯度为90%的铀235组成的原子弹弹芯时，所释放出来的能量足以彻底摧毁一座城市。1945年8月，这一幕真实地发生在了日本广岛。但爱因斯坦所苦苦追求的实际上是一种更深刻的真理。这一点在他那篇发表于1905年的文章的标题上已有所表露：“物体的惯性同它所含的能量有关吗？”爱因斯坦的理解是，E=mc²的真实含义在于m=E/c²，即所有的惯性质量都是另一种形式的能量。这一见解的深刻含义直到60年后才变得一目了然。到了20世纪30年代中期，质子、中子和电子作为物质的基本组分似乎为我们尚无定论的问题提供了一个完善的答案。可是还有个问题。早在19世纪末期人们就已经知道，某些元素的同位素是不稳定的。它们具有放射性：在一系列核反应中，它们的原子核会自发地衰变。自然界存在不同种类的放射性。一种叫做β放射性，是由卢瑟福在1899年发现的。它涉及的是原子核中的一个中子转化成一个质子，并伴随着一个高速电子（即“β粒子”）的喷出。这是一种天然形式的炼金术：改变原子核中质子的数目必然会改变它的化学性质。β放射性意味着中子是一个不稳定的复合粒子，所以它根本就不是真正意义上的“基本”粒子。在这一过程中还存在着能量守恒的问题。中子在原子核内部转变成质子所释放的能量的理论预期值，无法完全由该反应所放射出来的电子的能量来解释。泡利在1930年意识到，除了提议在这一反应中“失踪”的能量被一个尚未观测到的、很轻的、电中性的粒子带走了之外，他别无选择。这个新粒子后来被称作“中微子”（neutrino），意思是微小的、电中性的粒子。当时人们断定，没有任何办法能够探测到这样一个粒子。但是到了1956年，中微子第一次在实验中被发现了。是时候做一番总结与评估了。有一点差不多是清楚的：物质依赖于力（force）来把它的组分结合在一起。除了作用于所有物质的引力之外，现在可以断定的是还存在其他三种力，它们在原子自身的层面上起作用。带电粒子之间的相互作用来源于电磁力。众所周知，电磁学源自19世纪的物理学家们所做的开创性工作，其中包括许多卓著的成就，也奠定了电力工业的基础。1948年，美国物理学家费曼（Richard Feyn⁃man）和施温格（Julian Schwinger）以及日本物理学家朝永振一郎（Sin⁃Itiro Tomonaga）建立了一个关于电磁场的完全相对论性量子理论，叫作量子电动力学（quantumel ectrodynamics，简称QED）。在QED理论中，带电粒子之间的吸引力和排斥力是由所谓的力粒子来“传递”的。比方说，当两个电子彼此接近时，它们交换一个力粒子，造成了它们的相互排斥。电磁场的力的传递者是光子，它是构成普通光的量子粒子。QED很快就发展成为一个具有空前预测能力的理论。人们还要应对另外两种力。电磁学无法解释质子和中子在原子核内部是怎样结合在一起的，也无法解释与β衰变有关的相互作用。这两种相互作用在如此不同的能标（energy scale）处生效，以至于没有单一的力能够包容它们。物理学家们认识到需要引进两种力，“强”核力负责维系着原子核，而“弱”核力则控制着某些原子核的转化。这就把我们带到了物理学史上的一个特殊时期。又过了60年，经过理论和实验两方面的努力，粒子物理学才发展到标准模型的阶段。标准模型是量子场基本理论的集大成之作，它描述了所有的物质以及物质粒子之间除引力之外的所有相互作用力。原文作者/吉姆·巴戈特摘编/何也编辑/王菡校对/陈荻雁","kind":null,"is_publish_news":true,"is_publish_highlight":false,"is_publish_live":false,"is_publish_wemedia":null,"editions":null,"column":"","sentiment":"0","news_tag":"","news_rank":0,"symbols":[],"gpt_button":1},"commentList":[],"isCommentEnd":true,"newsSizeData":{"likeSize":0,"commentSize":0,"repostSize":0,"favoriteSize":0,"likeStatus":false,"favoriteStatus":false},"APP":{"userAgent":"Mozilla/5.0 AppleWebKit/537.36 (KHTML, like Gecko; compatible; 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