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私下里我把这种理论叫“量子电弱动力学”
,首字母缩写是QEWD。
这是个非常对称的理论,但这种优雅也是它的最大缺陷,因为光子场和弱场是截然不同的。
W粒子和Z粒子只有短程作用,而光子可以持续传播。
弱核力需要三种不同的粒子,而电磁力只需要一种。
最大的对称性破缺在于:W粒子和Z粒子有质量,而光子没有质量。
这不是我们所期望的能传递力的、能重叠的玻色子,所以一定有某种东西打破了光子场和弱场之间的对称性。
20世纪60年代中期,罗伯特·布绕特、弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分别独立地想出了相同的解决方案。
他们建议保留这种电弱对称性,方法与泡利解决轻子对称性一样:增加一种新的场/粒子。
他们认为,在宇宙的诞生之初,在创世的摇曳之刻,电磁场和弱场是相同的,但还有第三种场隐匿在背景之中,当这种场“开启”
的时候,一切都改变了。
这种场跟其他场不同,它的静态值不为0,在任何地方都是实数。
由于这种不同寻常的性质,这种场可以创造出几种不同的粒子,而不是只有一种粒子。
这些量子被称为“戈德斯通玻色子”
,以物理学家杰弗里·戈德斯通的名字命名。
戈德斯通玻色子主要与弱场耦合。
弱场粒子就像光子一样,没有质量、没有范围,但与戈德斯通玻色子耦合之后,它们的性质就发生了变化,变成W+粒子、W-粒子和Z粒子。
我喜欢想象这样的场景:弱场小心翼翼地覆盖在这个奇怪的场上,就像墙纸贴在墙上。
墙壁表面有三个凸起(戈德斯通玻色子),贯穿了薄弱的墙纸,在业余观察者看来,它们就是三种弱场粒子。
由于光子场不与这第三个场耦合,其粒子的性质保持不变,也就是我们所熟知的光子。
对称性成功地破缺了—前提是你能够探测到这个奇怪的场。
毫无疑问,你不能。
非零场在创世之初“开启”
,存在三种不同的粒子,这个概念不仅奇异,而且无法验证,因为戈德斯通玻色子隐匿在弱场之中,是不可见的。
布绕特、恩格勒和希格斯提交了他们的想法,但被所有期刊拒绝了,其中一份期刊甚至回复说:“与物理学没有明显的关联。”
[4]它在数学上很简洁,但无法验证,因此希格斯向研究团队的一名成员抱怨说:“这个夏天我发现了一些完全无用的东西。”
[5]
破缺的镜子
既然我们知道这个故事有一个圆满的结局,那我们就应该仔细看看这个新场。
一些文献中提到弱场粒子“吃”
戈德斯通玻色子,这是怎么发生的?答案与一种粒子属性有关,这种属性看起来也是完全无用的,所以我们一直没有提到。
电荷、色荷、自旋、弱同位旋等,这些属性决定了粒子如何与不同的场相互作用。
而狄拉克的量子场论预测了另一种粒子属性,叫作“手性”
,它是粒子的一种属性,完全没有用。
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