希格斯真空

时间:2023-11-25 10:39:01

弱力由于作用距离有限,因此通常比较弱小。但是存在10-31 米这种尺度,在这个尺度下力是统一的,而量子真空的不同效应也是微不足道的;相比起来,弱力的作用距离达到10-18 米,这个距离实际上已经无限大了。从能量的角度看,虽然光子没有质量,但带弱力的W玻色子或Z玻色子却有接近100 GeV的质量。即便如此,相比打破统一范围的有效能量尺度1016 GeV而言这个量还是很小的。但接着又出现一个问题:光子和胶子应该与W玻色子和Z玻色子有关联,但是为何光子和胶子没有质量,而W玻色子和Z玻色子却有呢?科学家们相信,这应该源于真空的性质--这个当今高能粒子物理研究的前沿领域。

这个理论由彼得·希格斯(Peter Higgs)提出,参考了菲利普·安德森(Philip Anderson)的超导相关理念。在这个理论下,光子会觉得自己似乎有质量,然后据此进行了各种活动。超导现象,顾名思义就是说当温度足够低时某些固体会丧失对电流的所有阻力。从一个绝缘体变成一个超导体,这就是相变的例子。但超导体内并不仅仅只有电流突然就自由飞翔了;还存在所谓迈斯纳效应,描述了超导体内部以及周围的磁场变化情况。磁场通常可以穿过常温固体,但是当温度降低导致这种材料变成超导体后,磁场会突然遭到排斥,只能存在于表面的一个薄层中。在固体内部,磁场只能延伸一个有限的距离x ;如果我们回想一下弱力的有限范围与载体W的质量之间的关系,那么超导体内磁场的短延伸距离就如同它的载体粒子--光子获得了希格斯真空 量级的质量。

要解释这种现象需要非常复杂的理论,估计写完这整都不一定够(2) ;而我本来也不准备这么做。类似的,将其应用到弱力上,我们想让质量M 的W场能够穿过物理真空中希格斯真空 的距离。用科学术语来说就是,弱力感知到的物理真空与超导体非常类似。

超导现象依赖于特殊性能物质场的存在。在一个真正的超导体中,之所以有抗磁性,是因为材料中的电子相互协同产生所谓的“屏蔽电流”。类似地,在弱力情况下,要求必须有某种物质场存在于真空中。这与我们遇到过的所有情况都截然不同。迄今为止,我们已经预言了充满虚拟场的量子真空,以及只有注入更多能量后才能被具体化的零点涨落。但此时此刻,参考“希格斯场”,我们正在预言一种在真空中真实存在的物质:相比存在希格斯场,没有希格斯场的“空”间会具有更多的能量。换句话说:向虚空中注入希格斯场,会导致整体能量下降。

这种惊人的结果在固体中也能找到类似的情况,比如之前提到的磁体。当温度高于某个值,即所谓的“居里温度”Tc ,金属在没有磁性时能量最低;然而,当温度冷却到Tc 以下,此金属会变成一个磁体。因此,在足够低的温度下,通过“增加”磁性可以降低基态或者“真空”的能量。

粒子物理中有一个特别的理论,认为希格斯场弥漫在真空中并且赋予基本粒子以质量,包括W玻色子、Z玻色子、电子、夸克以及其他粒子。如果确实如此,那么当希格斯场消失后粒子就没法保持静止,而只能以光速运动。当然,空间内的希格斯场是无处不在不会消失的。当你阅读此书时,你的目光正在穿过希格斯场:光子没有和希格斯场发生作用,依旧按光速传播。

希格斯场实际上非常奇特。希格斯场无所不在,会和粒子发生作用从而赋予粒子以质量,这种质量会导致粒子在空间中的飞行速度小于光速--比如电子。但是粒子会继续无阻力运动:根据牛顿定律,没有外力作用时粒子会保持匀速直线运动。如果我们意识到粒子的能量决定其速度,那么就能得出这个谜团的部分解答;因为希格斯场是真空的最低能量状态,所以粒子和希格斯场之间无法进行能量交换,因此粒子也会保持速度不变。而相对于希格斯场的速度的绝对值也是不可能被测定的(3) 。

就像超导性和磁性这些最低能态只能存在于足够低温的条件下,充满希格斯的真空也是一种在足够“低”温度下存在的最低能态,而这个“低”代表1017 ℃!在1017 了。理论上认为宇宙的基态不包括希格斯场。在宇宙大爆炸发生后的万亿分之一秒,宇宙温度高于这个值,而希格斯场从这时开始才充满真空,并赋予基本粒子以质量。

就像电磁场中发生涟漪产生量子包--光子,希格斯场会产生希格斯玻色子。在鸡和蛋理论下,希格斯玻色子本身会感知到弥漫的希格斯场从而具有质量。希格斯理论认为,希格斯玻色子质量非常大,约为氢原子质量的1000倍。根据量子测不准原理,虚拟的希格斯玻色子在真空中做内外波动,如果精确测量真空对于粒子(比如电子)的影响以及力载体W和Z的性质,就会发现它们都会受到虚拟的希格斯玻色子的影响。将所有这些研究结果汇总,我们会发现希格斯玻色子似乎比之前想象的要轻,也许只有氢原子质量的150倍。在CERN有一条磁性环长达27千米,可以约束高速质子,当高速质子相互对撞会产生一种适宜玻色子生成的环境。这个加速器称为“大型强子对撞机”(LHC),经过十年的艰苦建设于2007年完成。这个实验可能需要数月来完成,而之后的数据分析和提炼更需要数年。如果虚空中真的充满了希格斯场,那么大型强子对撞机将很快给我们答案。