遮住一半能知道另外那一半吗?粒子物理的对称性——福尔萧与考克斯的宇宙导览(三)

  • 作者
    杰夫‧福尔萧(Jeff Forshaw)|英国曼彻斯特大学粒子物理学教授
    布莱恩‧考克斯(Brian Cox)|英国曼彻斯特大学粒子物理学教授兼英国皇家学会的公众参与科学教授。
  • 译者
    戴凡惟|英国德伦大学理论物理学博士,现为科技大学助理教授。

    恩格勒(左)与希格斯(右)因为希格斯玻色子的研究,获颁赢得 2013 年诺贝尔物理奖,图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

宏观来看,粒子物理法则凌驾于万法之上,

从玫瑰颜色到炽烈恒星核,所有现象都涵盖其中。

惊奇的是,这个法则简单的不可思议,那就是对称性!

不过,科学家仍无法完全解释这一切⋯⋯

关于宇宙导览系列

物理学家福尔萧与考克斯将在四篇独家连载的文章里,为我们介绍现代物理及宇宙论中最重要的概念:时间的本质是什么?万物是由什么构成的?大霹雳之前有什么?宇宙将以何种方式终结?我们将仔细探究这些关于时间、空间、物质与真实的深奥问题。

  • ——福尔萧与考克斯的宇宙导览(二)

不论你喜欢与否,许多法则规范着我们的生活。有些是我们订立的,有些被我们打破。但是从宏观的角度来看,有套法则凌驾于万法之上,就是粒子物理的法则。如果我们对它有所领略,就能明白宇宙万物是由什么构成的,以及为什么会是现在的模样。

宇宙是由基本粒子建构而成,这个简单的构想从古希腊时代流传至今。我们在中,谈到这些粒子违反直觉的行为模式,然而它们的基本原理并不复杂:每颗粒子都能四处跃迁,过程中可发射或吸收其他粒子。比方说,电子可以从一处跃迁到另一处,并在过程中发射或吸收一颗光的粒子(光子)。一旦我们明白电子移动所遵循的法则,就能理解原子与分子的行为,这也是现代化学的基础。

图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

在下图中列出了所有已知的基本粒子,它们建构粒子物理的「标准模型」。我们可以想像这些基本粒子在行进过程中,会不断舞动跳跃,并且一路分支放射新粒子。明了它们的游戏规则,就相当于精确掌握粒子的哪些跃迁与分支放射模式是合理的。也就是说我们必须找出构成宇宙万物的各种粒子,并且确认规范它们的行为法则。

这些基本粒子,共同组成粒子物理的标准模型。图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

 

基本粒子的标准模型:
宇宙中的所有原子都只由电子、上夸克与下夸克这三种基本粒子构成。它们彼此交互作用,透过胶子与光子结合在一起。胶子负责传递「强作用力」,也就是结合夸克构成质子与中子的力;质子与中子是建构原子核的基础。光子负责传递电磁力,可使带电荷的粒子(例如电子)彼此产生作用力。
其他粒子也很重要,但理由没那么显而易见。举例来说,每秒钟你的身体面积每平方公分有600 亿颗电子微中子穿过。这些微中子在太阳内部产生,是氢融合成氦的副产品。核融合反应产生微中子的步骤则是由「弱作用力」所引发,这种力透过 W 与 Z 粒子传递。
标准模型第二栏与第三栏粒子就像是第一栏粒子的更重版本。这些较重粒子的存在,对于紧接在大霹雳之后的宇宙变迁有着举足轻重的影响。

这件事意义深远,但我们不该因此得意忘形,毕竟光是了解游戏规则并不代表能搞定一切。在此可以用西洋棋来比喻说明。如果你不知道西洋棋规则,可以透过观察别人的棋局而归纳出规则;你一下子就能发现各种棋子的差别,再多花点时间还能猜出哪些是合理棋步。粒子物理也是如此:我们观察大自然,尽可能找出游戏规则。当然,知道游戏规则和成为棋艺大师是两回事。探究自然法则造成的不可思议及高度复杂现象,是化学与生物学的专属工作。粒子物理学家所发现的,则是这些法则本身的美妙性质。

图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

  • 关键概念:对称性塑造了我们宇宙的模样。对称性是非常有用的工具,可帮助我们在只有半片雪花图案的状况下,画出完整的雪花。同样的构想也适用于写下自然界基本粒子遵循的数学方程式。

图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

  • 关键概念:跟雪花的例子一样,在写下白字部分的数学项之后,「规范对称」这种数学对称性使得我们能够进一步写下红字部分。值得注意的是,这些红字部分可完全描述基本粒子之间的交互作用。进一步说明:希腊字母 Ψ(读音如 psi)代表标准模型前三栏的粒子(例如夸克、电子与微中子)。箭号左项描述的,是一个粒子四处跑,完全不会感受到任何作用力的世界。红字项目蕴含着粒子分支放射的法则。举例来说,带有 W 和 B 符号的项目明确指出发射或吸收光子、W 玻色子与 Z 玻色子的规则,带有 G 符号的项目则订出发射或吸收胶子的规范。

大自然的镜子

你或许会认为基本粒子遵循的运动法则十分复杂,这无可厚非,毕竟它们塑造了从恒星演化到花的结构与颜色等整个自然界的现象。整套法则或许可装满整间图书馆,连检索错综复杂细节的目录都会是部巨作。但事实上,大自然的基本定律其实简单得不可思议,在信封背面就足够写下整套法则。

上图的「关键概念」说明「对称性」在塑造我们对这个世界的认知,影响多么深远。举例来说,虽然只有一半的雪花图形,但我们能根据对称性,画出整片雪花;对称性也是我们觉得雪花很美的主因。奇特的是,粒子所遵循的运动定律数学式也有对称之美。但跟雪花不同的是,我们无法直接看出这种对称,因为它并不是形状上的对称,而是同样美妙、但更抽象的「规范对称」(gauge symmetry), 就蕴藏在数学式中。

从玫瑰颜色,到炽烈的恒星核,一切自然现象都蕴藏于这些法则。图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

 

为了让大家领略这种美,我们来看一下方程式。你不需要很厉害的数学就能欣赏接下来的重点。假设我们有办法写下粒子不具交互作用时的运动方程式;要写下这些式子并不难,因为爱因斯坦的狭义相对论(我们在中探讨过)基本上侷限了方程式的形式。在完成第一步后,我们得到的方程式所描述的宇宙非常无趣,跟我们所处的完全不同。比方说,它里面可能只有电子,没有其他任何东西,因此没有物质可以结合在一起,所以也不会有原子存在。描述这种宇宙的数学关键项,就呈现在「关键概念」方程式的左边;它看来多么简洁(而且不用太多篇幅就能写完)!

接下来就是对称性的绝妙之处了。如果我们要求方程式遵守规范对称,就非得写下等号右方的红字数学项。神奇的是,红字部分恰好是决定粒子跃迁与分支放射方式的数学项!换句话说,从一个毫无交互作用的无聊宇宙出发,对称性为我们带来一套宇宙中粒子交互作用所需遵循的法则。

这种规范对称告诉我们,必定存在光子之类的粒子,且电子四处跃迁时也可能会发射或吸收光子。这是因为假使没有光子,数学式就不可能对称。从这个角度来看,光子是对称的结果。这跟「我们可以运用对称性,从半片雪花画出整片雪花」的说法完全相同。不同之处在于,在这个例子里,我们得到的成果远比一开始来得丰硕。据我们所知,所有基本粒子交互作用的方式,都是由规范对称决定的。

你或许想知道为什么大自然遵循的基本定律竟如此简单,并且具有雪花般的对称之美。这是个好问题,但目前还没有答案。不论理由为何,建构我们的宇宙的粒子运动法则,可以浓缩成简练的数学式,这不禁令人肃然起敬,尤其是从玫瑰颜色,到炽烈的恒星核,一切自然现象都蕴藏于这些法则之中。

未完的传奇故事

恩格勒(左)与希格斯(右)因为希格斯玻色子的研究,获颁赢得 2013 年诺贝尔物理奖。图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

 

标准模型的最新证据是希格斯玻色子的发现。早在 1960 年代初期,好几位科学家便预测这种粒子存在,包括彼得‧希格斯(Peter Higgs)与法兰索瓦‧恩格勒(François Englert), 他们共同获颁 2013 年的诺贝尔物理奖(恩格勒是与已故的罗伯‧布劳特﹝RobertBrout﹞共同研究)。他们超群的构想,奠基于他们认知到,称性在塑造物理定律上有多么重要。虽然「规范对称」正确地预测粒子如何交互作用,但乍看似乎只适用于粒子没有质量的情况。换句话说,将质量加入方程式终将会破坏规范对称。由于真实世界的粒子大多具有质量,这显然是个大问题。

然而希格斯、恩格勒与布劳特等人的绝思妙想领悟到,只要加入一种新粒子,就能保留方程式的对称性。但在往后将近 50 年间,一直没找到这种新粒子,直到 2012 年,大型强子对撞机(LHC)终于发现它的踪迹;这是规范对称构想的终极验证。

虽然粒子物理的基本模型成功解释了粒子行为模式,但我们还不知道强重力状态下的基本物理方程式,例如位于黑洞附近。图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

虽然粒子物理的基本模型成功解释了基本粒子行为模式,但我们知道它不能涵盖一切。首先,标准模型并未包含重力,因为没有人知道该怎么写下融合爱因斯坦重力论与量子物理定律的方程式。幸运的是,这个绊脚石并没有想像中那么碍事,因为重力十分微弱,在粒子物理实验中可以忽略。只有当处理巨大物体比如行星与恒星时,重力才会扮演重要角色。这也表示我们还不知道强重力状态下的基本物理方程式, 例如位于黑洞附近。

其次,标准模型并未包含「暗物质」的可能候选粒子。这种物质占了整个宇宙质量的 85%,但它究竟是什么仍然成谜。天文学家已经知道它的存在,并且借由测量它对周遭正常物质产生的引力大小,绘出暗物质在宇宙的分布情形,然而我们并不知道它是由什么组成的。

除了在各种实验中看到的已知粒子外,或许还有其他未知的新粒子,或是任何一种新粒子是「暗」的(「暗」表示粒子本身不会发射或吸收光子,例如微中子),毕竟宇宙中的粒子不会刚好都能被望远镜侦测。不过我们依然乐观以对,因为 LHC 将会在可预见的未来制造出暗物质粒子,对此我们需要持续关注。

 

宇宙中的粒子不见得能刚好被望远镜侦测到,不过我们依然乐观以对,因为 LHC 将会在可预见的未来制造出暗物质粒子。图/由《BBC 知识》国际中文版提供。

  • 透视CERN 的设施
    欧洲核子研究组织(CERN)的大型强子对撞机(LHC),是世界上能量最高的粒子加速器。它位于法国与瑞士边境地底 100 公尺处,安装在周长 27 公里的环形隧道里,共有七具探测器(下图简介主要四种)。两道以接近光速前进的质子束在 LHC 中对撞,重现紧接在大霹雳后的宇宙环境。

    1. 超环面仪器(ATLAS):实验目的与 CMS 相同,但运用不同的技术。
    2. 大型离子对撞机实验(ALICE):用来侦测「夸克-胶子汤」,这是我们认为在大霹雳后极短时间内会形成的一种物质态。
    3. 紧凑缈子线圈(CMS):用来研究标准模型,包括希格斯玻色子。它也负责寻找构成暗物质的粒子。
    4. 底夸克实验(LHCb):透过研究「底夸克」来探讨物质与反物质的微小差异。

现代天文测量也揭露宇宙具有「暗能量」,它会导致遥远星系加速远离地球。这也是在标准模型架构下无法解释的现象。我们下期(也是本系列的最后一篇文章)将会探讨这个问题,并且将焦点转向宇宙与大霹雳。

参考资料

  1. in/monkey_cage 收听考克斯的 BBC 线上广播节目《无限大的猴子笼》。

小百科

  • 基本粒子:没有其他更小的粒子组成这种粒子。
  • 电磁力:能够产生电与磁的力包括冰箱磁铁如何产生吸力、原子如何结合在一起,以及光与物质如何交互作用。
  • 弱作用力:会引发核融合反应中使太阳发光的程序。
  • 强作用力:这种力将质子与中子侷限在原子核内部。
  • 对称性:指物体在经过某种变换后,看起来还是一模一样。比方说,一个正方形在转动 90 度后看起来没有不同。
  • 规范对称:描述基本粒子如何交互作用的方程式,会遵守这种特殊对称性。
  • 标准模型:这个一统性理论整合所有已知的基本粒子,能描述电磁力、弱作用力与强作用力,但不包含重力或暗物质。
  • 希格斯玻色子:这种粒子使得基本粒子产生质量。
  • 五步骤理解量子物理
    1. 宇宙中的一切都是由彼此不断交互作用的基本粒子组成,例如电子、夸克,以及最近很热门的希格斯玻色子。
    2. 我们不可能精确知道这些次原子粒子的移动方式。顶多只能算出某种状况发生的机率。
    3. 要算出一颗电子移动到X点的机率,首先要给每条可能路径一个数字,然后把这些数字加起来。我们必须设想电子会行经每条可能的路径。
    4. 粒子像无头苍蝇一样四处跃迁,一路上不断释出与吸收其他粒子。不可思议的是,我们日常经验中这个规律运行的有序世界,就是从次原子世界的骚乱中演生而来的。
    5. 现代世界奠基的科技有赖于我们对量子物理的了解,包括雷射、医疗扫描仪器到电脑与智慧型手机里的晶片等。

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