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杨-米尔斯场与希格斯玻色子 |
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元素质量接近于质子质量的整数倍（不考虑同位素对质量的修正），周期表中靠前的元素表现得尤为突出。一方面，这个规律带给近代物理很大麻烦，另一方面，又带给物理学巨大的收益。 在没有发现中子以前，人们用质子和电子构造原子核。甚至设想，在原子核内，有1个质子和1个电子组合形成的小团体，这一组组的小团体再与其它质子构成原子核。但是这样一个模型无法解释原子核细小的尺度，质子-电子小团体应该就是氢原子那样的东东，这样的小团体无法压缩在原子核那个狭小的空间内。这个困惑压制物理学界长达20多年。 中子发现是近代物理发展的一个重要里程碑。一方面，笼罩在原子核结构问题上的阴霾被一扫而光。另一方面，中子质量和质子质量相近，这样一个事实有着什么的特别意义？物理学界第一号猎犬——海森伯格——很快嗅到了新的敌情。 海森伯格认为，质子和中子只有细微的电磁性质差别，而其强作用性质是一样的，两种粒子所对应的量子场应该用一个统一的场加以描述，这个统一的场服从一种叫SU2的内部对称性。规范场论的先驱者魏格纳给这个质子-中子统一场取名为同位旋场。 谈到同位旋场，不能不说说一般的量子场是个什么东东。 一般人总是把量子力学建立的26年看成近代物理学的顶峰，广义相对论在此前11年建成，矩阵力学和波动力学在26年获得统一。更可靠的标志事件是28年，是年相对论性电子波动方程建立了。而学界则把相对论性电子波动方程建立及其之后的20年看成是近代物理学更为激动人心的时代，量子场论逐步建立于这个时期。量子场论把量子论四平八稳地建立在了狭义相对论的时空框架之上，对正反物质及其产生与湮灭机制和真空的本质形成了新的革命性的认识。 量子场论认为，每一种基本粒子对应着一种量子场。各种量子场各自，并且又有选择地联合对背景态施加作用。真空世界是各种量子场的基态，而出现实物粒子的非真空态是量子场的激发态。处于基态的真空态并非风平浪静，她每时每刻借贷能量，用以产生虚的粒子或是虚的正反粒子对。虚粒子对产生了，又很快湮灭，其统计寿命遵守海森伯格不确定关系（能量-时间不确定关系）。此前的量子力学（矩阵力学和波动力学）则成为量子场论的低能近似。 海森伯格的同位旋场是SU2对称的。对称性是认识自然的强有力武器。德国哥廷根大学的教授诺特——世界有史以来No.1女数学家——证明：物理规律的每一种变换对称性都对应一种守恒定律。例如，时间平移对称性对应着能量守恒定律；空间平移对称性对应着动量守恒定律；空间转动对称性对应着角动量守恒定律；空间反射对称性对应着宇称守恒定律。 反过来，每一种守恒定律也对应一种变换对称性。电荷守恒是电磁学中的一条约定俗成的定律，韦尔、魏格纳和泡利等人首先认识到：电磁场的局域规范对称性对应着电荷守恒定律。麦克斯韦及其先行者们，几代大师观测、实验、总结起来的电磁学被归纳成一颗核心——规范对称性。 电磁学的规范对称性是说，把带电粒子的量子场——比如说电子场做一个相位改变，如果要求这个相位改变不引起观测事实的改变，则要求引进一种耦合场——光子场；光子场与时空求导运算子合起来主导电子场的演化；相应于电子场的相位作改变，光子场被附加上那个相位的梯度。新电子场-光子场和老的电子场-光子场表述相同的电磁现象。这个相位可以是任何一种实标量函数，此实标量函数以时空作为自变量。电磁场的这种对称性，行话叫做U1对称性。 与时空相关的对称性和直观性几何学有很强的对应关系，容易为我们的直觉所能理解。而规范对称性则属于一种场的内部对称性，涉及复变量的相位变化，相对抽象一些，理解起来有一定的困难。 电磁场的规范对称性很自然地解释电磁相互作用的必然性，能不能假设其他相互作用也符合类似的规律呢？ 54年，我们的杨振宁和他在布鲁克黑文的同事米尔斯大胆设想，同位旋场的SU2对称性对应着一种核子的强相互作用机制。不仅如此，杨-米尔斯还指出，场的任何其它相位对称性都对应着一种新的相互作用。与电动力学的U1不同，其他的相互作用场有自相互作用的非线性附加项。他们两人引进的新的对称场被叫做规范场，或叫做杨-米尔斯场。杨-米尔斯场是继爱因斯坦场之后，人工构造的最重要的场。 很不幸，杨-米尔斯场太对称了，因为他们的构造方法都是和光子场同一个原理，其中的相互作用中介场都是没有质量的。光子场是能够无限远传递电磁作用的、无质量的场。而粒子物理学要的是短距离作用的强力场介子和弱力场介子，有质量的介子才是传递短程力的介子。杨-米尔斯场太对称了，太完美了，但不适用于现实世界。 物理学的不同门类经常是相通的。为解决粒子问题而建立的量子场论方法很快在其他领域的物理学中得到借用，凝聚态物理和量子统计物理就收益良多。在凝聚态中有一种不同于粒子场的场模型——声子场。这种场模型可以用于描写相变，如非超导-超导相变，其决定因素是声子场-电子场的耦合力量。相变温度之上，电子动能可以挣脱声子束缚，以个体形式运动于晶格之间，这种状态对应着电子场的高度对称性。晶格的能级构造给予相对自由的电子以一定的阻力，形成电阻，遵守欧姆定律。 而相变温度之下，电子动能挣脱不了声子束缚，两个电子自旋相反，束缚在一起，形成电子对——库伯电子对，对称性的电子态破缺为非对称性的电子对组合态，这个组合态是零自旋的玻色子。玻色子不受遵循泡里不相容原理束缚，很多的电子对可以同处于一个态，而且大家协调一致地行动，这就是超导机制的由来。 在这个事例中声子是电子场的对称性破缺的根源，声子场是严重非线性的。受这个机制的启发，爱丁堡大学物理学家彼得-希格斯设想，如果与杨-米尔斯场并存着这么样一种类似于声子场的东东，对称的杨-米尔斯场也是可以破缺为不对称的有质量的场。于是学界就把这种与杨-米尔斯场耦合的“声子场”叫做“希格斯场”，对应于希格斯场的激发态粒子就叫做希格斯子。 杨-米尔斯-希格斯方案已经在弱电统一理论和量子色动力学的建立中取得巨大成功，由弱电统一理论预言的三种有质量中间玻色子早已在80年代为实验所证实；由量子色动力学预言的六种夸克及其特性也为实验所证实。这些工作获得的诺贝尔奖分布于79年到04年。 能级不高的情形，重粒子场基本上是以她的基态（真空态）参与到相互作用中去。弱电统一理论和量子色动力学的成功已经充分肯定了杨-米尔斯-希格斯方案中的基态效应。对于其他的场，基态和激发态的统一性从来没有出现过意外。为什么希格斯场会出现意外呢？！ 因此，我们有理由对希格斯场激发态粒子的客观性抱有信心。即使LHC不能获得成功，杨-米尔斯-希格斯方案的生命力依然是旺盛的，所要做的是修正细节。
这是应其他网友要求写的一个帖子，敬请同学们帮助指正。
本侠没有钻研过凝聚态的基础理论，有关内容带有猜测性，欢迎拍砖，本侠不会戴头盔。 凝聚态中的“电子场”应该为“电子旋波场”.
谢谢欣夫先生捧场！传统的哲学流派都可以从这个帖子所提供的素材获得反击对方的东西。
其他帖子中的相关跟贴也一并贴过来。 作者：袁士霄 回复日期：2008-9-12 11:37:00 黄兄过虑了。 正如粒子物理学家们指出的，宇宙射线的粒子能量要比LHC所能给与质子的能量高100万倍。即使宇宙射线能够制造小黑洞，可是并没有任何天体因之而毁灭。 通过量子场论计算，Hawking发现了黑洞的辐射蒸发机制，太阳质量大小的黑洞经由蒸发，最后消失的时间很长（大约是10的66方秒）。黑洞越小蒸发越强，假如LHC中产生了7万亿eV的黑洞，其尺寸也就在普朗克长度之内，这样的黑洞即便进入LHC的铁磁体，也如同进入的空旷无比的空间，即使吞噬个把原子核也不会长大到哪里去，其吞噬的速度与蒸发的速度无法相其并论。宇宙射线的高能粒子产生不了吞噬天体的黑洞，LHC更不可能。 加来道雄是很有造诣的弦论专家，我想，他所说的冒险可能是另外两层含义，而不是小黑洞吞噬地球。一是经济投入与可能预期的落空，出现这样的结果，对物理学家们来说是灾难性的，20多年粒子物理实验得不到关键性的投入，这期间的90年代，美国人取消了一项更大的计划——超导超级对撞机（SSC）。比SSC能量小的LHC的实验结果很可能记过不理想。到时，物理学家们会被指责为欺骗。风险的第二层意思是，如果实验明确否定“希格斯子”的存在，那么半个世纪以来的理论粒子物理全军覆没，物理学家们受不了这个打击。量子力学的解释遭遇极大矛盾，促使爱因斯坦的好友爱伦菲斯特带着他的残疾儿子一同殉道。杨振宁-米尔斯规范场起家的现代基础物理破灭了，世界上会有不下半百的追求者为之殉道。
ernie兄，
你那个不确定原理帖子写的真好，我怎么也不能写的如你那么轻松。如蒙不弃，你用这个帖子改写一个更为轻松活泼的篇章，怎么样？
替关天的哲学爱好者顶一下。
资格老，
基本粒子和由基本粒子联合组成粒子团分成两类。其中一类，它的每一量子态只能为一个粒子占据，这种粒子以物理学家费密的名字命名之，叫做费密子；另一类，每一量子态可以为无限多个粒子占据，这种粒子以S.N.Bose的名字命名之，叫做玻色子。很有意思“玻色”的英文和汉语拼音是完全一样的，玻色前辈是中国人吧？ 24年，印度达卡大学的玻色把自己写的一篇论文寄给爱因斯坦，该论文从光量子（一种典型的玻色子）占有量子态的方式推导出普朗克黑体辐射定律。老爱亲自将英文体论文翻译成德文，添加按语，交付发表。（哈，那时德语掌握着物理学的话语权。）紧接着，老爱推广了玻色的工作，建立了所有玻色子的量子统计理论。因此，学界把玻色子的统计方法叫做“玻色-爱因斯坦统计法”，（是“玻色-爱因斯坦”，而不是“爱因斯坦-玻色”。）这还是量子力学理论建立之前的事件。 印度本土产生过好几位世界级的物理学家，玻色、拉曼，还有萨拉梅也应该算在大印度之内。 量子统计物理的另一大分支叫做“费密-迪拉克统计法”。 经典统计物理研究大数量单元在“坐标-动量空间”上的分布规律。量子统计物理研究大数量单元在“量子态空间”上的分布规律。“坐标-动量空间”和“量子态空间”都是抽象的空间。 后来的研究认识到，玻色子和费密子的差别在于自旋的磁矩。以玻尔磁子为单位，玻色子的磁矩是0、1、2、3……，而费密子的磁矩是1/2、 3/2 、5/2、……。（哈，近代物理有好几位玻家的人，前辈玻尔兹曼，后背中，老大玻尔，老二玻色，老三玻恩。） 费密子的个性特征是：因为大家各居其位，物质世界的框架才能支撑起来，否则核外电子随便选择状态，大部分电子都跑到基态能级，原子多样性不复存在，同样原子核、质子、中子都会垮掉。 玻色子的个性特征是：占据同一种状态的粒子数不受限制，典型的例子就是高度相干的高强度激光何以能实现。 费密子用以传递相互作用的中介恰恰是玻色子，自然的分工协调是那样的周到。 作者：祖国处在危急中 回复日期：2008-9-16 23:14:59 受教。 对杨-米尔斯方程的应用已经产生了几个诺贝尔奖，但原创者杨和米尔斯却没有因为这个方程而获得诺贝尔奖，不知为何？ 当代物理真是个很头疼的东西，感觉不是物理，全是数学，太难理解了。一个高中生都能很好的理解牛顿物理学，但是一个物理学博士生都一定能很好的了解当代物理学。 祖国处在危急中先生， 关于诺奖不合理我也深有同感。 关于物理学应该是什么样子，我是这么认为的。我不知道，除了场这种载体以外，有什么更好的模式展示物质的世界。科学的规律不是随意志打造的机器，至于到场，除了用各种数量、空间形式和彼此间的耦合关系，我们还能指望她怎么展示自己。总不能让他展示与舞伴间的互动、让他表达对其他对象的爱慕。 麦克斯韦曾经构造以太的类似齿轮相互拨动式的构造，几乎成了科学界的笑柄。 |
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| 作者:袁士霄 |
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