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量子规范场论中的真空:真空对称自发破缺、质量的起源和Higgs 粒子
自然界中有四种基本的相互作用,其中电磁相互作用已经建立起它的量子理论——量子电动力学。在量子电动力学巨大成功的鼓舞之下,物理学家开始探索如何建立起其他相互作用的量子理论。
在量子场论中,每一种粒子对应于一种场,粒子是场的量子,场可以用含时空坐标的函数来描写。场函数满足一个运动方程,这个运动方程可以从拉格朗日量推导出来,它决定了场或粒子的运动规律。有趣的是,量子规范场论具有某种特殊的对称性。例如,在规范变换下,拉格朗日量具有不变性,由它导出的运动方程也具有不变性,因此场或粒子的运动规律在规范变换下保持不变。电磁相互作用的量子理论满足定域U(1) 的规范不变性,而弱相互作用的量子理论满足定域SU(2) 的规范不变性。1960年代,3位杰出的理论物理学家:格拉肖 (S. Glashow) 、温伯格 (S. Weinberg) 和萨拉姆 (A. Salam) 利用满足SU(2) × U(1)的规范不变性建立起弱相互作用和电磁相互作用的统一的量子理论。
然而,这样一个看上去非常宏伟的量子理论却遇到了根本性的困难:规范不变性要求这些粒子没有质量。这个矛盾困扰了物理学家很久,很有意思的是,“真空不空”的概念再次让人们取得了突破性的进展。
1961年,美籍日裔理论物理学家南部阳一郎 (Y. Nambu) 提出:拉格朗日量具有某种对称性,但是系统的基态或真空态不具有这种对称性,称为真空对称自发破缺。如图3(a)所示,一个大的磁体,其中有很多个小磁针。当温度很高时,这些小磁针的取向是任意的,整个磁体有着空间旋转不变性,即表现为没有任何特殊的方向性。但是当温度降低到居里温度以下,这些小磁针会沿着某个方向排列,出现了自发磁化,因此整个磁体的空间旋转不变性遭到了破缺。如果用理论的语言来概括,描写磁体的拉格朗日量具有空间转动的不变性,但是由于最低能量的基态或真空态变成了自发磁化的状态,所以整个系统的对称性破缺了。
图3 (a)磁体中基态或真空态发生自发磁化,对称性破缺;(b)(上图)Higgs 标量场的势阱,最低能态或真空态发生对称自发破缺。(下图)可以打个比方:铅笔的运动具有旋转对称性,但是其最低能态,即躺在桌面上,旋转对称性破缺在此基础上,1964年,英国理论物理学家希格斯 (Higgs) 等人提出,如图3(b)所示,如果存在一个复标量场 (Higgs 场) 与规范场耦合,那么当真空态发生自发对称破缺时,就可以使规范场粒子获得质量,这个标量场中有质量的粒子被称为Higgs 粒子。
由于真空对称自发破缺的机制对于粒子物理学起着如此重要的作用,寻找Higgs 粒子就成为实验物理学家一直梦寐以求的目标。2012年,欧洲核子中心的科学家宣布,在其大型强子对撞机上发现了Higgs 粒子,终于为这一问题画上了完美的句号。温伯格等人荣获1979年度诺贝尔物理学奖,南部获得了2008年度诺贝尔物理学奖,而希格斯等人也获得了2013年度诺贝尔物理学奖。
质量的起源本来是物理学最根本的问题之一,我们惊奇地发现,真空在这里起到了根本性的作用。正是宇宙中充满着Higgs 场,带来了万物的质量,也许“无中生有”是对于这个真空最好的概括。
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0.075N/A3.5/7/10/13.5/20MPa
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