奇书网

第14章 亲爱的我的希格斯在哪儿（第1页）

第14章　亲爱的，我的希格斯在哪儿

物理女王陛下

2012年7月4日，全世界的报纸都在宣告这对科学界意义重大的一天。《独立报》的头版头条是，“科学家证明了上帝粒子的存在”；加拿大广播公司说，“粒子物理缺失的基石”已浮出水面；《纽约时报》的一则标题是“物理学家发现了可以解开宇宙之谜的神秘粒子”。

这就是对希格斯玻色子的重大发现，每个人都迫不及待地想要解释它有多么了不起。然而希格斯玻色子非常复杂，我无法摘录出有价值的新闻片段来概括它。

希格斯玻色子非常复杂，以至于1993年英国科学部长威廉·瓦多格列佛悬赏一瓶香槟，征求能够用一页纸解释希格斯玻色子的科学家。[1]本书中我不打算这样做（我更想要一杯奶昔），但我们要尝试感受一下希格斯玻色子是什么东西。

希格斯玻色子之所以重要，是因为它证实了科学家近50年前的一个预测。要证实这个预测，需要建造大型强子对撞机—有史以来最大的机器。

但我们怎么知道它值得付出如此巨大的努力呢？比如说我现在可以发明一种叫“timon”的粒子，它让你在看无聊电影时想要查看手表。我们要为此建造一台机器吗？

想想看，理论物理学家如何知道哪些假说值得研究？有那么多粒子、那么多场、那么多相互作用，我们怎样知道自己的方程是合理的？有没有指导新物理定律的终极法则？

答案是有的，它来自史上最杰出的不知名物理学家之一：阿马莉·埃米·诺特。

在20世纪初，只有两名女性被允许在德国埃尔朗根大学就读，她们上任何课程都需要得到任课老师的许可，诺特就是其中之一。信不信由你，她并没有因拥有子宫而不懂数学（岂有此理？）。诺特撰写了一系列论文，受到了德高望重的数学家大卫·希尔伯特的赏识。

希尔伯特帮助诺特在哥廷根大学获得了一个讲师职位，她是那里唯一的女职员。当然，这份工作是没有报酬的，她必须以希尔伯特的名义授课。但无论如何，她已经踏进了学术界的大门。[2]

后来，诺特发现了可能是理论物理学中最重要的指导原则—“诺特定理”，局势终于逆转。女性想要被平等对待，就得超越世界上所有的男性物理学家—在某种程度上这是一种耻辱。不过这也让她显得很了不起。男性没有给她足够的尊重，但她以一个影响深远的理论征服了每一个人。这个定律构成了QED和QCD的基石，解决了相对论中爱因斯坦也搞不清楚的难题。

诺特定理是关于物理学家所说的“对称性”的，这是一个我们一直在玩味的概念。当我们研究一个事件或一个粒子时，我们通过方程计算动能（运动）和势能（场中的位置），两者的差值叫“拉格朗日量”。每条物理定律都有一个拉格朗日量。

但我们总是可以改变正在研究的任何场景的细节。我们在强磁体附近做实验，或者改变粒子的质量，有时会改变拉格朗日量，有时不会改变。如果拉格朗日量不改变，所有的方程就都是相同的，我们就说该理论具有“对称性”；如果拉格朗日量改变，方程同样改变，我们就说该理论具有“对称性破缺”。

诺特定理说，如果理论具有对称性，那么一定存在一个相关的、不会被改变的粒子属性。

例如，假设我们正在研究一个粒子，并决定把它往右移动1米。粒子行为是相同的。因此，我们的理论是关于位置对称的。

诺特定理说，位置的改变是因为粒子带着动量从一个地方运动到另一个地方，动量必须“守恒”，也就是说动量既不会凭空产生，也不会凭空消失。粒子可以在碰撞过程中传递动量，但无论如何，前后的总动量总是相同的。

诺特定理的另一个例子是，当我们让粒子在时间上前进时，物理定律仍然是不变的。物理定律是关于时间对称的，因此它必然也有一个对应的守恒的性质—最终证明是能量（因为我们正在讨论因果）。夏特莱侯爵夫人已经证明过能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，但诺特定理给出了根本的原因。

电荷是另一个守恒量，它源于粒子波函数振动的方式。这就是为什么光子总是一前一后地产生粒子和反粒子。电荷必须守恒，因此不带电荷的光子在产生电子的同时产生一个反电子，使总电荷为零。以上只是几个例子。

诺特定理告诉我们，物理定律中哪些性质是可以改变的，哪些性质是不可以改变的。它补充了狄拉克、费曼、盖尔曼的量子场论。诺特给了我们一条物理定律，怎么夸大其重要性都不为过。

不幸的是，由于诺特是犹太人，她在纳粹主义兴起时被赶出德国，之后逃到了法国。但从好的方面说，一群热情的科学家欢迎了她，把她奉为无可争议的“女王”。诺特赢得了早就应该得到的认可。在她去世后，爱因斯坦还在《纽约时报》上为她撰写了讣告，称她为“自女性接受高等教育以来最重要的天才”。[3]

冷静点，小家伙

轻子数也是诺特定理得到的守恒量之一，不需要是顶尖科学家就可以得出这个结论：宇宙中轻子的数量保持恒定。这是个对称性定律，但令人恼火的是，它在纸上看起来太对称了，而有一个已知的过程似乎造成了对称性破缺。

这个过程叫“β衰变”，由居里夫人（另一位物理女王）发现。当一个不稳定的原子核中心的一个质子转变成一个中子时，就会发生β衰变，而且似乎是随机的。发生β衰变的时候，原子吐出一个电子，电子会迅速远遁，然后被人类检测到，并被命名为“放射性”。

根据诺特定理，这是有道理的，因为电荷必须守恒。如果一个不带电的中子转变成带正电的质子，就会产生一个带负电的电子。但如果轻子数是守恒的，那这是否打破了诺特定理，在以前没有电子的地方产生一个电子呢？

沃尔夫冈·泡利（击垮德布罗意导波的家伙）提出的解释是，β衰变一定还产生了另一种粒子：某种不带电的反轻子。

恩里科·费米把这种假想的粒子称为“中微子”，意思是“微小的中性粒子”。25年来，我们一直在追寻这种粒子，试图证明诺特是正确的。很可惜，中微子是物理学中最不起眼、最难发生相互作用的粒子，所以这并没有那么容易。

太阳核心的质子和中子不断地相互转换，想象一下在这个过程中产生的中微子。光子从太阳中心到太阳表面需要大约一万年，途中的每个粒子都会吸收并重新发射光子。中微子在23秒内也经历了同样的旅程。

地球不断被太阳产生的中微子轰击，中微子穿过地球的时候不会有任何迟疑。当你读到这句话的时候，大约有650亿个中微子从你小拇指的指尖穿过。

为不喜欢被探测的东西建造探测器是很困难的。世界上最大的中微子探测器是日本飞驒市附近的超级神冈探测器（Superk），它位于一座山的地表下1，000米处（为了过滤宇宙射线）。

Super-K有一个能容纳5万吨高纯水的水槽，每秒钟都有数万亿个中微子通过，但大多数中微子什么都不做。可是每隔一段时间，它们就会击中原子中的一个电子，我们可以探测到一丝微弱的光芒。

中微子被证明是真实存在的粒子，所以轻子数是守恒的。人们花了四分之一个世纪才找到它们，但它们也是诺特定理的绝佳证明。对了，中微子当然也有三代，分别是电中微子、μ中微子、τ中微子。

弱的表现

中微子之间几乎没有相互作用，这是因为它们没有属性，也不与我们熟悉的场耦合。它们没有色荷，因此不与胶子场交流；它们没有电荷，因此不与电磁场／光子场交流。