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第14章 亲爱的我的希格斯在哪儿（第2页）

但中微子偶尔会与电子相互作用。而且，我们知道上夸克变成下夸克时会激发出中微子，所以中微子一定与某个场发生相互作用。这里说的是一个很弱的场，我们称之为“弱场”。没有开玩笑。

上夸克带+23个电荷，当它变成带-13个电荷的下夸克时，会损失+1个电荷。我们总是认为电荷留在原地不动，但弱场可能违背了这一假设。

弱场可以以带正电荷的虚“弱粒子”的形式带走夸克中的正电荷。然而，虚粒子不会长久存在，它很快就会衰变，并且把能量转移到正电子和中微子场中，从而使电荷数与轻子数守恒。我们可以这样解释上夸克变成下夸克：

从下往上读，先从上夸克开始。上夸克与弱场耦合，产生了带正电的弱粒子（W+），而自身变成了下夸克。

带正电的弱粒子随即衰变，产生了一个普通的中微子（用字母ν表示）和一个正电子（如图，电子e上有一个短横），使电荷守恒。相反的过程也会发生，只是W+粒子变成W-粒子。

你可能正在给弱场粒子想一个很酷的名字，与光子和胶子相对，但恐怕到这个时候所有科学家都觉得有些无聊了，他们很悲剧性地称之为“W粒子”：带正电的叫W+，带负电的叫W-。

粒子需要一种属性才能与弱场耦合，并激发出W粒子，这种属性叫“弱同位旋”，它有两种，+12和-12。夸克、轻子和中微子都有弱同位旋，但它们的耦合常数很低，我们极少看到这种影响。

但是，以埃尔温·薛定谔的猫的幽灵之名，中微子相碰时会发生什么？它们都有弱同位旋，这意味着它们之间能产生虚粒子。这不可能通过W+和W-的相互作用产生，因为中微子不带电。一定还存在第三个不带电的弱粒子，谢尔顿·格拉肖把它命名为“Z粒子”，我猜“Z”代表零（zero）电荷。

1973年和1983年，Z粒子和W粒子在瑞士的加尔加梅勒探测器上被发现。［加尔加梅勒（Gargamelle）这个名字来自弗朗索瓦·拉伯雷（Fran?oisRabelais）的小说《巨人传》（TheLifeantuaandofPantagruel）中的巨人，而不是《蓝精灵》（TheSmurfs）中无能的坏蛋格格巫（Gargamel）。］

Z粒子和W粒子的发现证实了中微子的行为和弱场的存在，再一次证明了诺特的对称性定理是正确的。现在你可能已经知道了，量子力学就像来自地狱的魔方，一旦拼好一面，就立刻搅乱其他几面。

完全无用的想法

量子场论涉及两种物体：物质粒子（夸克、电子、中微子）和相互作用的场粒子（光子、胶子、W粒子和Z粒子）。

物质粒子统称为“费米子”，拥有空间等属性；传递力的粒子统称为“玻色子”，能够相互重叠。

你的身体由费米子（电子和夸克）构成，因此你占据一定的体积。而一束光由玻色子（更确切地说是光子）构成，这就是手电筒的光能相互穿过，而不像激光剑那样相互碰撞的原因。在这方面，玻色子令人失望。

当粒子与弱场相互作用时，电荷会发生变化，所以很明显，弱场和电磁场是耦合的。早期关于弱场的量子场论叫“量子味动力学”（QFD），但由于弱场和电磁场能相互交流，因此关于光子和弱场相互交流的完整理论叫“电弱理论”，它为史蒂文·温伯格、阿卜杜勒·萨拉姆和谢尔顿·格拉肖赢得了诺贝尔奖。私下里我把这种理论叫“量子电弱动力学”，首字母缩写是QEWD。

这是个非常对称的理论，但这种优雅也是它的最大缺陷，因为光子场和弱场是截然不同的。

W粒子和Z粒子只有短程作用，而光子可以持续传播。弱核力需要三种不同的粒子，而电磁力只需要一种。最大的对称性破缺在于：W粒子和Z粒子有质量，而光子没有质量。这不是我们所期望的能传递力的、能重叠的玻色子，所以一定有某种东西打破了光子场和弱场之间的对称性。

20世纪60年代中期，罗伯特·布绕特、弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分别独立地想出了相同的解决方案。他们建议保留这种电弱对称性，方法与泡利解决轻子对称性一样：增加一种新的场／粒子。

他们认为，在宇宙的诞生之初，在创世的摇曳之刻，电磁场和弱场是相同的，但还有第三种场隐匿在背景之中，当这种场“开启”的时候，一切都改变了。

这种场跟其他场不同，它的静态值不为0，在任何地方都是实数。由于这种不同寻常的性质，这种场可以创造出几种不同的粒子，而不是只有一种粒子。这些量子被称为“戈德斯通玻色子”，以物理学家杰弗里·戈德斯通的名字命名。戈德斯通玻色子主要与弱场耦合。

弱场粒子就像光子一样，没有质量、没有范围，但与戈德斯通玻色子耦合之后，它们的性质就发生了变化，变成W+粒子、W-粒子和Z粒子。

我喜欢想象这样的场景：弱场小心翼翼地覆盖在这个奇怪的场上，就像墙纸贴在墙上。墙壁表面有三个凸起（戈德斯通玻色子），贯穿了薄弱的墙纸，在业余观察者看来，它们就是三种弱场粒子。

由于光子场不与这第三个场耦合，其粒子的性质保持不变，也就是我们所熟知的光子。对称性成功地破缺了—前提是你能够探测到这个奇怪的场。毫无疑问，你不能。

非零场在创世之初“开启”，存在三种不同的粒子，这个概念不仅奇异，而且无法验证，因为戈德斯通玻色子隐匿在弱场之中，是不可见的。

布绕特、恩格勒和希格斯提交了他们的想法，但被所有期刊拒绝了，其中一份期刊甚至回复说：“与物理学没有明显的关联。”[4]它在数学上很简洁，但无法验证，因此希格斯向研究团队的一名成员抱怨说：“这个夏天我发现了一些完全无用的东西。”[5]

破缺的镜子

既然我们知道这个故事有一个圆满的结局，那我们就应该仔细看看这个新场。一些文献中提到弱场粒子“吃”戈德斯通玻色子，这是怎么发生的？答案与一种粒子属性有关，这种属性看起来也是完全无用的，所以我们一直没有提到。

电荷、色荷、自旋、弱同位旋等，这些属性决定了粒子如何与不同的场相互作用。而狄拉克的量子场论预测了另一种粒子属性，叫作“手性”，它是粒子的一种属性，完全没有用。

我们可以用数学语言描述手性，但它没有明显的物理意义。我们只知道每一个粒子／场似乎从一种手性振**成另一种手性，就像钟表的指针“嘀嗒嘀嗒”地来回摆动。手性有两种，我们分别称之为“左手性”和“右手性”。这并不是说粒子会像蹦迪一样在空中交替挥舞小手—尽管它们可能这样做。我们不知道。

在量子史上的大部分时间里，手性都只是在方程里从左到右来回跳跃，什么用也没有。粒子从一种手性翻转成另一种手性，然后翻转回来，之后再翻转，再回来，直到弱场出现。

1956年，吴健雄和她的团队用钴原子做实验，以测试弱核力的对称性。无论粒子朝向哪一边，强核力和电磁力都是相同的，但吴健雄发现，弱核力打破了对称性，只有左手性的原子才激发放射性衰变。

尽管夸克这样的粒子一直有弱同位旋（弱场的属性），但只有左手性的夸克能与弱场相互作用。我们说左手性粒子有“+1个弱超荷”，右手性粒子有“0个弱超荷”，弱超荷决定了粒子是否与弱场耦合。

此时此刻，你开始觉得整个量子力学就是一堆在大爆炸期间随机分配的属性，让人感觉莫名其妙，但如果你希望物理定律变得更有条理，恐怕你就需要另找一个宇宙了。我推荐蒂姆·詹姆斯是蝙蝠侠存在的那个宇宙，如果你已经在了，请留在那里。

闭嘴嚼玻色子

我们回到Z玻色子—一个没有色荷也没有电荷的粒子。它本质上是一个光子，但有两点不同：Z玻色子有质量，左手性的Z玻色子能与弱场耦合。