理论教育 基于质量概念的基本粒子理论分析

基于质量概念的基本粒子理论分析

时间:2023-11-09 理论教育 版权反馈
【摘要】:由于所遇到的新的困难,追问现代基本粒子理论是否提供了也许是更深刻地看待质量本性的洞见似乎是自然的。但是我们关于粒子的当前知识难以被期望去解决质量问题,因为到目前为止,基本粒子的质谱抗拒任何解释。[48]当前的基本粒子理论,尤其是他们之中最成功的格拉肖-温伯格-萨拉姆标准模型,被认为预测了质量值。从而,任何涉及粒子动力学模型的细节都是独立,并专门处理了有关加速物体的零点场形式。

基于质量概念的基本粒子理论分析

上面我们所讨论的关于质量本性的理论都是基于宇宙学的考虑的。由于所遇到的新的困难,追问现代基本粒子理论是否提供了也许是更深刻地看待质量本性的洞见似乎是自然的。但是我们关于粒子的当前知识难以被期望去解决质量问题,因为到目前为止,基本粒子的质谱抗拒任何解释。没有人知道为什么电子的质量大约是0.0005GeV(或9×10-28g),μ介子的质量约为0.11 GeV,τ介子的质量约为2 GeV,而上夸克质量约为170 GeV。所有试图找到这些不同质量值的一个普遍公式的企图——希望它能导致一个解释性的理论,就像巴尔末公式对氢的谱线的解释对于量子力学的构造是一个线索一样——都失败了。虽然所有观察到的电荷都是基本电荷(1.6×10-19Cb)的整数倍,但是我们发现质量具有所有大小,而没有丝毫迹象显示质量可以量子化。[48]

当前的基本粒子理论,尤其是他们之中最成功的格拉肖-温伯格-萨拉姆(Glashow-Weinberg-Salam)标准模型,被认为预测了质量值。[49]但是一个更密切的考察显示,某些参数如“弱混合角”(温伯格角),必须被引入,以便与实验达成一致。此外,应用局域规范不变性原理与自发对称性破缺的概念,标准模型联合希格斯机制,赋予了粒子以质量。众所周知,希格斯机制是由彼得希格斯于1964年为了把质量引入杨-米尔斯规范理论而发展起来的。萨拉姆和史蒂芬·温伯格分别很快承认其重要性,因为他们企图使弱核力理论和电磁力纳入统一的“弱电”力规范理论。他们希望通过希格斯机制的方式来解决的困难是:弱相互作用的传递者W+、W-和Z玻色子有与这些中等大小核子一样大的质量,然而相应的电磁力的传递者却根本没有质量。由于希格斯机制确实搬开了统一的弱电理论道路上最后的绊脚石,它往往被认为解释了质量的“起源”或“成因”。[50]

希格斯机制基于假设存在标量场,即“希格斯场”,它弥漫所有的空间,通过与这个场耦合,无质量粒子获得一定数量的势能,并因此根据质能关系获得一个确定的质量。耦合越强,粒子质量越大。这个过程的关键可以作如下类比说明:“粒子被认为在它们与希格斯场相互作用中获得质量的方式有点类似于吸墨水纸碎片吸收墨水的方式。在这个比喻中,纸片代表单独的粒子,墨水代表能量或质量。正如不同大小和厚度的纸片吸收不同量的墨水,不同的粒子‘吸收’不同量的能量或质量。观察到的粒子质量依赖于粒子的‘能量吸收’的能力,以及空间中希格斯场的强度。”[51]

正如萨拉姆曾表示:“无质量的杨-米尔斯粒子为了获得重量‘吃掉’希格斯粒子(或场),被吞噬的希格斯粒子变成幽灵。”在希格斯机制中,质量不在粒子内“产生”,而是通过不可思议的无中生有(creatio ex nihilo),从希格斯场转移到粒子,希格斯场以能量的形式包含质量。1983年在欧洲粒子物理研究所进行的高能质子-反质子对撞机中W+、W-和Z玻色子的实验发现给予了这一理论高度的可信性。2012年7月4日,该机构又举行新闻发布会,ATLAS探测器小组宣布他们在126 Gev能级附近探测到希格斯粒子。这无疑将有助于解释物质为何有质量。

海斯克(Bernhard Haisch)、鲁埃达(Alfonso Rueda)和普索夫(H.E.Puthoff)在1994年发表于《物理评论》上的一篇文章中,提出了一个新的质量理论,这一理论如果被证明是正确的,将在最基本的层面对我们的物理学理解产生一个深远的修正。[52]他们的理论可以被部分地视作对电磁质量概念的修正,尽管在许多方面与由维恩、亚伯拉罕、洛仑兹或彭加勒所提出的解释相当不同,例如,他们把惯性质量还原为由静电自身的能量所造成的感应效应。它也可以被视为遵守马赫原理,尽管以马赫没有预期的方式。

与马赫一样,这三位作者把惯性设想为物体的一个属性,而不是内在于物体,但当它相对于一个宇宙参考系处于加速运动之中时在物体中引起质量。然而,与马赫相比,这个参照系不是不同的恒星系,而是所有无孔不入的量子真空或零点场,在其中,与不确定原理一致,亚原子粒子不断地被创造和消灭,即使在缺乏所有热辐射绝对零度[53](www.daowen.com)

W.G.Unruh指出,这个新理论中的一个关键因素是谨慎应用戴维斯-鲁(Davies-Unruh)效应。[54]据此效应,相对于零点场加速的电荷使场发生扭曲,扭曲的结果是电荷受到一个与加速度成正比但反方向的洛仑兹力。根据这三位作者的观念,这是粒子的电荷和表现为粒子惯性质量的零点场之间的相互作用。这也为电中性粒子如中子所支持的,因为它们由带有电荷的夸克组成。此外,同样的相互作用还解释了引力质量的存在。为了证实这种说法,海斯克和他的合作者复兴了一个想法,即最初由安德烈·萨哈罗夫(Andrei D.Sakharov)建议的,并在随机电动力学框架里重新阐述它直到得到以下结论:宇宙中所有的带电粒子,关于它们与零点场的相互作用,被迫波动并因此产生次级电磁场。这些场以力显示他们自身,此力在无论它们带哪种电荷的粒子之间都是有吸引的,但比起一般的吸引力或带电粒子之间的斥力,它是相当微弱的。正如在数学细节上表明的,这些力可以被看作引力。最后,他表明这种随机电动力学的质量理论自动合并为弱等效原理。

作为马赫原理的替代,1998年7月,鲁埃达和海斯克发表了海斯克-鲁埃达-普索夫1994年惯性质量理论的修改版。新版本避免了前面粒子和场之间相互作用的动力学的特设性构造。从而,任何涉及粒子动力学模型的细节都是独立,并专门处理了有关加速物体的零点场形式。它使用标准场转换而不涉及任何近似,在一个协变方法中达到广义相对论的四维表达。[55]

雅默指出,我们应该充分意识到,他们的惯性质量理论面临着一系列严重的困难,例如,如何说明经验上实证的广义相对论引力效应的问题。[56]不过,他们的理论仍然是值得商榷的,因为它是从发人深省的哲学观点出发,企图在我们物理实在观念的层次上放弃传统优先的质量概念,并同时免除赞成场的概念。在这方面,他们的理论对牛顿的质量概念所做的就像近代物理对绝对空间概念所做的那样,正如爱因斯坦曾经写道:“对绝对空间概念或惯性系概念的胜利之所以成为可能,只是因为物质对象的概念逐渐为作为基本物理概念的场概念所取代。”

由于多种原因,无论是全域的还是局域的,没有一个质量理论获得了普遍的接受。首先,没有人预言了基本粒子的质量;其次,他们不得不与一个新理论竞争,该理论声称不仅要预测这些质量,或至少他们的比例,而且要通过统一自然界中所有的力来解决广义相对论和量子力之间长期存在的冲突。追溯至20世纪60年代后期,所谓的“超弦理论”是一个处于快速发展并受到相当大争议的理论,它断言物质的基本要素不是像标准模型的粒子一样的点,而是微小的弦,即一维的封闭或打开的振动的细弦。它还声称,质量比可以从弦振动的模式来推断,沿着弦的延伸,容许更多的波长,更高的振动模式对应更高的质量值。[57]

虽然超弦有时被誉为极受欢迎的“万有理论”,但它也存在严重的问题。由于弦非常地小(比质子小1020倍),将可能永远不会在实验室里被直接观察到。此外,它们的振动发生在比普通空间—时间流形的四维更多维的一个空间中。直到1995年,不同版本的超弦理论可被解释为所谓的M-理论(所有理论之母),但仍未被完全理解。总之,超弦理论是否提供了一个真正令人满意的质量本性的理解,仍然是一个未决的问题。[58]

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