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希格斯粒子系列》魏特曼:我希望希格斯粒子不存在




知识通讯评论第121

科学家在2012年7月宣称,他们可能找到了被外界俗称为上帝粒子的希格斯粒子,且听听因与此发现密切相关理论得到诺贝尔奖的一位物理学家的看法。

今年的林岛会议适逢本世代粒子物理的最大发现。安阿伯密西根大学荣誉退休教授暨理论粒子物理学家魏特曼(Martinus Veltman),因粒子物理方面工作,共享了一九九九年的诺贝尔物理奖,而希格斯玻色子的存在正是「标準模型」所预测的。然而在过去三十年,魏特曼本人却一直怀疑希格斯粒子的是否存在。

希格斯粒子系列》魏特曼:我希望希格斯粒子不存在

魏特曼

简单来说,希格斯玻色子是什幺?
这无法以古典物理解释。弱作用力(可对比于电磁交互作用)量子场论的数学困境,在于属于媒介粒子的W及Z玻色子不具质量。解决之道是假设在整个宇宙间存在有一个力场。媒介粒子可藉由与「希格斯场」的交互作用得到能量,也就是质量。在量子场论,有场就会有伴生粒子,例如电磁场的伴生粒子是光子。相较零质量且自旋为1的光子,希格斯玻色子质量大且无自旋。

发现新粒子带给您什幺感想?
一开始我对之十分冷淡,现在有时间好好思考,发现其意义重大。早在五十年前,科学家就已经预测有希格斯粒子,现在我们成功找到它,这的确是理论的惊人成果。希格斯粒子应该存在其实是由于非常抽象的理论原因,好几年来,我一直研究希格斯粒子不存在会带来的后果。这项新发现代表我暂时会放弃上述努力,至少暂时如此。

为什幺您过去会怀疑希格斯粒子不存在?
首先,希格斯粒子应该存在于各个地方,将质量传递给其他粒子,但竟然过去三十年到四十年都逃过仪器的侦测。再来,因为希格斯粒子的能量散布在整个宇宙,应该会导致空间扭曲,如果你去计算一下,这样宇宙应该会扭曲成只剩足球大小。这是粒子物理面对的最大难题。

您现在想法改变了吗?
这并不是信仰或心情的问题。只是客观情况让我想要知道证据在哪里。科学家从一九七〇年代初就开始寻找希格斯粒子,每年都会有闹笑话的,预测说希格斯粒子其实就在角落。因此我才下结论,希格斯粒子不存在的机率比较高。
幸好,在欧洲粒子物理研究中心发布结果之前,就有人打电话通知我,不然我真的会在林岛大会说出「希格斯粒子不存在!」这一类蠢话。

您的研究工作在预测希格斯玻色子中扮演什幺角色?
我的研究工作牵涉到数学形式主义,必须了解特定类量子场论的重整化,其中包含电弱标準模型。在这之前,如果不知道如何计算,这就无法做出单一预测。就好像费曼(Richard Feynman)和其他获得诺贝尔奖的科学家,在一九四八年对量子电动力学做的事。

您和费曼合作过吗?
我们从未共同发表过论文,但是在一九八三年,有一次我们一起去吃汉堡,聊天时发现我们两人都不喜欢超对称理论。

超对称理论无法解释暗物质吗?
当然没办法。科学家从一九八〇年代就开始寻找暗物质,但雷声大雨点小。会不会我们根本就未透彻了解重力?天文物理学家对于爱因斯坦重力理论的执着,真是令人难以相信。您知道在我们「看到」暗物质的数个银河的距离,爱因斯坦的理论验证了多少?完全没有!

希格斯粒子系列》魏特曼:我希望希格斯粒子不存在

大爆炸

费曼认为,如果您无法向大学一年级生解释一件事情,代表您还不真正的了解。当今物理界的知识都能够这幺简单地解释吗?
相对论和量子力学问世后,您可以向想像和直觉告别。希格斯场这个例子正说明某些事物难以向任何人解释,同样您也很难解释没有比光速更快的事物。这需要透过数学来处理。

您如何解读公众对于希格斯粒子的高度关注?
这可不是我干的事。如同您先前看到的「超越光速的微中子」新闻,一开始您会成为众人的关注焦点,享受成名的喜悦,不久,研究结果被挑出错误,然后灰头土脸。这是您要承担的风险,希格斯粒子的情况也是一样。虽然欧洲粒子物理研究中心不太可能出错,但是您能想像万一出错,会造成什幺后果吗?

所以您并不支持将欧洲粒子物理研究中心的大强子对撞机碰撞实验连结到大爆炸理论吗?
大强子对撞机出来的实验结果完全无法帮助我们进一步了解大爆炸理论。这只不过是宇宙学家和天文物理学家在那里胡扯,想要搭顺风车分享粒子物理学家的部分成果。大爆炸的能量十分惊人,有一整个宇宙,相较之下,大型强子对撞机碰撞实验的能量微不足道。

您是否曾经和尊夫人探讨过粒子物理?
没有。这就是理论物理学家必须忍受的寂寞。我从来没有真正成功和家人讨论过物理,除了和我的女儿,她在转行到银行界之前,也是理论粒子物理学家。

您认为在希格斯粒子领域中,谁应该获得诺贝尔奖?
只有一个人预测应该存在零质量的粒子,那就是希格斯(Peter Higgs)。虽然布绕特(Robert Brout)和恩格勒(François Englert)在更早两个月就讨论了同样的机制,但是他们从未预测到这种标量粒子。所以希格斯的功劳应该排第一,恩格勒排第二。布绕特已经过世,剩下基博尔(Tom Kibble),我认为基博尔在研究上的实际贡献高于希格斯,他是世界上最谦虚的人,应该享有更多功劳。

什幺因素让您保有研究热情?
希格斯粒子还有许多问题尚未解决。为什幺基本粒子会分成三个家族,除了质量以外其他性质都相同(例如,电子、缈子和滔子)?这种问题不是光靠建造机器就能回答。但这也是希格斯粒子让人感伤的原因,因此我并不希望希格斯玻色子存在,它关闭了可以补足「标準模型」缺失的最后一扇门。

是不是次原子领域之后就没什幺值得研究的课题?
当然不会,这种事不可能发生。探索本身就是人类活动的一环。假设我们决定再也不建造任何粒子对撞机,从现在起的五十年,我们坐在房间里互相大眼瞪小眼。您不认为到某个时候会有人开口说:我们是不是至少应该去看一看?