粒子物理學還有沒有未來?

2020-12-03 刁博

世界是由基本粒子組成的,粒子物理學是非常基礎的科學,兩千多年前的時候先哲們就思考世界的組成。在諾貝爾物理學獎中,粒子物理學方面的獲獎數量最多,這是一百多年來粒子物理學輝煌燦爛的證明。

在上個世紀早些年,往往發現一個粒子就能得大獎。隨著發現的粒子越來越多,粒子世界的規律越來越難以捉摸,有科學家調侃說:誰若是再發現新的粒子,不要給他大獎,而是罰他一萬美元。之後粒子物理的標準模型逐步建立了起來並取得了巨大成功後,粒子物理學似乎看到了發展的盡頭,相傳有「標準模型之父」稱號的格拉肖說過一句「夸克的出現意味著物理學的結束」。

粒子物理學真的到了盡頭嗎?當然不是,作為最基礎的一門學問,粒子物理學永遠不會消失,會一直存在一直有人研究。在今天粒子物理學依然有很多工作需要去做,比如:超對稱粒子存在嗎?弦理論該如何檢驗?夸克、電子還可以再分嗎?磁單極子在哪裡?暗物質粒子是怎麼回事?如果你覺得這些問題有些虛無縹緲,那還有很多實際的問題:標準模型和實驗還存在一些出入,該怎麼辦?宇宙射線中能量巨大的粒子是怎麼來的?如何設計建造能量更大的加速器?

曾經認為夸克的出現意味著物理學即將結束的格拉肖後來為自己的言論道歉,並建議將比夸克還基本的粒子稱為「毛子」。雖然格拉肖的表態並不意味著夸克還可以進一步分割下去,但卻釋放出明顯的信號:粒子物理學並沒有結束。也正因此,楊振寧、丘成桐、王貽芳等人才有機會爭論要不要建造大型加速器。即使新建的加速器什麼也沒有撞出來,粒子物理學也不會消失。

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    希格斯玻色子是粒子物理學(在一些方面來說),黑洞是天體物理學。當然,天體物理學並不相信所有東西來源於黑洞——只是愛因斯坦和他的黑洞電子。但是預測黑洞的這些理論對於天體物理學又是非常關鍵的,即使沒有黑洞存在,你不會有新的天體物理學發現,甚至不會有天體物理學,至少一百年沒有新的發現,因為這個領域會分裂成幾十個不同的模型,每個模型都能很好地解釋了這類數據的其中一部分,而其餘剩下的數據都很糟糕。與此同時,希格斯玻色子與標準模型的其他部分配合得非常好,如果沒有希格斯玻色子的話,研究場地可能會發生嚴重的爆炸。
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    「物理學的過去、現在和未來」是一個非常大而且重要的題目,也是一個非常難講的題目,特別是涉及物理學的未來,結果往往是貽笑大方。這裡以歷史的透視為主線,提出一些個人不成熟的看法,拋磚引玉,希望得到大家的批評和指正。1 歷史的透視對物理學的發展歷史進行透視,將有助於我們來理解其現狀並進而展望其未來 。歷史很長,不能樣樣都講到。
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    在量子力學裡,真空並不意味著沒有任何場、粒子或能量。量子真空是一種能量最低的狀態,它只是被稱作「真空」而已,實際上能量嚴格為零的狀態是不可能存在的。霍金與惠勒都提到無中生有,有與無本身只是相對的。按照近代物理學的觀點,真空不是虛空,而是量子場系統的基態,具有複雜的結構。處於基態的量子場在不斷地振動,具有零點振動能,且具有相互作用(包括自作用),真空中各種量子場不斷地有各種虛粒子在產生、消失和轉化。在某種意義上真空像是介質,類似於電磁學中電場對電介質的極化、真空與外電磁場的相互作用產生真空極化。真空極化反過來會影響粒子的性質,導致可觀測的後果。
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    《物理世界》(Physics World)雜誌沒有報導那次會議。Courier報導稱:「即使最細緻的審視也沒能撼動標準模型、沒有發現任何漏洞,反而是異常結果在逐步消失。」 回過頭去看這些話,我覺得用同樣的話描述標準模型的現狀也十分貼切,哪怕這之間的三十年中,粒子物理學領域有了如此多的進展。
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    你可能認為駐紮在南極洲的科學家工作只不過是戲耍企鵝或是研究海豹,其中有些科學家在那裡發射氣球或是觀察冰立方,特製的氣球和特殊的冰塊,就像安尼塔球載型實驗,看到了我們認為不可能的事情,並且告知我們目前人對粒子物理學的了解僅僅是冰山一角。