江才健:希格斯逝世与⾼能物理的嬗变

作者: 江才健

来源: 赛先⽣

发布日期: 2024-05-03 18:53:41

英国物理学家希格斯去世象征着⾼能物理中“希格斯机制”的结束,近代物理科学的发展主导⽅向为实证与化约,化约论思维影响了粒⼦物理的发展,标准模型理论的根源在于化约论,希格斯粒⼦的发现虽获诺⻉尔奖但意义有限,高能物理的发展面临挑战,实验物理向着庞⼤条件发展阻碍了自由和个⼈的创造。

上个⽉,英国物理学家希格斯(Peter Higgs)以95⾼龄去世,他去世的⼀个象征意义,就是在⾼能物理中传颂甚久的所谓“希格斯机制”,虽说在2012年得到了所谓的实验证据,也在2013年得到当前科学界依然重视的诺⻉尔奖,但是对于物理基础粒⼦物理的发展来说,这个“希格斯机制”可以说已经翻⻚了。

如果回顾近代物理科学的发展,⼀般认为主导的⼤⽅向,可以归之为实证与化约。实证⽅法让近代科学在⼀个⼈控的因果条件中,建⽴起所谓的客观实证性,这种超越时空的客观性,给近代科学的实证性带来的优势,其实超越了它本质上的意义,科学实证性带来的重复可征性,与近代科学知识的强⼤应⽤性,⼀体两⾯的让近代科学享有了⼀种主导⼈类认知的权威地位。

受到其上溯希腊⾃然哲学传统的影响,化约论⼀直是近代科学思想的⼀个重要传承内涵,古希腊追寻物质最⼩结构的原⼦,正是近代科学千百年以降,虽说有左⽀右绌,却万变不离其宗的化约论思维的根源。近代物理科学在19到20世纪的跃迁式发展,其实也是受到⼀种化约论思维的主导以⾄。

19到20世纪之交,⻢赫(Ernest March)和波兹曼(Ludwig Boltzmann)著名的原⼦真实存在辩论,可以说是近代物理化约论思辩反思的⼀个例⼦,虽说原⼦真实存在的科学辩论,已经殆⽆疑义,但是其哲学辩论并没有尘埃落定。

20世纪量⼦⼒学的伟⼤成就,让近代物理具备了解释⽐原⼦更微观⼩粒⼦的能⼒,正是近代科学在化约论⽅向上的⼀⼤胜利,物理学家因此信⼼漫溢,想要以⼀个更⼤的理论架构,来解释由化约论观点所描摹的宇宙物质结构,这个宇宙物质结构的⼤理论架构,叫做“标准模型”,⽽“希格斯机制”是“标准模型”中,最后被确定⽽镶嵌上去的⼀个部分,“希格斯机制”⼀⽅⾯似乎补全了“标准模型”,另⼀⽅⾯也窒息了“标准模型”进⼀步透视宇宙物质结构的出路。

“标准模型”所讨论与解释的宇宙物质结构,包括了近代物理认知到的四种作⽤⼒之中的三种,也就是电磁作⽤⼒,弱作⽤⼒和强作⽤⼒,但是近代物理最早认知到的重⼒作⽤⼒,却不在其中。

虽然如此,在过去超过半个世纪,“标准模型”⼀直是近代物理的基本粒⼦物理思想研究与实验探究的核⼼,除了19世纪已经知道的电磁作⽤⼒,这个理论模型也解释了20世纪发现,主导原⼦核分裂的弱作⽤⼒,以及使得物质稳定结合的强作⽤⼒,另外还有⽤来解释不同物质质量的费⽶⼦,以及传送不同作⽤⼒的波玻⾊⼦。

过去半个多世纪,这个看似让⼈头昏眼花的“标准模型”,其所预测的内容,却⼀⼀的在实验中得到验证,⽤最世俗的标准,就是他们得到了不计其数的诺⻉尔物理奖。

“标准模型”理论的根源,还是可以上溯⾄化约论的思维,物理学家推衍出这个理论的源头,来⾃宇宙⼤爆炸的原点理论,认为⽬前我们所能观察到的物质宇宙,都是那⼀个⾼能量的起始点状态,逐渐冷却⽽来,因此为了追寻物质最原始的来源,粒⼦物理学家就在努⼒建造能量愈来愈⾼的粒⼦加速器,这些努⼒确实也找到了⼀些⾼能量的粒⼦,成为领域中的重⼤成就,但是却有愈来愈多的理论物理学家持悲观的看法,认为在很⼤的能量区域,不会有任何粒⼦存在,他们将之称为⼤沙漠。

1980年底在美国维吉尼亚理⼯学院⼀个⾼能物理会议,是相信或反对⼤沙漠推测的理论物理学家间⼀次很关键的讨论,因为出席与会的多是领域中最活跃,也最有创⻅的顶尖理论物理学家,他们的讨论并没有共识。这时他们发现杨振宁在讲台下,因此希望杨振宁对粒⼦物理发展做⼀个评论,杨振宁要求在不引述的条件下同意发表他的看法,他当时说了⼀句有名的话就是“The Party is over”。

到⽬前为⽌,在公开引述的⽂献中,杨振宁对于粒⼦物理未来发展的看法还是“繁花盛宴已经结束”,其实对于“标准模型”的创建有着最关键贡献的杨振宁当时的看法,根据他私下回答物理学家⻩克孙访谈的说法,是⾼能物理就要完了。

事实上,在粒⼦物理领域谈论“后标准模型”时代的看法,早已不是新闻,只不过没⼈知道出路在哪⾥。

2012年“标准模型”拼图中的最后⼀块,也就是解释不同粒⼦质量来源的“希格斯粒⼦”,在实验上获得统计误差可接受的证据,认定其发现,在瑞⼠⽇内瓦的最⼤加速器的实验室,公开宣布结果的⼤会议,不但盛况空前,世界各地更有不计其数的粒⼦物理学家,在⽹上观看,激动莫名,先后提出这个“理论机制”的三个物理学家,第⼆年就得到诺⻉尔物理奖肯定。

年过⼋⼗,最早提出构想的希格斯也在其列,但是希格斯粒⼦的本体意义诲涩,物理学家也深知其发现的意义有限,⽽且他们⼼知肚明,这个成功就像是⼀个宣告死亡的讣告。

⼆战之后,⾼能粒⼦物理在美国不成⽐例的强势发展,除了国家声望或应⽤技术的宣传成功,粒⼦物理学家与做核武科学家的⼀脉相承,亦是原因,但是随着追寻更⾼能量宇宙初期粒⼦的存在,加速器愈做愈⼤,发现“希格斯粒⼦”的实验团队居然⾼达六千⼈,耗费不赀((zī))⼤科学,产⽣的结果三、五⼗年内对社会没有直接好处,上个世纪所⾯临半途腰斩的命运,不令⼈意外,建造更⼤加速器的提议,现在还在四处兜售,在美欧找不到经费,便希望中国出资兴建。

⼏年前为回应数学家丘成桐的质疑,杨振宁还公开表示在中国造超⼤加速器,⽆论就科学或其他社会因素衡量,都是不切实际的投资“钱坑”。

由于许多因素的影响,近代科学的发展已经呈现难以辨识的⾯⽬。我们回顾六⼗年前杨振宁写下的⽂章,依然看到充满启发性的视野,⾼能实验物理变成⼤计划、⼤预算,失去⼩规模实验探索⾃然奥秘的精神与感受,也失去了实验结果所带来的启发,实验“向着庞⼤条件发展的趋向是不幸的,因为它阻碍了⾃由的和个⼈的创造”。

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