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。
Z玻色子的属性在“能与弱场耦合”及“不与弱场耦合”之间交替,因此它的弱超荷也在+1和0之间来回变换。但注意,你看谁正在从山顶向我们走来?埃米·诺特!
“你猜怎么着?”她说,“弱超荷也是守恒的。”诺特心满意足地看着自己造成的伤害,淡然离去。