王涛
弱相互作用的启示
2024-10-28 21:06
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    如果问粒子物理学的理论研究为什么陷入了停滞,一个根本性的问题,就是在过去的很多年,并没有引入更加深刻的原理。那么多的新理论,本质上都是在仿造现有的理论,包括超弦理论。比如我们不知道为什么是三代,比如我们说不清楚为什么三代轻子的质量为什么差别这么大,比如我们无法解释为什么会有规范对称性。

    我们只是在标准模型的框架上,做各种有趣的变型,最复杂的当属超弦理论,但是基本的逻辑并没有变。由于在数学上具有某种自洽性,这促使大量的研究者去理解它。但是我依然好奇,一个点在三个方向上没有尺度,而一根弦在两个方向上没有尺度,这真的有区别么?

    粒子物理学的理论没有成功是有道理的,仅仅是模仿,恐怕无法促进真正的进步。

    一个新理论,起码要解释一些现有的理论不能解释的结果,预言现有的理论没有预言的结果并且被实验证实,但是似乎都没有发生。

    模仿是不能获得成功的。

    电磁相互作用的理论框架在麦克斯韦的手中就获得现在的形式了。把它量子化以后,就直接出现了无穷大。然后是重整化技术的发现,直接给出了实验的答案。所以这个过程虽然痛苦,但是没有中间再变化的过程。这里边的关键就是,这个宏观的理论,量子化以后,虽然出现了无穷大,但是依然被解决了。似乎相互作用本身没有任何问题。

    实际上,在现有的框架上,我们似乎认为在所有的尺度上,电磁作用都是成立的,只是微观上需要量子化和重整化。这是很惊人的事情。这意味着规范原理,真的成为了一个完全不需要再解释的事情。如果有电荷存在,周围就一定有电磁场的存在。这是一个诡异的事情。如果真的是这样,就意味着直到普朗克尺度都是如此。就是因为如此,麦克斯韦被普遍认为仅次于牛顿和爱因斯坦的物理学巨头。

    从黑洞上获得的启示,这意味着,从现有的尺度,到普朗克尺度,电动力学所发生,就是从一个三维的理论,渐渐变成了一个二维的理论。

    弱相互作用是在仿照电磁作用的基础上,获得巨大成功的。我们看到了一个变化的过程。首先是费米的四费米子理论,这看起来就比较粗糙,会给出无穷大,也不能重整化。如果让分辨度提高一些,我们就会发现,在四个费米子作用的点上,其实不是一个点,而是一个圈,交换了玻色子,就和量子电动力学一样。这是一个很有意思的事情。多了新的物理,于是计算上看起来也自洽了起来。

    但是,这个玻色子是有质量的,而且质量很大。如果弱作用也是规范作用,那么这个玻色子的质量就是0。于是我们需要再精细一些,最后我们发现,在能量更高的时候,发现了一个神秘的物质,就是希格斯场。

    原来弱作用的传播矢量粒子的质量真的和光子一样都是0,只是这些玻色子会和希格斯场耦合,导致质量非常重。这样一来,所有粒子的质量原来也都是有起源的,也就是说,都是和希格斯粒子的作用产生了质量。而问题也出来了,为什么三种轻子和这个希格斯场作用,会出现差别很大的质量?

    这些是非常重要的事情。

    特霍夫特和他的老师,证明了这样的理论是可以从重整化的,也就是虽然有无穷大,但是可以算了。

    而能够重整化,和这个传播的矢量粒子质量为0很关键,在整个图像中,这个矢量粒子实际上质量就是0,然后一直和希格斯场作用,再和弱荷粒子作用。这个机制非常巧妙,而且非常复杂。导致我们无法从这个数学中,再看到更深刻的东西。

    所以,这里边的关键可能依然是这个规范理论,我们不清楚它究竟来自哪里。因为在作用的过程中,规范原理和质量的生成机制都是在起作用,然后这样的重整化就发生了。

    如果这样的作用可以持续到极高的能标,从现在看来似乎的确如此,那么这看起来非常诡异。

    我们对于一些细节,看来并不清楚。但是电动力学已经得到了正确的答案,对于实验的解释很准确,这就更让人困惑。也就是说,真实的贡献我们的确已经知道了,但是隐藏在了奇怪的规范作用中。

    当前的理论几乎动不了,也看不到更深的道理,但是的确很多事情我们依然解决不了。但是当前实验已经能够达到的能量下,也没有看到什么新物理。

    但是弱作用的理论发展过程告诉我们,一些不自然的事情,就是因为一些细节被隐藏了我们当前的理论都是达到了规范作用,然后就停下了,没有再去考虑规范原理究竟是什么,似乎也无法想象这里边还有什么。

    因为规范原理太简单了,也太诡异了。我不知道别人是怎么理解这个的,我第一次看到的时候,就觉得这个太神奇了。为什么电荷的周围一定有电磁场?如果这个是一定要有的,那么电荷和电磁场有区别么?看起来有,看起来好像又没有。

    所以,一些东西被隐藏了,我现在开始很相信这一点。

    问题应该就出现在规范原理上,这是一个结论,但是可能不是最终的结论,这是一个很神奇的结论,但是我们似乎不理解它为什么会出现。

    这其实也是我一直有的观点,如果我们不能进一步的去理解,那么理论就会停止。我一直认为电子和光子是一个东西,但是我也不知道是什么原因。当我知道超对称的时候,我很惊喜,但是它没有统一电子和光子,而是让基本粒子增加了一倍,我就立刻不喜欢了。

    我猜测问题可能就在于此,但是究竟发生了什么,可能我们需要下一个爱因斯坦。当然也可能有别的原因,这些都需要去验证。起码现在紧闭的大门似乎已经出现了一个缝隙。如果标准模型被越来越多的实验验证,推进到了更高的能标上,这就成为了必然。

    规范作用,究竟隐藏了什么奥秘呢?

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