万物的质量是由希格斯玻色子赋予的,那么谁赋予了希子质量
万物的质量是由希格斯玻色子赋予的,那么谁赋予了希子质量
这是一个科学发现的伟大故事,但是真正的主角却被玻尔、薛定谔、爱因斯坦等人的光环所掩盖。
●这张照片里找不到本文要介绍的科学家。
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这位伟大的科学家,就是艾米.诺特(女的),真正意义上的科学女王。
为什么能量要守恒?为什么动量要守恒?
为什么永动机是永远也无法造出来的?
在1915年之前,物理学家们只知道能量守恒和动量守恒是长期实验观察中的结果,因而成为一种所谓的原理。但是并没有人知道其背后的原因。
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科学家存在的意义,就是告诉人类无法用肉眼看到的规律。
牛顿万有引力定律,规律表现在距离平方的倒数关系,这是在空间中无法观察到的。在地球和太阳之间能看到平方吗?能看到倒数吗?这是看不到的,这是牛顿告诉我们的。
但是,并不是所有的科学定律,都具有相同的发现难度。
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牛顿万有引力定律相对来说比较简单。因为可以从某种几何测量中得到一系列的可观测数据,然后再通过对这些可观测数据进行分析,可以猜到一些关键的节点,比如说平方关系。
在牛顿之前,开普勒通过对行星围绕太阳运动的长期观测,已经确立了一些关系。开普勒告诉我们:行星围绕恒星运动的轨迹是一个椭圆,恒星位于椭圆的焦点;恒星与行星之间的连线,在相同的时间扫过相同的面积。
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椭圆是一个二次曲线,而面积也是尺度平方的关系,这给了牛顿以启发。
先从实验数据的积累开始,总结出一般性规律。然后再把得到的规律应用于实践中,再根据实验中的数据对原来的规律进行修整。
在20世纪以前,人类发现的科学定律,基本上都是这样确立的。
●万有引力的测量装置,可以检验万有引力定律的正确性。
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形而之上谓之道,这是支配物质世界的第1层规律。道之上更有道,这是世界的第2层规律。
牛顿万有引力定律是物质世界的第1层规律,能量守恒和动量守恒,就是道之上的道。
道之上的道,其作用超越了物质的形体变化,所以无法从直接观测物质世界的运动情况总结出其背后的原因。
像动量守恒和能量守恒这样的物理规律,长期以来是默认正确和存在的。
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1915年,也就是广义相对论发表的那一年,艾米.诺特证明了一个重要的定律:如果一个数学形式可以经过某种连续变换,保持形式上的不变,则必然有一个守恒的流形与之相对应。
这个定律被称为诺特定律(正式发表是在1918年)。
一个数学形式经过某种变换保持形式上的不变,从几何学上可以理解为某种对称性。就比如说人在镜子前面,镜子里和镜子外面的人的影像是对称的,以及水面倒影的景物也是对称的。
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如果我们在镜子外面做物理实验总结出物理规律,与镜子里面观察到的数据总结出来的物理规律是一样的,这被称为宇称守恒。
我们在镜子外面抛一个石头,它的轨迹是一个二次曲线;我们测量镜子里面石头的运动轨迹,也是一个二次曲线。
所以,我们可以说镜子外面的规律,经过了镜子的映射完成了一个变换,但是保持了数学形式上的不变性。
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诺特定律把对称性和守恒性关联在一起,这就是道之上的道。
动量之所以守恒,是因为时空具有旋转对称性;能量之所以守恒,是因为时空具有平移对称性。
如果对称性被打破,守恒性就会被打破。
现在,我们可以来回答这个问题了:希格斯玻色子赋予了万物质量,谁赋予了希格斯玻色子质量?
希格斯玻色子在高能标下,对称性会自发破缺,自动获得质量。
●下面这张图是希格斯玻色子获得质量的示意图。
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用最通俗的大白话来说,希格斯玻色子从能量的最高点滚下来的时候,就会获得质量。这种质量的获得方式,被称为希格斯机制。
2013年,在欧洲强子对撞机工作的科学家宣布发现了希格斯玻色子,正式确认希格斯机制的正确性。
但是,不要忘记,艾米.诺特才是20世纪中后期一系列伟大科学发现的妈妈。
●艾米.诺特(1882~1935),科学界唯一女皇。
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对称性、对称性破缺和质量起源,涉及到了一个数学概念:数学变换。
在诺特定律之前,没有人认识到数学变换对于物理发现的意义。但是,诺特定律之后,这一切都改变了。
如果我们把狭义相对论从全域变换向局域变换做一个推广,就可以直接得到广义相对论。
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这被称为广义相对论的数学证明,这也是由艾米诺特完成的。
把一种物理学规律从全域变换向局域变换进行推广,可以得到全新的物理学规律,这是已知获得道上之道的最佳方法。
杨振宁受此启发,把麦克斯韦方程从全域变换向局域变换进行了推广,得到了杨米尔斯方程。
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杨米尔斯方程是规范场论的基础,是20世纪中叶最伟大的物理学发现。规范场论把电磁力、强互作用力和弱互作用力统一在了相同的数学形式下,距离万物的大统一理论只有一步之遥。而这一切的起点,都是艾米.诺特。
在现在,在将来,诺特定理所指出的守恒性和对称性之间的深刻关联,任然是指引物理学在迷雾中探索的唯一灯塔。