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对发现“上帝粒子”意义的宣传完全言过其实(专题一)

(2012-10-01 07:40:00)
分类: 审视现代物理学主流

——就希格斯玻色子致全球知识界的公开信()

作者  苟文俭

7月初,FNAL(美国费米国家加速器实验室)CERN(欧洲核子研究中心)都宣布发现了被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。随后有大量的跟进报道及相关的科普介绍,其中许多对发现“上帝粒子”的意义都做了完全言过其实的宣染,对此作者特别撰写了六篇系列公开信,尽可能从专业的角度,使用知识界都容易读懂的文字,诚实地陈述所有相关事实真象,以供读者理性化思考之参考。

(一)

希格斯玻色子记为H粒子,它是满足标准模型演绎需要的一个基本粒子。标准模型是粒子物理学标准模型的简称,本系列公开信都用它的英文缩写SM”表示。

上世纪30年代,英国理论物理学家狭拉克(Dirac.P.A.M.)等人创建了带电粒子参与电磁作用的QED(量子电动力学)SM是以QED为模板,第-性原理是对体系能量的拉格朗日量做规范对称变换,具有统一的规范对称观念,包括了用 SU(2)×U(1)群的定域破缺对称表述的电弱统一理论、用SU(3)群的色对称表述强作用的QCD(量子色动力学)、以及用幺模幺正群SU(3)×SU(2)×U(1)直积等方式,表述强、弱、电作用的大统一理论

CERN是在LHC(大型强子对撞机)的上千万亿次强子对撞事例中,观察到了几百个量均集中在125126Gev之间的粒子共生现象,FNAL是在Tevatron(万亿电子伏特加速器)的数百万亿次正、反质子对撞中,观察到了数十个能量范围在118132Gev之间的粒子共生现象,由于具有玻色子衰变特征,被认为这可能就是“上帝粒子”。

所谓粒子共生现象,是指高能粒子对撞中同时产生的两个或多个粒子(包括光子),它们的总能量取值相同。粒子物理学中,粒子质量一般用能量单位“电子伏特”表示,“Gev”指10^9电子伏特,本系列公开信用到的Mev”是10^6电子伏特。对上述实验发现的新粒子记为X粒子,它到底是什么将在公开信系列《(六)》中具体论述。

(二)

在有关发现H粒子的报道及科普介绍中,绝大多数文章都说:SM预言的62种基本粒子中,61种都已被实验证实,只有唯一的H粒子还未被证实。事实绝非如此。

SM预言62种基本粒子的真象是:在QCD及电弱统一理论的矩阵运算中需要有61个独立的粒子单元,在与相互作用联系时就视为是61种基本粒子:其中有12种正、反轻子,36种正、反夸克,8种传递强作用的胶子,一种传递电磁作用的光子,三种传递弱作用的中间矢量玻色子W^±Z^0,及赋予粒子质量的H粒子。另外还有一种是传递引力作用的引力子,它与SM无关,是超引力量子理论的假设(符号^表示上标)

以电弱统一理论在演绎中使用的基本粒子为例:(1)12种轻子及光子,都是在已被实验证实了以后,理论才在演绎中使用了它们;(2)W^±Z^0质量,是在实验测量了温伯格角θˇw以后,理论才计算出了与实验测量值保持一致的结果,因此说电弱统一理论计算的W^±Z^0质量与实验值一致,实际只不过是一个实验对另一个实验的验证。对电弱统一理论自身演绎使用的所有16种粒子,理论事先并没有得到过能够由实验证实的任何预言(符号ˇ表示下标)

与电弱统一理论-样,上述61种基本粒子也都只是SM在演绎中使用了它们,而理论事先也都没有得到过能够由实验证实的任何预言

 

(三)

参与强作用的粒子称为强子,它有重子与介子这两大类。从上世纪创建SM的探索开始,几乎所有对强子对称性的理论分析都得到了很好的实验验证。

11956年,日本的坂田昌一(Sakata Shyoichi)认为,所有强子均由质子p、中子nΛ重子等三个基础粒子组成,创建了并不正确的坂田模型,但他在用SU(3)对称性分析介子时,预言了还有两种新的中性介子,不久便在实验中相继发现,记为η和η′。

21961年,美国的盖尔曼(M. GellMann)与日本的大久保(S.Okubo)共同得到的SU(3)多重态重子之间的质量公式,以及后来盖尔曼在讨论重子十重态中,预言的Ξ^*-Ξ^*0Ω^-等三种重子,以后也都相继被实验证实。

31964年,盖尔曼在对坂田模型的分析中发现,组成强子的三个基础粒子带有分数电荷,并非是pnΛ;他对这种奇怪的基础粒子取名为夸克,创建了夸克模型。后来,主要依据夸克与轻子参与弱作用的对称性,粒子物理学家们又预言了第四种c夸克、第五种b夸克及第六种t夸克。从1974年到1994年,实验先后观察到了满足理论这种对称性表述所需要的相关粒子,于是就认为实验证实了cbt夸克特别注意:这并不是直接观察到了cbt夸克,而是证实了理论对粒子对称性的唯象分析。

在粒子物理学领域,说夸克与胶子被实验证实,一般是指如下这两个事实:

11968年,在用高能电子撞击质子的深度非弹性碰撞中,发现了电子有大角度散射,这意味着质子内部有点状硬结构;粒子理论家认为这就是质子内部有带电夸克的证据。

21979年,在正、负高能电子对撞实验中发现了强子三喷注,粒子理论家们认为:一对主要强子喷注就形成于一对正、反夸克,一个次要强子喷注就形成于某个夸克发射的一个硬胶子;强子三喷注也就是夸克、胶子的实验证据。

对上述实验1:开初,理论家们依照质子组成于夸克的所有计算,都与电子大角度散射的实验数据完全不符。后来,美国的费曼R.Feynman)把每个夸克与设想中它周围的大量正、反海夸克统称为“部分子”,认为质子内的每一个部分子都“冻结”在了自己的位置上,电子也是点结构粒子,由此的计算才与实验数据相符。显然,高能条件下“冻结”的部分子、与QCD的强作用渐近自由的“点”夸克完全相悖。费曼计算的假想前提,就直接否定了QCD最重要的核心内容,即高能条件下的强作用渐近自由

粒子理论家们认为上述实验2的胶子喷注,就形成于硬胶子破裂成的一组正、反夸克(胶子物化)。对这种解释数量化的通常做法是:根据高能粒子的质心系能量及各喷注能量的分布,使用基于随机数蒙特卡洛(Monte Carlo)方法、来获得喷注形成时夸克与胶子到底怎样分布。在这种分析中,不论是对喷注事件样本的选择,还是喷注动力学特征的模拟,QCD自身并不能给出任何有关的初始约束,而都是依照QCD的既定目标做人为假设,如此正、反夸克及硬胶子具体怎么分布,对三喷注做不同的动力学模拟就会有不同结果,得到的都只是一些可能性。因此,说喷注产生于夸克与胶子,实际并没有数量化的确凿证据仍然只是理论家们的想象。

36种带分数电荷的夸克及8种胶子,QCD禁止它们单独存在。事际上,粒子领域是否有这44种基本粒子,从来就没有确信无疑实验证据;它们连同引力子,占62种基本粒子的三分之二,都还只是QCD及超引力量子理论在形式化表述中使用的一组数学符号。

事实非常清楚:SM预言了62种基本粒子,其中的61个都已被实验证实,没有尊重最起码的基本事实,完全言过其实

(四)

相关报道及科普介绍几乎都欢呼说:H粒子的发现,不仅使人类可以弄清宇宙质量是怎么形成的,也实现了对SM的最后验证,物理学将会因此迎来重大突破

对粒子参与作用的实际存在,就称是粒子的动力学存在当代对其描述的主流与时尚即是SM。人们都认为:规范对称变换不仅给出了SM简洁优美的形式化表述,它也还有与实验数据相符的定量计算。但事实上:对粒子动力学量的所有计算,SM都只能是近似的微扰处理,都有不可避免的无穷大,都只能通过人为的重新定义(即重整化)来消除,也还要引入众多自由参数;对所有实际的具体问题,也都只能象费曼“冻结”的部分子模型那样,要根据实验测量选择特定的计算模型,都要使用实验测量结果做人为假设,而不是从该问题自身的初始条件出发,由SM计算出与实际相符的结果。即对具体的计算问题,SM总是让人为的计算服从实验结果,从来都不是理论自身的计算预言了实验结果

考察从SM得到实验验证的所有结果,包括对实验数据的处理分析,它们都源自对粒子动力学存在对称性的唯象分析。因此对这种唯象分析,就称是SM成功的一面;但这些唯象分析到底根源自粒子什么样的实际存在SM却是一无所知。这又证明:SM成功一面的唯象分析,只是一种对粒子动力学存在对称性的等效描述。

真正了解SM的学者都清楚如下的事实:

1、对粒子参与强、弱作用的动力学存在,如果完全从规范对称变换的第一性原理出发,对任何实际问题都绝不可能做有确定结果的定量计算,并不具有计算的有效性;对诸如参与强作用的夸克与胶子该如何分布等等这些非微扰问题,更是一筹莫展。

2、大多数粒子物理家也都普遍认为:SM并非是完全正确的最后理论。这方面,公开信系列《(二)》的论证结论是:SM具有非实在性的丑陋本质。

3对粒子质量及宇宙质量的形成,希格斯机制早在43年前就已经做出了唯象解释,如果把X粒子视为H粒子,SM需要的22自由参数仍然不能由理论本身确定,仍然不能对希格斯机制做完全有效的数量化表述SM非实在性的丑陋本质依然存在

另外,依照希格斯机制(Higgs mechanism)的论述,粒子质量直接形成于希格斯场,H粒子形成粒子质量的希格斯机制中相伴出现的,它并不直接赋予其他粒子质量

上述事实必然的逻辑结论是:说发现了H粒子就弄清了宇宙质量是怎样形成的,是对SM正确性的最后验证,将会迎来物理学的重大突破,都是完全不能成立的伪命题,这都只不过是当今人们对发展理论物理学的美好向往与一厢情愿

(五)

在物理学的历史上:由于当时拉瓦锡(Lavoisier.A.L、拉普拉斯(Laplace.P.S)权威学家支持了与热现象表象相符的“热质说”一直到18世纪它都还是物理学的主流与时尚。对真空的“以太说”,由于满足了光波传播的需要,受牛顿I.Newton等物理学权威赞赏,直到19世纪末也都还是物理学的主流与时尚

SM的规范变换以QED为模板,源自QM(量子力学)SR(狭义相对论),有成功的唯象分析并可计算众多理论物理学权威参与创建的,自然也就成了当今的主流与时尚。

今天,人类已经离开了“热质说”和“以太说”,明天,人类会不会也离开SM希格斯机制呢?对此,公开信系列《(三)》、《(五)》将会有具体论证及明确答案。

历史需要继承,但观念总在不断更新;对此我们不仅要知道,更需要实事求是地思考!

【注】:对一些常见内容的参考文献,公开信系列均省略了对它们的注释。

                                       完成于 2012-08-30

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