englr-brise機制的實在論性質(zhì)

englr-brise機制的實在論性質(zhì)

一、離子破缺實驗最近，歐洲核子研究中心的大型強子對撞機在atla和comm實驗中發(fā)現(xiàn)了一個質(zhì)量比較輕的標準顆粒。彼得西格斯在一篇題為《對稱破壞文件》的文章中發(fā)現(xiàn)了這一問題。二、及其存在基礎(chǔ)歷史上,EBH機制產(chǎn)生于圍繞著以下三條發(fā)展線路:(1)簡并的真空態(tài)中呈現(xiàn)的破缺的對稱性;(2)有著對稱性破缺解的標量場論;(3)使規(guī)范玻色子具有質(zhì)量的機制。隨著始于20世紀50年代中期的發(fā)展———比如PCAC[全稱PartialConservationofAxialCurrent,是最先在弱相互作用的粒子流圖景(current-currentpicture)中被采用的假設(shè)],櫻井純和謝爾頓·格拉肖提出的規(guī)范理論,SU(3)味對稱性和流代數(shù)———粒子物理學(xué)家朗道在1958年11月21日寫信給海森伯支持他的統(tǒng)一理論,信中提出了一個新的想法,或許是由他之前關(guān)于相變的研究工作推導(dǎo)出來的。他在信中說:“這些方程的解具有比這些方程本身更低的對稱性,”但是“這與其說是一個理論不如說是一項工程。這項工程是宏偉壯闊的,但它仍然需要努力去做。我相信這將會是理論物理學(xué)的主要任務(wù)。”海森伯隨后響應(yīng)了朗道的建議,進一步研究了真空態(tài)的概念,而真空態(tài)的性質(zhì)正是蘊藏于一個場理論的概念結(jié)構(gòu)下面的。海森伯首先在ResearchontheNon-linearSpinorTheorywithIndefiniteMetricinHilbertSpace海森伯的想法在場論中的實現(xiàn)最早是由南部陽一郎南部的工作實際上已經(jīng)否證了一個廣為接受的誤名:自發(fā)的對稱性破缺。對稱性總是被一些物理機制破壞的,比如超導(dǎo)體中庫珀對的形成,或者南部自己的非線性費米子相互作用,但從來都不是自發(fā)破壞的。是某種動力學(xué)機制將系統(tǒng)從能量的對稱狀態(tài)帶入到不對稱狀態(tài)的。對稱性破缺的動力學(xué)起源戈德斯通對海森伯關(guān)于簡并的真空態(tài)呈現(xiàn)的對稱性破缺的想法,探索的理論語境與南部非常不同。南部是在一個自相互作用費米場的不可重正化模型中,對真空的本性和無質(zhì)量無自旋的束縛態(tài)不可避免的出現(xiàn)考察了對稱性破缺解的后果,而戈德斯通則是在一個自相互作用玻色場的可重正化模型中考察一種場論具有對稱性破缺解的條件。南部和戈德斯通都觀察到恢復(fù)對稱性的無質(zhì)量玻色子在對稱性破缺的場論中必然的存在。但與南部的費米子-反費米子束縛對相反,戈德斯通的玻色子產(chǎn)生于一個第一性的標量場;在南部的情況中手征對稱性是被費米場的未知自相互作用破壞的。而在玻色場的自耦合之外,戈德斯通還發(fā)現(xiàn),只有當玻色子的質(zhì)量戈德斯通模型的一個創(chuàng)新點在于他引入了與“更根本的”費米場毫無關(guān)系的第一性的標量場?？雌饋砀甑滤雇ㄗ叱龅倪@一步是隨意的或者說至多是探索對稱性破缺相關(guān)問題的特設(shè)性方式,因此這被LeonardSusskind和其他一些人視作“一個嚴重的瑕疵”。學(xué)者們已經(jīng)投入了很大的精力去擺脫這個根本的標量場,可是所有的努力都已經(jīng)宣告失敗。戈德斯通的研究中影響最深遠的結(jié)果就是他如下的觀察:每當原本的拉氏量有一個連續(xù)的對稱性的時候,任何的對稱性破缺解都會被一種必要但不存在的無質(zhì)量玻色子所否定,這就是所謂的戈德斯通玻色子。這項工作有著足夠的可能性,因為在那時已經(jīng)有了另一個由施溫格提出的與這個問題相關(guān)的創(chuàng)新體系施溫格在一個2維無質(zhì)量量子電動力學(xué)的簡略模型中證明,當規(guī)范場與一個對稱流之間有強耦合時,如果規(guī)范場的真空極化張量在類光動量處具有一個極點,它可能就不是無質(zhì)量的。這里設(shè)定的場-流耦合表明,這個規(guī)范玻色子被考察的語境是一個相互作用理論而不是一個純粹的規(guī)范理論,不是那種流中包含另一個場,并且流和規(guī)范場的相互作用在有些條件下可以促成極點出現(xiàn)的規(guī)范理論。盡管對稱性破缺的理念并沒有被施溫格采用,但不管是聯(lián)系于一個場(基本場或是復(fù)合場)與規(guī)范場相互作用的非零真空期望值的極點本身,還是它給予光子質(zhì)量的結(jié)果,都和對稱性破缺有著緊密的聯(lián)系。施溫格沒有特意指出真空極化張量中出現(xiàn)一個極點的原因,他只是斷言極點的產(chǎn)生是動力學(xué)的,與通過南部的束縛態(tài)的方式極為相似。但是它的標量特性使它可以容納“它產(chǎn)生于一個基本的標量場”的解釋。Englert和Brout很快就把握住了這個解釋上的靈活性施溫格的模型是平庸的,在思想上,安德森是第一個將施溫格的機制同對稱性破缺和戈德斯通玻色子聯(lián)系起來的人。不過在物理上,他提出的這個聯(lián)系卻是非常薄弱的。他關(guān)于等離子激元的非相對論的例子,確實在對稱性破缺和施溫格使規(guī)范玻色子通過與另一個場相互作用而獲得質(zhì)量的策略之間建立了某種聯(lián)系;但在他的例子中對稱性破缺的物理機制來源于南部的束縛態(tài)而不是戈德斯通的基本標量場,在那時基本標量場的概念在粒子物理學(xué)中是不可行的,甚至現(xiàn)在也不行,正如我們在注釋(9)中看到的一樣,而且這一點也在TheCaseoftheCompositeHiggs:TheModelasa‘RosettaStone’inContemporaryHigh-EnergyPhysics在具體的物理層面而不是模糊的思想層面上,使戈德斯通的標量系統(tǒng)適用于施溫格的宏偉框架中的第一次努力是由Englert和Brout做出的他們關(guān)于共生體特性的理解中的一個缺陷就是錯誤地聲稱:“對稱性是通過規(guī)范場自己發(fā)生破缺的”。實際上,對稱性主要是被標量矩的自相互作用打破的,盡管這個打破的過程可以通過標量場的規(guī)范耦合傳遞到規(guī)范系統(tǒng)中去。但這個理解要求我們事先充分理解希格斯最初的工作三、ebh機制的物理理解希格斯在SpontaneousSymmetryBreakdounwithoutMasslessBosons一旦為基于標量場的對稱性破缺解的EBH機制提供基礎(chǔ)的ISB的觀念被有意或無意地吸取到對稱性破缺的物理的理解中,像溫伯格的統(tǒng)一理論所以EBH機制可以很恰當?shù)乇缓唵卫斫鉃榉謩e以耦合常數(shù)λ、g和η為特征的標量場的一類耦合:它的自耦合導(dǎo)致了它自身的對稱性破缺解,它的規(guī)范耦合和湯川耦合導(dǎo)致了規(guī)范場和旋量場的對稱性破缺解,表現(xiàn)為有質(zhì)量的規(guī)范玻色子和有質(zhì)量的費米子,就像上文中指出的那樣。如果通過這種方式來理解EBH機制,那么看起來它“使我們理解亞原子粒子質(zhì)量來源”的論斷似乎是有一點道理的,但并不完全是這樣。從上面的討論中我們應(yīng)該清楚地看到,EBH機制只是一種設(shè)定,所有的質(zhì)量都可以通過這種設(shè)定,分別借助經(jīng)驗上可調(diào)節(jié)的耦合常數(shù)與標量場的非零真空期望值四、玻色子的實驗現(xiàn)象盡管我們有上一節(jié)提到的結(jié)論,EBH機制的意義卻仍然受到關(guān)于它的基礎(chǔ)的看起來比較幼稚的問題的些許煩擾:標量場的對稱性破缺解在物理世界(而不僅僅在數(shù)學(xué)公式中)存在嗎?普通的觀點會毫不猶豫地說:它當然存在,它的無質(zhì)量模式與無質(zhì)量的規(guī)范玻色子相結(jié)合(“被無質(zhì)量的玻色子吸收”),導(dǎo)致了我們想要的有質(zhì)量的規(guī)范玻色子,因為由這樣的玻色子所產(chǎn)生的實驗現(xiàn)象早已全部毫無疑問地被確證了。至于它的有質(zhì)量模式,盡管在很長一段時間里一直難以尋覓,現(xiàn)在它終于還是在CERN的大型強子對撞機被實驗觀察到了。既然它存在的所有后果都已被確證,人們可能會感覺它的存在就被確證了。并且這似乎也意味著建立在它上面的EBH機制也被確證了,就像普通的觀點聲稱的那樣。一個迂腐的人可能會認為通過確證后果來說明前提的有效性是一個邏輯謬誤。然而確證后果至少已經(jīng)為前提提供了證據(jù)上的支持。不過在這個案例中,相比于來自歸納邏輯不完全有效性(即局部辯護)的問題,還有來自物理的更加嚴重的問題困擾著我們。前文提到的普通觀點的有效性明確地或是隱含地建立在兩個假設(shè)的基礎(chǔ)上。第一,一個標量場的對稱性破缺解和規(guī)范場的對稱解,至少在一個較深的層次上,一個可能無法被現(xiàn)在、未來、甚至是思想上的實驗可是,如果單純地沒有任何實驗方法,甚至沒有思想實驗,來驗證它們可分辨的存在,特別是驗證從可分辨的戈德斯通模式能夠推導(dǎo)出來的效果———要么直接通過戈德斯通模式的導(dǎo)出耦合來驗證,要么間接通過分離由該模式從有質(zhì)量規(guī)范玻色子作為媒介的事件產(chǎn)生的效果來驗證,(一)共生體的結(jié)構(gòu)沒有經(jīng)驗的(包括虛擬經(jīng)驗,也就是通過思想實驗)方式可以分別驗證標量場的對稱性破缺解和規(guī)范場的對稱解,這為工具主義者“EBH機制的物理基礎(chǔ)沒有實在性”的論斷提供了很強的支持,因此也對實在論者對EBH機制的解讀提出了嚴肅的挑戰(zhàn)。不過實在論的解讀仍然是可能的,只要我們放棄普通觀點所采納的假設(shè),轉(zhuǎn)而假設(shè)現(xiàn)實中存在的東西是對它的標量和矢量的矩具有對稱性破缺解的標量-矢量共生體,而不是標量場和矢量場的一個集合?；蛟SEBH機制的物理基礎(chǔ)正是這個本體論第一性的共生體———它的內(nèi)部動力學(xué)解釋了EBH機制這個共生體作為物理上基本的實體和經(jīng)驗上可觸及的不可分解的單獨實體,在數(shù)學(xué)上可以被解析地可分離的結(jié)構(gòu)(標量區(qū)和矢量區(qū)作為共生體的兩個矩)來描述,但是任何數(shù)學(xué)上的分離和操作都不會有任何物理意義,因為它的矩在物理上是不可分的。也就是說,它的標量矩的對稱性破缺解或者矢量矩的對稱解的無質(zhì)量激發(fā)態(tài)都不應(yīng)被認為在現(xiàn)實(物理世界)中可以探測到:這些激發(fā)態(tài)只是不可分解的結(jié)構(gòu)在數(shù)學(xué)上不合法分解的人造產(chǎn)物而已。共生體的整體論結(jié)構(gòu)與其他的一些結(jié)構(gòu)是非常不同的,比如電子-光子耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),這個結(jié)構(gòu)的組分(電子和光子)在無規(guī)范極限中可以單獨存在,而且它的組分不可能以不同的方式重組而產(chǎn)生不同結(jié)構(gòu)的分量場系統(tǒng)的配置。一個古老的基督教格言適用于這樣的整體論共生體:上帝已然結(jié)合起來的東西,人們就不要拆散它。關(guān)于本體論第一性并且作為整體存在的、物理上不可分離的兩個矩的共生體的假設(shè)并不與它的兩個矩在動力學(xué)上可分辨的假設(shè)相矛盾,而實際上前者是必須由后者來補充的。也就是說,每個矩都有它自己的動力學(xué)的個體性,即它與其他系統(tǒng)之間不受另一個矩的耦合方式所影響的獨特的耦合方式。這意味著標量矩的每一個自由度共享著這個矩獨特的自耦合和與費米系統(tǒng)的湯川耦合,而不受矢量矩的規(guī)范耦合的影響;相似地,矢量矩有著與其他系統(tǒng)規(guī)范耦合的獨特方式,這種方式同樣不受標量矩的耦合方式的影響。這個假設(shè)對基于共生體的EBH機制的實在論解讀至關(guān)重要,因為沒有這個假設(shè)的話,在一個深刻的、實驗無法觸及的現(xiàn)實層次上,標量矩的自耦合和湯川耦合(標量系統(tǒng)的對稱性破缺解和相關(guān)的簡并真空態(tài),以及由前者誘導(dǎo)的費米系統(tǒng)的對稱性破缺解和在此被構(gòu)建的相關(guān)的有質(zhì)量的玻色子)都不能被定義;并且在實驗可觸及的現(xiàn)實層次上,矢量矩的規(guī)范耦合(以及電弱相互作用)也都不能被定義。也就是說,沒有這個假設(shè),我們就根本沒有辦法去定義共生體內(nèi)的兩個截然不同的矩;這樣一來,標量-矢量共生體這一概念本身就會坍塌,而以共生體的概念為基礎(chǔ)的EBH機制的實在論解讀也就隨之不復(fù)存在了。(二)與時空的一個類比:從存在性到個體這樣的整體論共生體有著一個廣為人知的先驅(qū)。在DieGroudgleichungenFurDieElektromagnetischenVorgugeinBewegtenKorper進一步分析這個類比可以知道,由于即使在時空是一個獨立的實在的情況下,世界的空間方面和時間方面的區(qū)別仍然存在,所以類似地我們?nèi)匀豢梢杂幸饬x地討論共生體中以它們的動力學(xué)個體性為特征的標量矩和矢量矩———以及它們在實驗上可觸及的現(xiàn)象(作為共生體內(nèi)部自由度重組的結(jié)果):有質(zhì)量的標量和矢量玻色子———只要我們理解,它們只是一個單獨的物理實體的不同的矩(顯現(xiàn)),而并沒有物理上的單獨的存在性。標量矩和矢量矩與標量場和矢量場(獨立的場或是在耦合的系統(tǒng)中結(jié)合起來的場)是不同的,因為這兩個矩的共生性質(zhì)允許它們在共生體中的自由度進行重組。(三)對希恩格斯玻色子的觀測和共生體的標量矩的量測如果共生體在電弱世界中是一個第一性的實體,那么觀測到希格斯玻色子(或W玻色子和Z玻色子)就不能被當做標量場(或規(guī)范場)的激發(fā)態(tài)的確證,就像舊實在論的本體論會主張的那樣。與此相對的觀點是,這種觀測只能被當做共生體的標量(或矢量)矩的激發(fā)態(tài)的確證。這兩種實在論立場的區(qū)別有著重大的科學(xué)意義。舊觀點把最近對希格斯玻色子的觀測當做標量場的實在性的確證,這在物理上有著一整套的后果,因為這會吸引人們用這個新的觀測結(jié)果去解決基礎(chǔ)物理學(xué)中的未解之謎,例如暴脹子(inflaton)和暗能量。然而,共生體的觀點就會把對希格斯玻色子的觀測當做對共生體的標量矩的確證。也就是說,我們把有質(zhì)量的玻色子當做共生體標量矩的量子激發(fā)態(tài),這個激發(fā)態(tài)在它與物理世界電弱領(lǐng)域的其他量子激發(fā)態(tài)相互作用時可以被觀察所記錄,但它在物理上與共生體的其它激發(fā)態(tài)是緊密聯(lián)系在一起的,包括那些規(guī)范玻色子。所以無論希格斯玻色子的后果指向哪里,共生體存在的一整套后果,包括但不限于W玻色子和Z玻色子的影響,也應(yīng)該同樣得到認真的考慮?！吧系垡讶唤Y(jié)合起來的東西,人們就不要拆散它?！边@會嚴重地制約對這些后果的探索,但它也會為這些探索提供巨大的預(yù)測力。(四)問題的提出—兩個謎題使得矩可重新定義(作為相關(guān)自由度的重新結(jié)合)的自由度可重組性(來自共生體中不可分割的矩)是共生體的一個特有的性質(zhì)。這對于為產(chǎn)生EBH機制的物理設(shè)定而在共生體內(nèi)定義內(nèi)部動力學(xué)來說是至關(guān)重要的(正如我們在4.2節(jié)的結(jié)尾所討論的那樣),因此對EBH機制的實在論基礎(chǔ)來說也是至關(guān)重要的。然而當我們帶著應(yīng)有的謹慎去審視這個主張時,一些令人煩惱的特性就會浮現(xiàn),而且共生體這個概念本身(進而包括EBH機制的實在論解讀)也會遭受嚴重的威脅。溫伯格在他提出場的重新定義(通過來自標量場和矢量場的自由度的重新結(jié)合,正如規(guī)范玻色子的重新定義中發(fā)生的過程一樣)這個關(guān)鍵概念的經(jīng)典論文AModelofLeptons對于自由度的個體性而言,它的一個重要的方面就是動力學(xué)的個體性(這對定義矩來說是至關(guān)重要的,正如我們在4.1節(jié)討論的那樣),即它與其他系統(tǒng)耦合的獨特方式。因此,一個標量自由度有著和它自己(自耦合)以及和費米子(湯川耦合)耦合的特征方式。一個自由度的動力學(xué)個體性應(yīng)該在重組過程中得到保持的合理假設(shè)意味著———用更加物理的語言來說就是———一個矩的自由度同其他(包括它自己)物理系統(tǒng)的耦合(例如標量場的自耦合或湯川耦合)的本質(zhì)必須保持原樣,無論這些自由度在何種重構(gòu)過程(共生體中的自由度重組)下轉(zhuǎn)移到什么組織當中。通過重組或重新定義,溫伯格注意到:“戈德斯通玻色子(在溫伯格那里就是標量場的無質(zhì)量模式,在討論共生體的語境下就是標量矩的無質(zhì)量模式)不具有物理的耦合?！彼f的“物理的耦合”意思當然是實驗可觸及的耦合,而不是它在實驗不可觸及的層次上與其他物理自由度的所有動力學(xué)相互作用。標量場(或矩)的無質(zhì)量模式在場(或矩)的重新定義的過程中并不出現(xiàn);它們只是被重組到矢量場(或矩)當中,成為它們的縱向組成部分。因此他們的動力學(xué)能力(在它們與其他物理自由度的耦合中顯現(xiàn)出來)并不消失,只是以不同的形式得到重現(xiàn)而已。事實上,標量場(或矩)的無質(zhì)量模式與其他物理自由度的動力學(xué)相互作用可以很容易地被理解為通過規(guī)范玻色子與其他自由度的動力學(xué)相互作用得以實現(xiàn),表現(xiàn)為它們的縱向組成部分。于是似乎沒有什么東西通過重新定義而神秘地消失。但這里確實有個謎,只不過是另一個類型的謎:關(guān)于標量場(或矩)的無質(zhì)量模式的耦合特性的轉(zhuǎn)變問題。在它們同標量場(或矩)的另一個模式、希格斯模式和費米子的相互作用中,它們原本的自耦合和湯川耦合通過重組被轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)范耦合,這使它們成為有質(zhì)量的玻色子的縱向組成部分。物理學(xué)家還沒有著手處理甚至還沒有注意到這個問題。考慮這個問題的最接近的途徑———盡管不是直接去解決它———是由溫伯格在他的經(jīng)典論文發(fā)表的將近20年之后才提出來的如果我們想要把EBH機制當作實在的機制來看待,而不是僅僅把它當作獲得格拉肖模型所需經(jīng)驗參數(shù)的非實在的工具,那么這個謎就必須被解開。然而現(xiàn)在這仍未得到解決。與此相關(guān)的、或者說更加深刻的問題是:來自標量-矢量共生體的兩個矩的那些自由度借以重組,進而導(dǎo)致相關(guān)的場(或矩)得以重新定義的物理媒介或者過程是什么?在時空這個共生體的類比中,它的空間和時間方面的重組是由兩個參考系之間的相對速度來驅(qū)動的,所以這個重組是靈活而多變的,取決于相關(guān)的可變的速度,并且這可以導(dǎo)致空間和時間方面的多種不同的配置。那么我們的標量-矢量共生體(或者就此而言的溫伯格的體系)的重組也存在類似的靈活性和多樣性嗎?如果是這樣,那么支撐這樣的靈活性的物理