导读：......................号..考....线.........，1.下面哪些粒子可以算是最基本的粒子A，2.基本粒子分类为C，C．夸克、轻子、相互作用传播子、Higgs粒子D．重子、轻子、介子、光子3.为什，4.观测原子及更基本的粒子的实验手段不包括DA．特别设计的电场和磁场B．云室，C．粒子碰撞，通过探测器组合对粒子进行鉴别，A．让它们和其他粒子碰撞，C．因为在宇宙空间中没......................号..考....线.............场..考.............订...名..姓....................级...班装................校..学..........《粒子世界探秘》习题集得分评卷人一、选择题（每小题3分，共210分）1.下面哪些粒子可以算是最基本的粒子AA．光子夸克电子B．夸克介子电子C．中子光子夸克D．质子中子光子2.基本粒子分类为CA．质子、中子、电子、光子B．重子、轻子、胶子、光子C．夸克、轻子、相互作用传播子、Higgs粒子D．重子、轻子、介子、光子3.为什么对于原子的认识会起源于化学AA．化学反应过程涉及到原子间的相互作用B．化学家比物理学家运气好C．利用化学可以直接观测到原子D．4.观测原子及更基本的粒子的实验手段不包括DA．特别设计的电场和磁场B．云室C．粒子碰撞D．使用高倍数光学显微镜5.在AMS实验中，通过探测器组合对粒子进行鉴别。实验中如何区分进入探测器的电子和正电子？CA．让它们和其他粒子碰撞，看看反应结果B．加上电场，电子和正电子的速度会不同C．加上磁场，电子和正电子的偏转方向相反D．它们在探测器里发光颜色不同6.在核反应过程中关于质子数和中子数，以下说法正确的是CA．核反应过程中质子数和中子数都是守恒的B．核反应过程中质子数和中子数都是不守恒的C．核反应过程中质子数与中子数的和，即质量数是守恒的D．7.为什么我们说宇宙中物质反物质不对称CA．因为理论推导出来应该不对称B．因为我们周围都是物质C．因为在宇宙空间中没有观测到大量的反物质聚集D．因为物质反物质到一起就湮灭了8.粒子和反粒子的差别是什么？DA．质量相反B．自旋不同C．发光或不发光D．电荷相反9.最早发现的反粒子是AA．正电子B．反夸克C．反中子D．反质子10.关于正电子，以上描述正确的是第1页(共7页)A．正电子和电子湮灭会释放胶子B．正电子在磁场中的回旋半径和电子不一样16.中子内由于电荷排斥而导致的加速度量级约为AA．1030个重力加速度大小B．1个重力加速度大小C．正电子和电子湮灭会释放光子C．1010个重力加速度大小D．正电子是先在实验上发现的，之后才找到描述它的理论D．1020个重力加速度大小11.四种基本相互作用的强度最强的为CA．弱相互作用C．强相互作用B．电磁相互作用D．引力相互作用B．电子是由夸克组成的12.用以描述原子及更基本的粒子的运动不能用CA．狭义相对论C．牛顿力学B．量子力学D．电动力学C．重子是由两个夸克组成的D．夸克和相应的反夸克是相同粒子18.中子是电中性的，但为什么会具有磁矩？BA．因为中子并不是完全的电中子，它实质上具有很小的电荷B．因为中子是由具有不同电荷的夸克组成的，它们的电荷累加为0，但磁矩累加不为0C．观测宇宙射线中反氦的含量C．因为中子和质子是同一粒子的不同能态D．D．因为中子是由质子和电子组成的，质子和电子的磁矩累加为014.物质和反物质的不对称可能的来源不包括哪些？BA．宇宙的初始条件的不对称C．弱相互作用15.关于反物质，以下说法正确的是CA．反物质是暗物质B．反物质是由反质子、反中子和电子组成的C．反物质是由反质子、反中子和正电子组成的D．反物质是由质子、中子和正电子组成的第2页(共7页)17.下面陈述正确的是AA．介子是由两个夸克组成的13.在观测宇宙中反物质分布时主要的观测手段是CA．观测宇宙射线中电子的含量B．观测宇宙射线中反氢的含量B．宇称守恒D．宇宙演化的热力学非平衡态过程19.下面那种对称性是连续对称性BA．旋转对称性，镜面对称性B．旋转对称性，平移对称性C．平移对称性，等边六边形的对称性D．等六边形对称性，镜面对称性20.关于胶子，下面陈述正确的是AA．胶子有八种B．胶子是传递弱相互作用的粒子C．胶子有三种颜色D．胶子有三种21.关于洛伦兹对称性，以下正确的是BA．洛伦兹对称性是内部对称性B．洛伦兹对称性是时空变换对称性C．洛伦兹对称性不是连续对称性D．22.关于电荷共轭对称性，以下正确的是AA．电荷共轭对称性是内部对称性B．电荷共轭对称性是时空变换对称性C．电荷共轭对称性是连续对称性D．23.在SU(3)对称性下，体系会出现什么样的多重态AA．3重态B．9重态C．10重态D．21重态24.说明质子、中子性质类似的对称性为CA．洛伦兹对称性B．中心对称性C．同位旋对称性D．SU(3)对称性25.关于夸克，下面陈述正确的是BA．有两代夸克B．有三代夸克C．夸克有两种颜色D．夸克有四种颜色26.关于自由夸克，下面陈述正确的是CA．已经观察到了自由夸克B．夸克间距离越小，相互作用越强C．夸克间距离越小，相互作用越弱D．夸克被禁闭了，看的到自由夸克27.关于群，下面陈述不正确的是AA．群要求有加法B．群要求有乘法C．群要求有恒元D．群要求每个成员都得有逆元28.关于群和对称性间的关系，下面陈述正确的是BA．群就是对称性B．群可以用来描述对称性C．只有连续对称性才可以用群来描述D．三维复空间的转动对应SO(3)群29.考虑四个元素的集合1，-1，i，-i，定义乘法为普通乘法C第3页(共7页)A．这个集合不是一个群，因为缺少零元B．这个集合不是一个群，因为没有定义加法C．这个集合是一个群D．这个集合不是一个群，因为集合元素不是连续的30.弱相互作用下可以把那些粒子相互转换CA．电子和正电子C．质子和中子B．质子和电子D．中子和电子A．U(1)对称性B．SO(3)对称性C．SU(2)×U(1)对称性D．SU(2)×U(1)对称性35.四种基本相互作用中，力程最短的是AA．弱相互作用C．电磁相互作用B．强相互作用D．万有引力31.太阳燃烧的最基本过程主要与什么相互作用有关CA．万有引力相互作用C．弱相互作用B．电磁相互作用D．强相互作用36.弱电统一理论是把什么相互作用统一起来了BA．弱相互作用和万有引力B．弱相互作用和电磁相互作用C．弱相互作用和静电相互作用D．弱相互和磁场37.传递弱相互作用的粒子质量数量级是CA．1000GeVB．10GeVC．100GeVD．1GeV38.代混合是指什么AA．不同代夸克之间的相互转化B．不同代夸克一起形成其他粒子C．不同代夸克之间的相互作用D．32.关于中子和中微子，下述表述不正确的是BA．中子和中微子都不带电B．中微子除了质量比中子小很多外其他性质与中子相同C．中子既参与强相互作用也参与弱相互作用，而中微子仅参与弱相互作用D．中子是强子，中微子是轻子33.关于中微子，下列表述正确的是AA．只有左手的中微子B．只有一种中微子C．中微子带负电D．中微子的质量与电子差不多34.电磁理论所具有的规范对称性是A第4页(共7页)39.在B工厂中可以大量产生的夸克是什么？AA．底夸克B．上夸克C．顶夸克D．奇异夸克47.Higgs粒子最先是在哪个加速器上找到的？AA．LHCB．SSCC．TevatronD．LEP40.造成代混合的相互作用是CA．强相互作用B．万有引力C．弱相互作用D．电磁相互作用41.轻子不参与的相互作用是BA．弱相互作用B．强相互作用C．万有引力D．电磁相互作用42.粒子的味道是指CA．不同的夸克B．不同的轻子C．粒子的不同代D．不同的介子43.造成CP破坏至少要求粒子有几代?AA．三代B．一代C．两代D．四代44.CP变换下左手电子会变换为BA．左手正电子B．右手正电子C．左手电子D．右手电子45.Higgs机制由谁提出的？BA．Guralnik,Hagen,KibbleGuralnik,HagenandKibbleB．以上三组人几乎同时提出的C．Brout和EnglertD．Higgs46.Higgs粒子是什么时候找到的？AA．2012B．2011C．还没找到D．201348.下面哪个事例不是对称性破缺BA．超导B．粒子转换成反粒子C．Higgs机制D．铁的磁化49.超导中电磁U(1)规范对称性是利用什么破缺的CA．强磁场B．强电场C．库珀对的凝聚D．电子和原子的相互作用50.Higgs场的自发对称破缺是因为什么DA．万有引力B．Higgs场对应的势能在零点为局域极小C．电磁相互作用D．Higgs场对应的势能在零点为局域极大51.为什么发现Higgs粒子很难DA．因为Higgs粒子太小了B．因为Higgs粒子与其他粒子间相互作用很弱C．因为Higgs粒子不带电D．因为需要很高的能量才能产生Higgs粒子52.LHC上产生Higgs粒子的主要机制是C第5页(共7页)包含总结汇报、文档下载、外语学习、旅游景点、教学研究、党团工作、行业论文、IT计算机、考试资料、人文社科、工作范文、出国留学、经管营销以及季向东粒子物理探秘答案等内容。本文共2页
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量子力学诞生已近一个世纪。在最近的几十年里，它给物理学、工业和人类生活带来了翻天覆地的变化，我们赖以生活的半导体工业、激光、核磁共振都来源于此。然而，虽然量子力学无比实用，科学家对量子力学基本概念的理解却一直停滞不前。
（原标题：温伯格：我为什么对量子力学不满意）
量子力学诞生已近一个世纪。在最近的几十年里，它给物理学、工业和人类生活带来了翻天覆地的变化，我们赖以生活的半导体工业、激光、核磁共振都来源于此。然而，虽然量子力学无比实用，科学家对量子力学基本概念的理解却一直停滞不前。举个例子：量子力学波函数到底是真实的存在，抑或仅仅是科学家用来计算的工具？箱子里既活又死的薛定谔猫，真的存在吗？
帕特鲁斯基讲座（Patrusky Lecture）是美国科学写作促进会自2013年开始举办的讲座，旨在促进科学家与科学写作者之间的交流。今年的演讲者是著名科学家、1979年诺奖得主、物理学标准模型的奠基者之一史蒂文&温伯格（Steven Weinberg）。温伯格教授准备相当充分，不过仅仅在开头提了一下科学写作，就转入了他近年来对量子力学基本概念的新的思考。他曾经同大多数物理学家一样，认为量子力学只要实用就够了，无需深入探讨其基本概念和含义，但最近，他对量子力学的各种诠释越来越不满意，呼吁科学家发明新的理论来解释一些存在已久的问题，将量子力学外推到更广的范围内。
以下为温伯格的演讲内容：
科学新闻写作有多难，想必不用我来向大家介绍了。医药和技术方面的新闻可能还好，毕竟这是跟大多数人的日常生活密切相关的题材，但和物理相关的写作就格外困难了，因为物理学和数学所用的语言不在我们日常语言的范畴之内。而在物理学的范围内，最难上加难的题材又是量子力学，它是如此反直觉（counter-intuitive），以至于只能用数学的语言才能准确地描述它。其实说这些都是为了博取你们的同情（众笑），因为我今天所要讲的，正是量子力学中诡异、甚至反直觉的要素，它们因何而产生，以及为了解释这些性质而诞生的两种思想流派，同时也将解释为什么我和其他一些理论物理学家（当然不是全部）对这些理论感到不满意，以及接下来科学家应该怎么做——或许我们能发明一种新的理论，将量子力学外推到更广的范围内。
量子力学的奇异性始于19世纪末20世纪初，当时的物理学家正努力研究世界是由什么构成的。他们原本认为有两类不同的物质：像原子，以及原子内部的电子、原子核等等都是粒子（particle），而弥散在空间里的则被称为场（field），比如电磁场、引力场等等。到19世纪末的时候，科学家已经知道光的本质就是一种可以独立存在、自我维持的电磁场。然而，1905年，爱因斯坦却发现，通过加热物体而产生的光竟然可以被分成一个一个无质量的粒子，这些粒子后来被称为光子（photon）。另一方面，20世纪20年代，路易&德布罗意（Louis de Broglie）、埃尔温&薛定谔（Erwin Schr?dinger）等人发现，电子——这种一直以来都被当做粒子的物质，竟然也拥有波的性质。为了理解原子的能级性质，我们不能仅仅把电子看做遵循牛顿定律绕着原子核转的粒子了，而要把它看成波——弥散在原子核周围的波，就像管风琴音管里的声波一样。
这些波还拥有不同的态（state），不同的稳定态代表着原子的不同能级，就好像管风琴产生的不同的音调。不仅如此，这种“电子波”跟像水波这样的物质波又不一样。当海水的水波撞上礁石时，它会向四面八方散开，但电子撞上原子核之后，它仍旧只是一个电子，要么向这边，要么向那边，但不会分裂并同时向四面八方散开。马克斯&玻恩（Max Born）通过计算表明，电子的波是概率波，代表了电子出现的概率。电子可以去往任何位置，但它最可能出现的位置是波密度最大的位置。
于是，奇怪的事情来了：在量子力学领域，物理学家已经习惯用“概率”来描述现象，但概率难道不是体现了我们对研究对象了解得还不完全吗？在牛顿的理论中，大自然完全是决定论的，也就是说，如果你知道了太阳系所有物体的位置、速度和相互作用，理论上你可以算出任何时候它们各自在哪里。只有当你没有完全了解某些事情的时候，才会使用“概率”这一概念，就像你往地上扔一个骰子，你不知道它会有怎样的运动轨迹，也不知道它最终会是哪一面。但概率从未成为大自然的基本定律的一部分，而量子力学却大量地使用概率来描述现象，这就是一些声名卓著的科学家强烈反对量子力学的原因。
1926年，玻恩提出电子波函数的本质是概率后，爱因斯坦写信给他，信中说：“量子力学是很不错，但我内心的声音告诉我，它不是事物真正的本质。这一理论能得到很好的结果，但它无法告诉我们上帝的秘密。不管怎么样，我坚信，上帝不掷骰子。”直到1964年，物理学家理查德&费曼（Richard Feynman）还在康奈尔大学的一个讲座上说道：“我想我可以有把握地说，没有人真正理解量子力学。”量子力学的这一步迈得太大，以至于物理学家把量子力学之前的所有物理学内容都统称为与“量子物理学”相对的“经典物理学”。
不过，在大多数情况下，量子力学的奇异性本身并不会带来什么问题。物理学家已经学会使用量子力学得出越来越精确，越来越成功的计算结果。劳伦斯&克劳斯（Lawrence Krauss）就将关于氢原子的一个量子力学计算结果称为所有科学领域中被计算得最精确的一个量，他并没有夸张。量子力学成为了我们理解原子、原子核、导电性、磁性、电磁辐射、半导体、超导体、白矮星、中子星、核力以及基本粒子的基础，哪怕是如今理论物理领域最大胆的设想——弦理论，也是基于100年前就已经成型的最基本的量子力学而建立。因此，一些物理学家，包括我自己之前都觉得，像爱因斯坦和薛定谔对量子力学的反对太夸张了。
牛顿的理论在他提出的年代也曾经让很多人不舒服，在牛顿的理论中，两个相隔遥远距离的物体可以发生相互作用，哪怕它们之间不存在有形的拉力或推力，这似乎给本该实实在在的科学带来了一些神秘的超自然因素，因此在当时招致了笛卡尔追随者的反对。此外，牛顿的万有引力定律也不能由某些基本的哲学定律导出，这也是莱布尼茨及其追随者的反对的原因之一。牛顿定律没能满足很多前人对宇宙定律的期望，如托勒密（我们已经抛弃了托勒密的地心说），和开普勒。开普勒在年轻时曾经认为，行星的大小和轨道都是能够通过一套最基本的原理导出的，而在牛顿的引力理论中这些只能通过观测来得到，这很令人失望。然而，随着时间推移，牛顿引力理论逐渐显示出优势，最终成为压倒性的最成功的理论，它能解释大到行星，小到苹果等物体的运动，包括月球、彗星，甚至地球的形状也能解释。到18世纪末，几乎所有人都同意牛顿理论是正确的，至少是个极为成功的近似。因此，强求一个新诞生的理论遵循某种已有的哲学标准，似乎并无必要。我们需要让其自然发展，看看我们能从中得到什么，或许我们需要反过来改变我们的哲学观点。
那量子力学有什么问题呢？在量子力学中，我们用波函数（wave function）来描述粒子。波函数在本质上就是一系列数字，每个数字都代表了系统可能出现的一种状态。如果系统只包含一个粒子，那么波函数中的每个数字就对应着这个粒子可能出现的所有位置，数字的大小代表着它在这个位置出现的概率。那这有什么问题呢？爱因斯坦和薛定谔晚年完全摒弃量子力学当然是不对的，是悲剧性的错误，这让他们在量子力学高速发展的大潮中掉队了。从前我很满意量子力学的方法和成就，也没太在意关于其基本概念的争论，但现在我不那么确定了（now I’m not so sure）。在教过量子力学这门课，最近又写了本关于量子力学的书以后，我发现我对量子力学不像从前那么满意了，也不再像以前那样无视对于它的批评，尤其是在我看到很多对量子力学很满意的科学家，他们自己对量子力学含义的理解都不一致的时候。
问题的焦点就在于“测量”这一行为。举个最简单的例子，对电子自旋的测量：自旋又被称为角动量，它是用来衡量某种物体绕着一个轴“旋转”速度的物理量。所有理论都表明，实验也都证实了，当你测量一个电子自旋的时候，它只能取两个值中的一个，+h/4π 或 –h/4π（h为普朗克常数），这可以理解为电子绕着轴要么顺时针旋转，要么逆时针旋转。但只有当你测量的时候，电子才会取这两个值之一，当你没有测量的时候，电子的自旋状态处于这两种态的叠加态，就好像音乐中两个音叠加在一起组成和声一样，但当你一测量，你就逼迫着电子变成两个自旋态中的一个，要么为正，要么为负。
电子自旋的一种形象化的描述。图片来源：
如何测量自旋？把电子放在磁场中，磁场方向与你想测量电子自旋的方向一致就可以了。自旋可以用波函数来描述，如果只考虑波函数中关于自旋的一部分，它就只包含两个数，一个代表正自旋，一个代表负自旋。量子力学中有一条规则叫玻恩规则，以刚刚提到的马克斯&玻恩命名，它告诉我们如何利用波函数来计算电子自旋为正或为负的概率——这概率就是波函数的该分量的平方。这有什么不好的呢？问题并不在于概率，量子力学发展了这么多年，我们完全可以容忍概率的存在了。问题在于，电子自旋随着时间的变化遵循薛定谔方程（更准确来说，是含时的薛定谔方程），但薛定谔方程本身并不包含概率，它同牛顿运动方程一样，完全是决定论的。但如果所有物体和系统的波函数，所有物理规则都是决定论的，概率又是从哪里冒出来的呢？这就是量子力学的问题之所在。
对此，一个常见的解释叫做“退相干”（decoherence）。对电子做任何测量都需要外界的测量仪器与电子发生相互作用，而外界充满了不断的扰动与涨落，我们对这些涨落还未到了如指掌的程度。举个例子，如果你想看见某个东西，你就需要让一束光子照到它身上，可是这一过程至少在实际操作中是复杂得不可预测的（甚至很可能在原则上也是不可预测的），就像一场大雨中包含千千万万个雨滴一样。因此，测量入侵了系统，把概率变成实实在在的物理现象。同样以电子自旋作为例子，有的时候在音乐厅会出现噪声，在两个音符同时发出声音的时候让我们只听到一个音——代表着正自旋的那个，或是代表着负自旋的那个，而这在一定程度上也是不可预测的。但这种解释回避了问题的实质：不管怎样，量子力学与薛定谔方程统治的不仅仅是电子，也包括仪器和物理学家本身，它们都受决定论物理学定律的统领，所以，通过想象“外界”和“内部”人为地把它们区分开来以解释概率的出现是苍白无力的。尼尔斯&玻尔（Niels Bohr）也提出了一个解释，也就是著名的量子力学的哥本哈根诠释（Copenhagen interpretation），他认为，量子力学不描述测量，它不描述像物理仪器或物理学家这样的宏观物体，只描述像原子这样的微观物体。大自然这么大这么复杂，你在用宏观仪器来测量量子系统时，就引入了概率。我认为如今大多数，甚至是所有的物理学家都不能接受这个解释，因为它假设宏观世界和微观世界之间存在一条界限，而我们却丝毫不知道这条界限存在于何处，怎么来划分。我们甚至怀疑这条界限或许根本就不存在。当时，我刚好正在位于哥本哈根的尼尔斯&玻尔研究所念研究生，不过当时他德高望重，我只是个小人物，所以我没找到机会问他这个问题（众笑）。
为了解释这个问题，如今的物理学界分成了两个思想流派，或者说产生了两种方法，一种被称为“工具主义者”（instrumentalist），一种被称为“实在论者”（realist），我觉得两种都不那么令人满意。工具主义者方法不将波函数看做真实的存在，只把它们当成预测概率的一种工具。我不喜欢这种方法是基于以下几个原因：首先，“打破砂锅问到底”的精神是科学探索的悠久传统，但工具主义者却放弃了探索“波函数到底是什么”这一问题，从而背弃了这一传统；还有更深一层的原因就是，既然这一方法放弃询问波函数到底是什么，只管计算，那么，告诉我们如何计算波函数的定律就必须被当做是宇宙的基本定律，但是从波函数到最终结果的过程需要测量，只有在人做出测量时这些定律才能告诉我们结果，这就意味着人在非常基本的层面上参与了大自然的基本定律。对我来说，这又相当于放弃了另一个关于科学的根本观念：既然人参与了最根本的自然定律，我们就无法通过基本的、与人无关的定律，以演绎的方式来理解人，以及人与自然的关系了。尤金&维格纳（Eugene Wigner）能接受这种形式的量子力学，他说：“想要建立一套与意识无关的量子力学定律是不可能的。”但如果你在大自然的基本定律里牵扯到了意识，那在我看来你就相当于放弃了用大自然的基本定律来解释意识。
有些支持工具主义者观点的著名物理学家会这样辩解：概率并不非得要在人类做出决定的时候才产生，事情会发展成什么样的结果，其概率一直都在那里，与人的测量无关。但我觉得这种观点完全站不住脚，因为我认为概率本来只有在人决定测量什么量的时候才产生，就拿海森堡的不确定性原理做例子：你可以通过波函数推知发现一个粒子在某一个特定位置的概率，也可以推知发现它具有某一个特定动量值的概率，但你无法讨论它在某一个特定位置，并且具有某一个特定动量值的概率，因为没有哪个粒子可以处于位置和动量都完全确定的状态。我们也可以举自旋的例子：我们可以讨论一个粒子沿向北的轴自旋为正的概率，也可以讨论它沿向东的轴自旋为正的概率，但我们无法讨论它同时沿两个轴都有某一特定自旋的态，因为这个态根本就不存在，在一个时候，自旋只能存在于一个方向，就是你测量的那个方向。
第二种解决概率问题的方法被称为“实在论者”（realist）方法，意味着相信波函数就是一种真实的存在。他们认为波函数的确描述了自然，是自然的一部分，物体随时间的状态变化就是受着（决定论的）含时薛定谔方程的指导，其他就没别的了。那实在论者是如何看待测量的呢？实在论者会说，在我们测量电子的自旋之前，它的波函数是两种自旋方向的叠加，在测量之后仍然是两种可能性的叠加，在其中一个世界里，观察者发现它的自旋为正，并把结果发表到了《物理评论》（Physical Review）上，所有人都认为它的自旋为正，而在另一个世界里，观察者观察到它的自旋为负，所有人都认为它的自旋为负。因此，尽管这波函数还是两种状态的叠加，但世界的历史已经分岔成两支，处在一支中的人们不知道另一支的存在。这种“多历史”（multi-history）理论，又称多世界理论，于1953年首次由普林斯顿大学的博士生休&埃弗里特（Hugh Everett III，点击查看埃弗里特的故事）提出，它的新颖观念被应用到各种科幻作品中，也为多宇宙（Multiverse）理论提供了可能的支持。如果你身处多宇宙理论的世界里，问“事情为什么会是这样？”在不同宇宙（不同历史线）里的你可能有不同的回答，甚至在有的分支里你根本不可能存在，或者不会问出这个问题。
呃，这个想法倒是挺不错的（众笑），不过，我觉得它也不那么令人满意。第一，在多世界理论中，宇宙不仅在某人测量电子自旋时分成两条历史线，它一直会不断地分出无数的分支。这对我来说很难接受，也许只是我这么认为。不管怎么样，我更加倾向于认为宇宙只有一个历史。另一个问题在于，实在论的多宇宙观点也不足以解释概率的来源。比如，一个波函数可以分裂出1000个宇宙，每个宇宙中产生1000个电子，我们测量每个电子的自旋。对于这个波函数我可以说，自旋为正的概率是自旋为正的数量除以1000，负自旋也同样如此。假设有500个电子自旋为正，我们可以认为该波函数的电子自旋为正的概率为50%。
但是我们并不能以此证明在每条历史线里波函数的概率都遵从这个平均的结果，自旋为正的概率是50%。完全存在别的可能性，比如这1000个电子其中500个确定地变成正自旋，另500个确定地变成负自旋。当然，你可以认为它是自然规律的一部分，假设它是对的，但这又回过头来遇到工具主义方法的问题，让人类介入到自然规律之中了。
将波函数看做现实带来了另一个问题，那就是量子纠缠。直觉上，我们思考现实的方式都是局域性的。也就是说，我描述我的实验室发生了什么，你描述你的实验室里发生了什么，但我们不同时讨论两个实验室各自发生了什么。但是在量子力学中，可能存在这样一对电子，它们的总自旋为零，其波函数包含两项，其中一项电子A自旋为正，电子B自旋为负；另一项是电子A自旋为负，电子B自旋为正。你不能单独讨论其中的一个电子，要想描述这个系统只能同时描述两个电子。哪怕当这两个电子之间的距离越来越远，远到无穷大，这种情况仍然可以继续。这被称为“量子纠缠”，两个电子永久地纠缠在一起，即使它们没有明显的物理联系。爱因斯坦在1935年与波多尔斯基（Podolsky）和罗森（Rosen）发表的文章中就对量子力学的这一现象表示了震惊。但纠缠是真实存在的。实验室中就可以制备纠缠态，而且能以量子力学描述的方式运作。如此非局域的事物竟然是真的，真让人费解。那我们该怎么办呢？
量子力学在计算方面是非常实用的。在如何运用量子力学的问题上并不存在什么争论，物理学家都用同样的方式使用量子力学，而且计算的确有效。也许我上面提到的这些问题都只是语言的问题，跟量子力学本身无关。一些现代哲学观点认为，最“哲学”的问题都是跟我们所运用的语言相关的问题。导师常用这种观点来指导抱怨量子力学的研究生：闭上嘴，只管算（“Shut up and calculate”）。
另一方面，量子力学所存在的问题可能给我们指示了一个新的方向：把量子力学推广到更大的范围中去。例如，量子力学也许只是个近似，在微观世界（比如原子）的范畴中这个近似很好，但对于宏观事物就很难说了。因为在宏观世界，物体总是与环境发生作用，也就总有干扰。但是，如果你能隔离出来一个不受干扰的宏观系统，你可能会发现它并不服从量子力学的规律。事实上，当你进行测量时，即使没有外部环境，只有你和电子，电子的波函数也会坍缩到正或负的自旋。或许所有的多重历史都会坍缩到一个平均的单一历史，这样我们就不必再担心那么多。
有一个想法就是试图建立这样一个理论，让某些更为基本的原则来导出玻恩法则，而这些原则在本质上是概率的，或者至少一部分是概率的。自然规律本质上就是概率的，这在宏观系统中很难看到，因为宏观系统总是受到外界干扰。但这就是事实，这就是为什么我们总绕不开概率的原因。构造这样一个“广义量子力学”理论非常困难，我们无法从实验得到任何帮助，因为目前为止所有实验都符合量子力学。但让人惊讶的是，我们从一些关于概率以及概率如何演变的一般原则中得到了一些帮助，这些基本原则帮助我们限制了可能存在的理论的种类。显然，概率必须是正数，而且概率的总和应该是100％。
而且我在前面提到的纠缠系统也对这类理论提出了要求，它要求无论你在纠缠系统的一端做什么，都不能瞬时把信号传送到遥远的另一端，因为狭义相对论不允许物质和信息的速度超过光速。这些条件可是很难满足的，而当你试图满足所有的条件时，你会发现概率随时间的变化必须用林德布拉德方程（Lindblad equation）描述，这个方程最初提出是为了处理环境对系统的影响，但实际上，这些条件的限制足够多，因此当你推广量子力学，你会再次遇到林德布拉德方程。林德布拉德方程可以看作是普通量子力学中薛定谔方程的推广，但它包含了一些新元素。这些新元素可能很小，这就是为什么现今条件下量子力学仍然可以很好地描述自然，但它在根本上已经与量子力学分道扬镳。
这在理论物理学界之外几乎不为人所知。1986年，意大利的里雅斯特大学（University of Trieste，“的里雅斯特”是个地名）的物理学家吉拉尔迪（Ghirardi）、里米尼（Rimini）和韦伯（Weber）发表了一篇有趣的物理学论文，试图在林德布拉德方程的基础上构造量子力学的推广理论，在那之后，大量类似的文献有如井喷。
我自己没有尝试构建这样的理论，但在尝试探索如何利用原子钟的极高精确度来为林德布拉德方程中（不同于普通量子力学薛定谔方程的）新的项确定下界，如果它的确与自然有联系的话。原子钟里最关键的概念是原子的固有频率，也就是原子两个态之间的能量差除以普朗克常数。原子的频率虽然不是基本常数，但也是大自然的常数之一。无论外界的温度是多少，无论在世界的什么地方，它都非常可靠，因此可以作为频率的标准。量子力学的计算显示，使用原子钟能够以极高的精度将可见光、微波等电磁波微调到原子的固有频率，精度在有些情况下能达到10亿亿分之一，而且这已经在实验中实现了。
如果林德布拉德方程与普通量子力学的差异不小于原子钟里原子的能量差的十亿亿分之一，且林德布拉德方程比普通量子力学更准确地描述了自然现实，那么原子钟的精度就应当完全丧失，原子钟就不会按照应有的方式运作。既然现在原子钟能成功运作，就意味着林德布拉德方程中的新项如果用能量表达，这个能量就要小于不同原子态之间能量差的十亿亿分之一。
这么小的能量差很重要吗？我不知道。这些理论仅仅停留在猜测阶段，而且还很模糊，对于这个能量究竟应该是多少，我们并没有精确的预期。顺便提一句，“十亿亿分之一”看起来很小，但这跟宏观物体（如激光笔）量子态之间的能量间距相比，已经大了许多数量级了。所以，实验结果并没有排除类似林德布拉德方程那样能够使宏观系统以非决定性的方式运作的理论。但到目前为止，我们还没能提出这样完整版的理论，我也不知道今后是否会有。我关心的是应该寻找什么样的能量，以及更普遍的问题——量子力学的未来。引用《第十二夜》中维奥拉的话：这纠纷要让时间来理清。谢谢大家。
物理学家试破解诡异量子学与时空几何本质
14:59:48　来源:&(北京)
（原标题：让时空不再“纠缠” 物理学家试破解诡异量子学与时空几何本质）
过去十年来，量子理论和引力学关系研究已经出现了革命性的时刻
图中《星际穿越》（2014年）描绘的黑洞可能通过虫洞连接，其中可能存在量子起源。
图片来源：Warner Bros. Entertainment
2009年初，Mark Van Raamsdonk决定好好利用首次教学后的假期，钻研物理学上一个最深奥的题目：量子力学和引力之间的关系。经过一年埋头分析以及与同行深入探讨之后，他向《高能物理学期刊》递交了一篇论文。
2010年4月，该期刊回复给他的是一封拒稿信，其中一位审稿人的意见暗指加拿大温哥华英属哥伦比亚大学物理学家Van Raamsdonk是个不切实际的疯子。
随后，他把文章提交给了《广义相对论和引力学》期刊，这次的回复要好一点：尽管评委的审稿意见言辞苛刻，但该期刊的编辑最终还是请他重新改写这篇文章。
然而，Van Raamsdonk当时已经用该文章缩略版本报名参加了一次颇有声望的年度论文比赛，该比赛由美国马萨诸塞州韦尔斯利市引力研究基金主办。在这次比赛中，他的文章不仅获得了第一名，而且还碰到了一件极具讽刺意味的事情：其中的荣誉包括在《广义相对论和引力学》期刊上发表该文章的保证。最终该期刊在2010年6月发表了他的文章的缩减版本。
无比纠结的“纠缠态”
尽管如此，期刊编辑仍然有保持谨慎的理由。过去近100年来，科学家一直未能让量子力学和引力学相统一。量子力学统治着微观世界——即原子或粒子可以在同一时间出现在不同地点、可以同时顺时针旋转及逆时针旋转的神秘领域。而引力学则主宰着宏观世界——从苹果落地到行星、恒星以及星系运转等现象，阿尔伯特&爱因斯坦曾于100年前同样的11月份在广义相对论中对其进行了描述。该理论认为，引力属于几何学：当粒子通过一个大质量物体附近时会发生偏离，爱因斯坦表示，这不是因为它们感觉到了引力，而是因为围绕该物体的时间和空间发生了扭曲。
上述两种理论都已经过大量实验的验证，然而它们描述的世界却完全不能兼容。从审稿人的立场来看，Van Raamsdonk提出的解决这种不兼容性的方法过于古怪。他主张，解决这一问题所需要的仅仅是“纠缠态”：很多物理学家认为这种现象是诡异的量子世界的极端。
纠缠态可以使测量一个粒子的同时瞬间获悉另一颗配对子的状态——无论这颗配对子的距离有多远，哪怕它是在银河系的另一边。爱因斯坦由衷地对纠缠态感到痛恨，因此就有了他所说的著名的“幽灵般的超距离作用”。
但是纠缠态却是量子理论的核心。Van Raamsdonk利用十多年来观点趋同的物理学家的研究成果，赞同这种极具讽刺意味的观点，即尽管爱因斯坦反对，纠缠态可能是几何学的基础，而且也是爱因斯坦的几何引力论的基础。“空间—时间，只是量子系统中物质如何纠缠的几何图像。”Van Raamsdonk说。
然而，这一观点这远未得到证实，而且远非完整的量子引力理论。但是一些独立研究也得出了同样的结论，并吸引了主流理论学物理学家的强烈兴趣。现在，通过各种各样用于量子计算和量子信息理论的现代工具，一些应用物理学家正在尝试扩展这种几何——纠缠关系。
“过去十年来，量子理论和引力学关系研究已经出现了革命性的时刻。”加州斯坦福大学物理学家Bartlomiej Czech说，“我一分钟也不会犹豫去做这件事。”
没有引力的引力论
目前，这项研究的大部分工作停留在1997年物理学家Juan Maldacena所做的工作上，目前Maldacena在新泽西州普林斯顿高等研究院工作。Maldacena的研究曾让他思考两个看起来完全不同的宇宙模型之间的关系。其中一个宇宙模型和我们所在的宇宙空间类似。尽管它不会膨胀也不会收缩，但却拥有三个维度，其中充满了量子粒子并遵从爱因斯坦的引力方程。这种叫作反德西特空间（ADS）的概念，通常也被称为“点内空间”。另一个模型也充满了元素粒子，但是它仅有一个维度并且不存在引力。它通常叫作边界，是一个数学上定义的膜，它和点内空间里任何一个给定点之间都隔着无限的距离，然而却又完全包围着这个定点，就像一个二维的气球表面内包围着三维的空气那样。边界粒子遵从量子系统方程，即共形场论（CFT）。
Maldacena发现，边界和点内空间完全相等。就像二维的计算机芯片电路编码的电脑游戏三维图像那样，边界上相对简单、无重力的方程式包含着同样的信息，描述了主宰点内空间的更加复杂的类似方程式。
“这看起来不可思议。”Van Raamsdonk说。Maldacena提出的两重性让他豁然开朗，该观点给物理学家提供了一种在点内空间不考虑引力的思考量子引力的新方法：即物理学家仅需要观察边界上的等效量子态。随后几年内，很多物理学家开始探索这种想法，因此Maldacena的论文也成为当前物理学界引用率最高的论文之一。
在这个量子场中，量子关系把各个部分系在一起，该系统中存在着唯一的纠缠态。但是现在，Van Raamsdonk 很好奇，如果把边界纠缠去掉，宇宙会发生什么呢？
利用伊利诺伊大学数学家Shinsei Ryu和京都大学理论物理学家的Tadashi Takanagi在2006年研究的数学模型，他试图回答这个问题。最终他发现，把边界的量子纠缠降低为零之后，像一块口香糖被拉扯得过远之后发生的结果那样，空间—时间就会被打乱成杂乱的碎块。
为此，Van Raamsdonk意识到，这种几何——即纠缠关系——普遍存在。纠缠关系正是把时间—空间编制在一起并形成完整整体的必要元素——不仅是在存在黑洞的星际空间，而是处处如此。
“我那个时候觉得，我理解了此前尚未有人解释过的一个基本问题的某些实质。”Van Raamsdonk回忆说，“本质上说，就是什么是空间—时间。”
隐藏的关联性
量子纠缠作为几何学上的黏合剂，这是Van Raamsdonk被拒稿和获得头奖稿件的核心，这一概念已在很多物理学家中间产生共鸣。但至今为止，还没有人发现充分的证据，因此这种观点仍是一种猜想。但是很多独立的推理已经支持这一观点。
例如，2013年，Maldacena和斯坦福大学的Leonard Susskind合作发表了一篇相关的猜想文章，他们认为ER=EPR，并以此纪念1935年发表的两篇地标性文章。ER由爱因斯坦和美籍犹太裔物理学家Nathan Rosen共同发表，介绍了现在称之为“虫洞”的概念：穿越空间—时间连接两个黑洞的隧道。（尽管在科幻电影中曾出现过，但是实际上没有哪种真实的粒子可以穿过这样的虫洞：这需要粒子移动得比光速还快，这是不可能的。）EPR由爱因斯坦、Rosen和美国物理学家Boris Podolsky共同发表，这是第一篇清晰阐述“纠缠”的文章。
Maldacena和Susskind的猜想是，这两个概念不仅仅是在发表年代上存在关联。他们表示，如果任何两种粒子存在纠缠现象，那么它们则会有效地存在于一个虫洞内。反之亦然，物理学家所说的虫洞也等于纠缠。它们只是描述同一种潜在现实的不同方式。
现在，仍然没有人清楚这一概念下潜在的现实是什么。但是物理学家越来越坚信，这种联系一定存在。Magdalena、Susskind和其他科学家已经在检验ER=EPR的假说，以此来判断纠缠和虫洞之间是否存在数学关联性——到目前为止，其答案是肯定的。
尽管验证这一猜想目前仍存在各种挑战，但是该领域的实践者已经有了共识：他们已经开始瞥见一些切实存在的重要线索。“以前，我不知道空间是由什么构成的。”斯坦福大学物理学家Brian Swingle说，“那时我甚至不知道这个问题是否有存在的意义。”但是现在他说，线索已经变得越来越显著，这个问题是合理的。“问题的答案是我们都理解的一些内容。”Swingle说，“它是由纠缠构成的。”
对于Van Raamsdonk来说，从2009年至今，他已经完成了20余篇关于量子纠缠的文章。他表示，所有这些文章现在已经被期刊接受并发表。（冯丽妃）
走近杨振宁和彭罗斯物理脑洞
杨振宁，1922年生于安徽合肥。清华大学教
授、香港中文大学讲座教授，中国科学院外籍院
士、美国国家科学院院士、台湾“中央研究院”院
士、俄罗斯科学院院士、教廷宗座科学院院士、巴
西科学院院士、委内瑞拉科学院院士、西班牙皇家
科学院院士、英国皇家学会会员。1957年诺贝尔物
理学奖获得者。
罗杰o彭罗斯（Roger Penrose），1931年生于英国埃塞克斯州。牛津大学的罗斯o波勒数学讲席终身教授，是全世界公认的最博学和最有创见的数学物理学家。因证明奇性定理，在1988年与霍金共同获沃尔夫物理奖。彭罗斯1957年被授予剑桥大学博士学位。1964年在美德克萨斯大学时，就提出和发展应用磁线纽量理论(Twistor theory)和复数的几何学研究量子引力，认为弦论引入额外维来研究物理，是对这一独特性的忽视。1966年任伦敦大学教授，1971年获美国海因曼奖。1998年出版《皇帝新脑》，2004年出版《通向实在之路----宇宙法则的完全指南》等书。
（一）新物理脑洞
彭罗斯从出版的《皇帝新脑》一书开始，就在说里奇张量，是当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时，被绕物体整体体积有同时协变向内产生类似向心力的收缩作用。彭罗斯由此第一次用里奇张量再加上韦尔张量，清楚地简化了爱因斯坦的广义相对论引力方程，也能清楚地说明量子退相干和量子宇宙学的一些难题。
彭罗斯的里奇张量新说，是量子引力研究的一个转折点。因为它能更清楚地提供和证明了虚数超光速快子的图像：如设绕着星球作圆周运动物体的半径为1米，它到星球表面的最近距离为30万千米，当星球的半径大于30万千米时，要速度只有光速大的引力子，传到星球表面的信息才开始让里奇张量引力，产生整个星球体积的同时理想收缩，那么就不能使星球直径另一端的表面也同时开始收缩。因此必然有产生一半对一半的实数光速引力子和虚数超光速引力子，并以实数引力子到达时为准，这不违反两个相对论的逻辑和实验观测事实。广义相对论引力方程是：
R_uv－（1/2）g_uv R=-8πGT_uv&（1-1）
该式中左边第一项R_uv，是里奇张量。如果针对的是圆周运动，那么在两个物体中，当一个物体有被绕着的物体作圆周运动时，该物体整体体积有同时协变向内产生加速类似的向心力的收缩或缩并、缩约作用。这里，里奇张量和里奇曲率，是一种全域性或非定域性的体积收缩的引力效应，而不同于韦尔张量和
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获得诺奖的“拓扑相变”是什么？
20:08:38　来源:&(北京)
本文为网易科学与果壳网合作稿件
2016年诺贝尔物理学奖，授予戴维&索利斯（David Thouless），与邓肯&霍尔丹（Duncan Haldane）和迈克尔&科斯特利茨（Michael Kosterlitz），以表彰他们在理论上发现了物质的拓扑相变和拓扑相。拓扑学是三位得奖者能做出这一成就的关键，它解释了为什么薄层物质的的电导率会以整数倍发生变化。
如果上面这段话给你一种“每个字都认识但合起来不像中文”的感觉，别怕。果壳给你一个说人话的版本，解释一下他们仨都做了什么——
文/Ent&编辑/安然
一般的物质是按照一定规律排列的，比如冰是水分子按照网格排列起来形成的固态物。
物理上，我们说固态是一种“相”。
如果给冰加热，它会变成液态水，也就是另一种“相”。里面的水分子依然有规律，但就变成另一种规律了。
这样的变化被称为“相变”。
固体液体气体之间的相变我们见多了，但是在低温或高温状态下，某些物质呈现出了我们从未见过的“相”……
当物质变得很薄的时候，它们的特征会发生有趣的改变。人们曾经认为，对于很薄层的物质，分子的随机运动会让它陷入无序之中，所以不会遵循任何规律，或者说，没有任何有序的“相”。那么，自然也就谈不上相变了。
但是20世纪70年代，戴维&索利斯和迈克尔&科斯特利茨发现并非如此，只要温度足够低，它们也可以是有序的，也有“相”；非但如此，它们的相变还特别奇异，与日常里冰变成水那种相变很不一样。决定这一相变的因素是薄层物质上“旋”；当温度上升的时候，本来成对出现的旋突然都分开了。这样的相变被称为“拓扑相变”——因为它用到了拓扑学来描述。
拓扑学是一个数学分支，它研究的是那些“不连续”的特征。假设我有一个长方形，它可以变大一点点，变小一点点，粗一点点，细一点点，这样的变化是连续的；拓扑学对此不关心。但如果我在长方形里挖了洞，那么它要么没有洞，要么有1个、2个、3个??，不能有1.5个或者3.14个。拓扑学关心的就是类似于这个洞的特征。
万万没想到，诺贝尔颁奖典礼上会出现一袋子面包——组委会用没有洞的肉桂卷（cinnamon bun）、一个洞的面包圈（bagel）和两个洞的碱水面包（pretzel）解释起了拓扑是什么回事，在拓扑上，这几种结构是完全不一样的：洞的数量不同。
如果老禅师说“每张纸都有两面”，你可以拿莫比乌斯环去坑他：莫比乌斯环只有一个面。但如果老禅师说“每张纸都有整数倍个面”就糟糕了，因为你做不出有1.5面的结构来。这些“没有半个”的，就是拓扑学负责的领域。
（拓扑学还有一个特点是，看局部不管用。一个长方形有几个洞，完全无法依靠看它的局部来判断，必须看整体。）
在索利斯和科斯特利茨研究的物质里，发生的就是这样的场景。薄层的物质上有很多“旋”，低温的时候是两个两个成对出现，温度一升高，一下子全都分开成一个个的了。这个过程就需要用拓扑的不连续特征来描述。
左边是一对一对的“旋”，在高温状态下，变成了单涡旋。这个过程就是拓扑相变。
但拓扑学在物理学中的作用还不止于此。
物理世界有一种神秘的现象叫做“量子霍尔效应”：当把一个薄层导体放进两块半导体之间，冷却到极低温度，再加上一个磁场的时候，它的电导率突然不能连续改变了，只能一步步地改变，先是变成两倍，然后三倍、四倍、五倍这样下去。——这很不合常理，因为日常物质的变化都是连续的。
在日常生活中，物质的变化曲线应该是连续的，像滑梯一样。但某些状态下，电导率的变化却成了台阶，只能一步一级的往上迈了。为什么呢？图片来自：www.
1983年，索利斯意识到，这个现象也需要用拓扑学解释。
量子霍尔效应里，相对自由运动的电子会形成一种被称为“拓扑量子流体”的东西；它表现出来的特征，就能够被拓扑学所描述。电导率需要用到所有这些电子的整体性质，这正是拓扑学的领域；而就像一个长方形里的洞只能是整数个，它的电导率也只能以整数倍变化。
1988年，另一位研究者邓肯&霍尔丹的理论计算表明，“拓扑量子流体”不光在量子霍尔效应里存在，其他条件下也能，比如没有磁场时的薄层超导体。这个计算结果在2014年得到了验证。
霍尔丹还在1982年做出了一个令人吃惊的预测。量子物理中有两种原子磁铁，一奇一偶。霍尔丹计算出，如果一串偶磁铁排成排，得到的原子串具有拓扑性；但奇磁铁就没有。和拓扑量子流体一样，它也需要看整体才能知道，也是只在物体的边缘才表现出来，也具有很多奇特的属性。如今，量子霍尔流体和磁原子链都已被归于一大群全新的拓扑状态之中。
拓扑绝缘体、拓扑超导体和拓扑金属都是目前的热门话题。过去十年来，凝聚态物理的最前沿都被这个领域的研究所主导，重要原因是这些拓扑材料对于新一代电子元件和超导体会十分重要，未来还可能导向量子计算机的研究。此刻，研究者依然在探索三位诺奖得主开创的薄层物质“平面国”的奇特属性。
让我们再读一遍获奖者的名字，记住这三位开创领域的先驱——
戴维&索利斯，1934年生于英国贝尔斯丹。1958年获美国纽约州伊萨卡的康奈尔大学博士学位。现为美国西雅图的华盛顿大学名誉教授。
邓肯&霍尔丹，1956年生于英国伦敦，1978年获英国剑桥大学博士学位。现为美国新泽西普林斯顿大学的尤金希金斯物理学教授。
迈克尔&科斯特利兹，1942年生于英国阿伯丁。1969年获英国牛津大学博士学位。现就职于美国罗德岛州普罗维登斯的布朗大学，任哈里森&方斯沃斯物理学教授。
&本文来源：果壳网责任编辑：刘月_NT1812
超流形成原理
& & & & & & & & & & & & & & & & & & &&晏成和 && 20:15
有些物质在极低温度条件下，会呈现一些奇特的性质，超越了人们的常识，由此引发了新的物理分支-低温物理学。
上篇文章，我们讨论了低温下一些物体导电的电阻为零-超导。
在平常，我们习惯了水往下流。当温度极低时，液氦能从容器壁向上爬出瓶口；能够从玻璃管中向上喷出，形成液氦喷泉,这种现象被称为超流。
对于超流，有文献解释是：在极低温度条件下，液氮发生了特殊的相变，完全失去粘滞性。在此，不打算批驳这些离奇的低温理论，深信大自然在造物过程中是系统、连贯的，不可能在低温就另开炉灶，也不须建立专门的理论。低温下的物质虽然呈现特殊，其根源应该是一脉相承，还是遵循自然的提示，以核外电子规律运动的去探讨超流的物理机理。
[实验]&&超流是极低温下物质表现出的有趣现象。随着人们制备低温技术的提高，所能达到的低温接近0 K。在2.19K时，液氦奇特、超常的现象发生：液氦能沿着容器的壁向上爬，爬出瓶口向外流；在液氦中插一支很细的玻璃管，液氦立即沿着玻璃管向上喷出，形成液氦喷泉。人们把液氦这种异常的流动现象叫做超流。
超流震惊了科学界，“这怎么可能！地球的的引力消失了”,“会不会弄错？”然而可以N次重复的事实摆在那里，实在是叫科学界兴奋，又大伤脑筋。
&超流是怎样形成的？
温度在5K以下，所有的物体都是固态，为什么只有氦是液态？这也是当代科学界无人能回答的问题。&
&超流并不神秘，我们还是以核外电子的运转速率随着温度变化，温度高——核外电子速率高；温度低——核外电子速率降低，来解答超流原理。
超流给物理学者出了一道难题，水往低处流，是亘古不变的常识，地球的引力从来都是存在的，是向下指向地心的。它怎么能向上流、往上喷？不少的学者为了破解这一难题提出了各种假说，作了非常复杂的计算，但是终难自圆其说。
有的说在极低的温度之下，形成了引力屏蔽，可是刚向上喷出的液氦立即就落了下来。有的说在极低的温度之下，液氦的粘滞力降低（这是实验事实），使得原子之间产生斥力，推着液氦向上爬。可是液氦的粘滞力再低，也仍是存在内聚力的液体，如果原子之间产生斥力那就会形成氦气，向上爬着的液氦，可仍然是液体。还有更多的假说都不成立，就不再列举。
超流的本真是核外电子的规律运动，是电子规律运动的自然效应。大自然总是遵循简单原则，超流现象的原理并不复杂，超流其实也是液氦的核外电子的规律运动的结果：
在此，有必要回顾之前文章所讨论的，核外价电子运转所伴生的力与物质相态之间的关系。或请看附后的“参考阅读”。&&
氦是惰性元素，常温下两个价电子绕着一个核心呈球状包围，高速旋转，形成稳定的单原子气体。在极低的温度下，核外电子转速降低，线路也由球状包围旋转降低为立交运转，电子运转的价磁力显现出来，使原子相互吸引靠近，形成了液氦。
进一步降低温度，氦的两个价电子的运转速率继续降低，不能满足核心对电子的需求；所覆盖的范围如同原子核心的一条腰带，而原子仅有两个电子，两头的大部分表面得不到电子的覆盖，完全不能满足核心各面对电子的需求。而盛装液氦的容器（玻璃或金属罐）物质的原子的核外电子数较多。于是渴求电子的氦原子就附到容器壁上，让得不到电子的覆盖的表面去靠近那里的运转着的电子，以满足核心各面对电子的需求。
容器表面的核外电子都是有固定的归属的，氦核得不到容器的核外电子，自身的电子又少又慢，于是许多氦原子都只有往容器壁上贴，拥挤着沿着容器壁向上靠，下面挤满了就向上爬附，于是就形成了液氦沿着容器的壁向上爬，爬出瓶口向外流，形成了所谓的超流。
在液氦瓶中插一支很细的玻璃管，许多氦原子都立即往玻璃管壁上靠去，液氦都沿玻璃管向上挤，向上运动的惯性，形成液氦喷泉。
温度进一步降低，液氦核外电子速率更慢，伴生的电磁力更小，液态物质的粘滞力是由内聚力——电磁力所提供的，电磁力小了，液氦的粘滞性就降低。虽然粘滞性小了，但氦核对电子流过身边的需求不减，超流频频发生。
超流是液氦的核外电子随温度规律运动的又一例证。
所有物质在5 K以下都凝结成固体，只有液氦到极冷，接近0&Ｋ还是液态。这是因为：在极低的温度下，液氦的两个核外电子的立交运转接近平面，如果所有的核外电子运转平面平行，形成稳定的电磁力，这时氦有可能形成固体，然而液氦内稳定的电磁力却难以建立。
一般固体物质的价和电子是围绕两个核心形成椭圆轨道、作长路径平面运转，电磁力稳定，路径内围着较大椭圆面积，而椭圆之间的间距小，低温下能够形成稳定固体。
可是惰性元素的氦，两个电子是绕着单个原子核运转，运转路径短、而且是圆轨道，所围平面小，路径内所围面积与原子高度之比不到一般物质的一半，所以不稳定；温度低价电子转速缓慢，电磁力弱小，粘滞性降低；氦原子没有内层电子，原子核易于侧过身，让相邻电子从空着的面的流过，以满足核心各面对电子的需求，经常这样侧转，导致电磁力方向散乱。所以氦原子形成不了电磁力的方向稳定的固体，只能维持氦的液体状态。
&参考阅读：
热的本质是什么——热学百年迷茫（一）
&相变是怎样形成的 & & &&
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三名科学家分享2016年诺贝尔物理学奖
09:35 &来源： 新华社
三名科学家分享2016年诺贝尔物理学奖 这是10月4日在瑞典斯德哥尔摩拍摄的、获得2016年诺贝尔物理学奖的三位科学家（从左至右）戴维&索利斯、邓肯&霍尔丹和迈克尔&科斯特利茨的照片。 瑞典皇家科学院当天宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予三名在美国高校工作的科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。 新华社发（石天晟摄）
10月4日，在瑞典斯德哥尔摩，获得2016年诺贝尔物理学奖的三名科学家的照片在新闻发布会上展示。 瑞典皇家科学院当天宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予三名在美国高校工作的科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。 新华社记者付一鸣摄
10月4日，在瑞典斯德哥尔摩，获得2016年诺贝尔物理学奖的三名科学家的照片在新闻发布会上展示。 瑞典皇家科学院当天宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予三名在美国高校工作的科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。 新华社发（石天晟摄）
10月4日，在瑞典斯德哥尔摩，瑞典皇家科学院常任秘书戈兰&汉松与2016年诺贝尔物理学奖获得者之一、科学家邓肯&霍尔丹电话连线。 瑞典皇家科学院当天宣布，将2016年诺贝尔物理学奖授予三名在美国高校工作的科学家，以表彰他们在物质的拓扑相变和拓扑相方面的理论发现。 新华社发（石天晟摄）
日&-&要想要描述微观世界就必须运用量子力学,该理论在20世纪初发展起来。而量子力学的核心方程就是薛定谔方程,它就好比是牛顿第二定律在经典力学中的位置。...
各位读者应该还记得之前笔者在谈及广义相对论时提到爱因斯坦曾问过一个问题：洛伦兹矩阵L若是时空坐标的函数，那么麦克斯韦方程在L变换下是否保持形式不变呢？这个问题导致了广义相对论的诞生。杨振宁在这里实际上问了与爱因斯坦相同的问题，只不过洛伦兹矩阵L的角色被SU(2)矩阵替换了。一旦思考到这一层意思，“广义协变性”就呼之欲出了，这一次广义协变的思想被推广到了波函数的内部空间而不再仅仅限于时空坐标的变换。与爱因斯坦处理广义相对论的“定域化”思维一致，杨振宁考虑将“牛顿-莱布尼兹导数”修改为“协变导数”。好在这种协变导数的构造并不困难，因为H. Weyl已经在电磁场的规范理论中构造了如此一种协变导数。将协变导数的构造从电磁场的复数情形（所谓U(1)规范群）推广到SU(2)矩阵的情形是平凡，只需要添加一个矩阵“场”函数作为“联络”就可以了。杨振宁所面临的真正困难在于如何构造一个麦克斯韦方程的SU(2)“矩阵版本”。杨振宁曾被这个难题困扰多年，直到1954年才在R.Mills的协助下解决了这一难题。从这一时刻开始，非阿贝尔规范场理论正式被创立，此时的杨振宁踌躇满志，他在其那篇著名的论文中雄心勃勃的写道&[7]：
“同位旋守恒意味着所有相互作用应该在同位旋的变换下保持不变”。
这一观点正是爱因斯坦“广义协变原则”的自然扩展。但是仅从上面的这一句话读者可能还是不太清楚杨振宁到底想说什么。为了理解他的真实想法，我们需要了解到同位旋不变性这一说法后来被规范不变性这一术语所替代。事实上，杨振宁的SU(2)规范场“矩阵版本”反映的是所有矩阵类型规范场的统一数学结构（后来被意识到这就是李群结构），所以还是沿用了H.Weyl规范场的提法，把包括复数和矩阵在内的导致波函数内部空间变换的全体称之为“规范变换”，增加的相应“联络”被称为“规范场”。
因此如果我们将杨振宁上面的话翻译为现代语言那么就好理解了：
“所有相互作用应该在规范变换下保持不变”。
显然，杨振宁的目标是所有的相互作用。那时候核的强相互作用与弱相互作用都已经被发现，杨振宁寄希望于他的规范场理论可以描述这些相互作用。因为电磁场本身就是规范场，如果弱相互作用也是规范场，那么规范不变性很可能导致相互作用之间的统一。这就展现出了非常诱人的前景。
杨振宁首先想到他的SU(2)&规范场可以用于解释质子和中子的弱相互作用。因为质子和中子既然是核子的不同状态，而核子从一种状态变化到另一种状态又可以用SU(2)矩阵变换得到，当SU(2)矩阵依赖于时空坐标以保证“定域性”时，协变导数的构造自动要求出现三个类似于电磁场的规范场：W+、W-、Z。这三个规范场中，W+和W-分别带正电和负电，Z不带电。质子和中子之间的互相转化被考虑为弱相互作用的结果，所以杨振宁理所当然的考虑W+、W-、Z是传递弱相互作用的粒子。但唯一的问题是，这三个粒子与电磁场一样，质量必须为0以保证规范不变性。所以杨振宁的这一看法受到泡利的反对：质量为0暗示长程相互作用，但弱相互作用是短程的。
尽管杨振宁的SU(2)&规范场由于泡利的反对而被搁置，但是其所蕴含的精妙思想还是吸引了许多物理学家的关注，其中包括盖尔曼、史温格和格拉肖。这三位物理学家都尝试将非阿贝尔规范场用于描述核力。盖尔曼后来用非阿贝尔规范场描述强相互作用取得了成功。史温格和格拉肖则集中于如何利用SU(2)规范场来解释弱相互作用。史温格和格拉肖都延续了杨振宁的想法，其中史温格尝试将Z解释为光子，将W+和W-解释为弱作用粒子，但仍旧无法避免W+和W-的0质量问题。
在统一弱相互作用和电磁作用的研究上真正做出重要一步的是史温格的学生格拉肖，他开始意识到质子和中子都不是基本粒子，因此将它们作为核子的两种不同状态并不严格。这就是说，核子的SU(2)同位旋不变性并不准确。格拉肖于1961年开始考虑严格的SU(2)对称性的情形&[8]，并将这个对称性用于轻子（包括电子和中微子）。类比SU(2)核子理论，格拉肖认为电子和中微子可以被看作同一种轻子的两种不同状态。这一看法是一个巨大的突破，因为电子带有电荷，必定融入电磁相互作用，电子和中微子又是弱相互作用下轻子的不同状态，这就意味着电磁力和弱相互作用也许可以在轻子2重态的思想中被统一起来。因为H. Weyl已经指出电磁场是U(1)规范场，格拉肖干脆将SU(2)和U(1)这两个矩阵表示做直积，以形成一个更大的矩阵表示SU(2)&U(1)。格拉肖应该是人类历史上第一个发现弱相互作用和电磁作用统一结构的人。他不光利用SU(2)&U(1)得到了电磁场，还预言了W+和W-两个带电的弱相互作用粒子，更重要的是他预言了弱中性粒子Z，还给出了类似于温伯格角的物理量。遗憾的是，格拉肖的模型存在一个巨大的缺陷，那就是他人为构造了W+、W-、Z三个粒子的质量，从而导致规范不变性被破坏掉，并且他无法预言W+、W-、Z三个粒子的质量。
为了得到完全正确的弱电统一理论，还需要7个人上场：杨振宁、李政道、费曼、盖尔曼、朗道、南部阳一郎和希格斯。
1956年杨振宁和李政道发现弱相互作用下宇称不守恒后（他们因此而于1957年获得诺贝尔物理学奖）&[9]，进一步指出之所以出现这种情况是因为没有右旋中微子（所以也没有左旋的反中微子），从而对费米1934年的弱相互作用理论进行修改。1958年费曼和盖尔曼在杨振宁和李政道的弱相互作用理论的基础上进一步发展出弱相互作用的“普适V-A理论”&[10]。这个理论非常成功的描述了弱相互作用（但可惜是不可重整的）。
在另一条道路上，为了对超导电性进行解释，凝聚态大家朗道提出“对称性自发破缺”的概念来构造场论模型以描述超导电性。1960年南部阳一郎进一步意识到所谓超导的“对称性自发破缺”事实上是破坏掉了超导电子的“电荷守恒”（因为超导电子对数目的不确定，所以超导电子的电荷总量是不确定的）&[11]。电荷守恒被破坏意味着U(1)规范不变性的破坏，而规范不变性被破坏就意味着规范场的质量不必再为0了。希格斯正是意识到了这一点，从而于1964年提出使规范场获得质量的“希格斯机制”[12-13]。
好了，万事俱备，只欠东风了。离统一电磁力和弱相互作用的终点已经近在咫尺。
将格拉肖的“弱电统一模型”、费曼和盖尔曼的“普适V-A理论”以及“希格斯机制”结合起来的有两位物理学家，他们分别是温伯格和萨拉姆。
在吸收了格拉肖关于电子和中微子是弱相互作用下轻子的不同状态的想法，以及只存在左旋中微子和右旋反中微子（即宇称不守恒）的想法后，温伯格在1967年指出，弱电统一的正确做法是把左旋电子和左旋中微子看作同一种左旋轻子的两种不同状态，而右旋轻子只有一种右旋电子的状态&[14]。温伯格的这一想法实际上认为弱作用和电磁作用是同一种相互作用，它们一起使得左旋轻子发生状态的改变。但是这个想法有一个麻烦的问题：那就是电子有质量，而中微子没有质量。如果左旋电子和左旋中微子被看作同一种左旋轻子的两种不同状态，那就意味着SU(2)对称性成立，从而左旋电子和左旋中微子质量应该相同（类似于海森堡质子和中子的SU(2)版本）。如果左旋电子和左旋中微子的质量不等，那就只能是SU(2)对称性被破坏掉了。极好的是，温伯格成功的将“希格斯机制”移植到了他的“弱电统一”模型中，从而使得SU(2)对称性发生了自发破缺，这不光导致电子获得了质量（左旋中微子仍旧没有质量），还导致了W+、W-、Z这三个弱相互作用粒子也获得了质量。温伯格很可能参考了格拉肖的“类似温伯格角”从而得到了正确的“温伯格角”，进而预言了W+、W-、Z这三个弱相互作用粒子的质量大小。萨拉姆做的“弱电统一模型”与温伯格的模型一样，所以在此就不赘述了。后来格拉肖将弱电统一的“轻子”模型推广到了“夸克”版本（并成功的预言了粲夸克的存在）&[15]，从而可以看出格拉肖在构建相互作用统一模型方面的功力确实是首屈一指的。
20世纪80年代初，CERN发现了W+、W-、Z这三个弱相互作用粒子，鼓舞人心的是，实验测量的粒子质量与理论预言完全一致。从此由温伯格、格拉肖、萨拉姆敲板定音的弱电统一模型成为粒子物理的标准模型。
据说，在实验证实了弱电统一模型之后，杨振宁在一次晚宴上打开香槟，说了一句：“over”。这似乎既预示着粒子物理盛宴的结束也预示着规范场理论的巨大胜利（结束了粒子物理的“战国时代”）。笔者不知道这件事情是否属实，但是笔者相信在以非阿贝尔规范场理论为基础的弱电统一模型被证实之后，杨振宁的内心一定是充满万丈豪情的。弱电统一模型所需要的三个要素：非阿贝尔规范场、宇称不守恒、希格斯机制，被他发现了其中的两个，您说的他的内心会不狂喜吗？
至少笔者相信是这样的。
最后，在这里仍旧留下了的一个历史疑问：既然杨振宁发现了非阿贝尔规范场、宇称不守恒，并敲定了中微子的正确旋量描述，那么为什么他没有发现弱电统一模型呢？
历史已经过去，真实的事情全貌我们已经无法了解，但是下面的故事也许可以为我们洞悉此问题提供一个可能的答案。
在1961年时，物理学家J. A.Tarski（此人将非阿贝尔规范场用于描述强相互作用）曾给杨振宁写了一封信（[6]，49页）：
“您常常告诫年轻的理论物理学家们：‘理论家最主要的任务之一是建议一个好的实验’。但是在您1954年建立Yang-Mills理论后却没有鼓励实验家去搜寻Yang-Mills粒子。这到底是为什么？”
按照杨振宁自己的回忆，当他收到这封信时久久不知如何回复，以至于多年后忘记当时到底做了怎样的回信。不过，当我们回顾杨振宁的科研历程却不难发现，1961年收到这封信时他刚刚才和N.Byers在PRL合作发表了一篇解释超导环磁通量量子化的论文[16]，这也就是说此时杨振宁的研究兴趣已经转向凝聚态领域了。而发现粒子物理标准模型的其他几位物理学家同时期又在做什么呢？不管是盖尔曼、格拉肖、温伯格还是萨拉姆，他们的兴趣一直都处于粒子物理和场论领域的亢奋阶段，并没有文献显示此阶段他们在其它物理领域有所建树，这与杨振宁的研究风格形成鲜明的对比。
就像爱因斯坦最终没有发现薛定谔方程一样，尽管为建立量子力学提供了必要的理论基础，但是爱因斯坦的研究兴趣往往过于分散在各个不同的领域，以致错失发现量子力学基本方程的机会。杨振宁在这一点上倒比较接近爱因斯坦的风格，分散于不同领域，并留下自己“无与伦比”的足迹，让后来人更容易发现攀登高峰的正确方向。
就像物理学家戴森所比喻的《鸟与青蛙》一样：鸟翱翔在高高的天空，而青蛙生活在天空下的泥地里；鸟俯瞰延伸至遥远地平线的广袤的数学远景，而青蛙乐于探索特定问题的细节，一次只解决一个问题。
等到青蛙终于解决问题之后，却不会忘记鸟早已飞过这里。
【文献列表】：
[1].Heisenberg, W., Z. Physik 77 (1932): 1
[2].Fermi, E., Z. Physik 88 (1934): 161
[3].Weyl, H., Ann der Phisik 59 (1919): 101
[4].London, F., Z. Physik 42 (1927): 375
[5].Pauli, W., Review of Modern Physics 13 (1941): 203
[6].杨振宁，《杨振宁论文选集（）》，世界图书出版公司，1994
[7].Yang, C. N. and Mills, R. L., Physical Review 96 (1954): 191
[8].Glashow, S. L., Nuclear Physics 22 (1961): 579
[9].Lee, T. D. and Yang, C. N., Physical Review 104 (1956): 254
[10].Feynman, R. and Gell-mann, M., Physical Review 109 (1958): 193
[11].Nambu, Y. Physical Review Letters 4 (
[12].Higgs, P. W., Physics Letters 12 (1964): 132
[13].Higgs, P. W., Physical Review Letters 13 (1964): 508
[14].Weinberg, S., Physical Review Letters 19 (
[15].Glashow, S. L. et al., Physical Review D 2 (1970): 1285
[16].Byers, N. and Yang, C. N., Physical Review Letters 7 (1961):46
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质量起源与上帝粒子的革命&&
11:09:14|&&分类：&|举报|字号&
何红建：教授，清华大学近代物理研究所和高能物理研究中心，北京 100084。
& & & & & He Hongjian: Professor, Institute of Modern Physics and Center for High Energy Physics, Tsinghua University, Beijing 100084.&&&&&
& & & & &2012年 7月 4日，全世界的目光都聚焦于瑞士日内瓦湖畔的欧洲核子研究中心(CERN)。那里举行的新闻发布会上传来振奋人心的消息1： 正在运行的大型强子对撞机（LHC）的两个实验合作组 ATLAS和 CMS发现了一个质量为 125~126吉电子伏（GeV）的疑似希格斯玻色子（Higgs boson）或称“上帝粒子”（God particle）的新粒子。接着在 7月底，两个实验组分别向《物理学快报》提交了正式论文。
& & & & 7月 4日的发布会之前我正在 CERN访问，这个夏季 7月的日内瓦异常炎热，而室内并未安装空调，7月 4日之前的那个周五的午饭前，我看见合作组的实验家挤满了可容纳上百人的会议厅，正在紧张地进行内部报告和讨论。作为理论物理同行，我已经感受到了那里的 热烈气氛。几天之后，在 7月 4日发布会现场， 83岁的英国理论物理学家希格斯（Peter W. Higgs）禁不住老泪纵横，在经历了 45年漫长等待之后，他激动地感叹道，“这真是我生命中最不可思议的奇迹”。英国物理学会主席奈特（Peter Knight）说：“LHC的这一成就堪与人类发现 DNA和登陆月球媲美。”过去 40年间粒子物理学家们一直在苦苦寻找希格斯粒子，这个新粒子很可能就是人们期盼已久的上帝粒子。 CERN主任霍伊尔（Rolf-Dieter Heuer）说，“作为一个外行人，我会说我们已经找到它了；但作为内行，我不得不问我们发现的究竟是什么？…今天是历史性的里程碑，但还仅仅是个开始。
& & & & &的确，LHC还需要继续积累数据，更精确地测量和鉴定这个新粒子的自旋是否为零，宇称为偶还是奇，它与弱规范玻色子和费米子的耦合常数是否完全符合传统希格斯机制和标准模型的预言。然而，粒子物理学家远远不会满足于仅仅发现这样一个希格斯粒子，他们梦寐以求的目标是揭示这个粒子与标准模型希格斯粒子的差别，探明是否希格斯粒子不止一个，以及与之相应的刻画自然界质量起源的新物理定律！
& & & & 与粒子物理学家们的激动不同，行外的人们会好奇地询问，这个上帝粒子为何如此重要？它真的能够解释自然界一切基本粒子质量的起源吗？值得指出，标准模型给 出的目前宇宙中的可见物质只占宇宙总密度的 4.6%，而宇宙中 23%的成分是神秘的暗物质，这足足是可见物质的 5倍，其余约 72%的宇宙密度由同样神秘的暗能量充当。宇宙中暗物质与暗能量的本质是什么？上帝粒子与如此巨大的暗物质和暗能量有本质联系吗？上帝粒子究竟在宇宙中扮 演什么样的终极角色？看来物理学家距离读懂“上帝的思想””还有相当漫长的扣人心弦的征程…
从培根到爱因斯坦：质量的本质是什么
& & & & 什么是质量？质量是如何起源的？这个如此基本而又古老的问题至今尚无最终答案。
& & & & 培根（Francis Bacon）在 1620年出版的《新工具》一书中，把质量定义为物体所含物质的多少，并提出作用力依赖于质量，从而把质量与作用力联系起来。牛顿（Isaac Newton）在《自然哲学之数学原理》中引入了惯性质量的概念，定义为物体惯性大小的量度。按照牛顿第二定律 F=ma或 m=F/a，即对不同物体施以同样的力，可从它们获得加速度的大小来确定质量大小。这种测定物体质量的方法就是根据惯性大小来量度的，因此测得的质量称 为”惯性质量”。质量的另一属性是量度物体引力作用的大小，具有这一属性的质量称为”引力质量”。牛顿研究万有引力定律发现，任何两物体之间都有引力作 用，其方向沿两物体（质点）连线，大小与两物体质量 m1和 m2乘积成正比，与两者距离 r的平方成反比：F=GNm1m2/r2，其中 GN为万有引力常数，质量 m1和 m2反 映引力作用的大小，称为”引力质量”。惯性质量和引力质量均与”物质的多少”这一关于质量的基本内涵相一致。牛顿首先从自由落体实验和单摆实验中论证了今 天所说的引力质量与惯性质量的等价性。爱因斯坦（Albert Einstein）以其对自然界独特的洞察，从这个等价性出发推广了相对性原理，于 1916年创立了广义相对论，成为现代物理学与宇宙学的基础。在此理论中，惯性质量与引力质量的严格等价性表明引力在本质上是一种惯性力。它在今天看来虽 然并非完美无瑕，但仍然堪称人类科学史上一个无与伦比的杰作。
& & & & 在牛顿经典力学中，不存在零质量的粒子，因为零质量在经典意义上意味着”物质的量”为零，即什么也没有。然而爱因斯坦在 1905年创立的狭义相对论是又一个划时代的杰作，它预言了以光速传播的粒子静止质量为零，并揭示了质量与能量的本质联系，反映在爱因斯坦震撼世界的著名 方程式 E=mc2或 m=E/c2中，后者可以作为对粒子等效质量(常称动质量)的定义。换言之，应该用粒子包含的能量来刻画”物质的量”。对于静止质量为零的粒子（如光子），其速度永远以光速运动，因而能量总是非零，包含非零的”物质的量”： m=E/c2。
& & & & &狭义相对论表明能量 E可以普遍地刻画粒子所含物质的量（m=E/c2），但它与粒子在具体过程中的运动速 度相关，因而不是普适常量。真正表征一个基本粒子内禀特性的是其静止质量,它是普适的，与粒子参与的具体运动过程无关。粒子静止质量的平方等于其 4维动量（four-momentum）的平方，它是一个基本的洛伦兹群不变量，与参考系选取或粒子的运动状态无关。因此本文下面只讨论静止质量。
& & & & &那么，为什么自然界中有些粒子（如光子）的静止质量恰好严格为零？而另一些粒子（如电子）却具有非零静止质量？这些非零静止质量是如何起源的？这是牛顿力学与爱因斯坦相对论均无法回答的难题。
质量起源与对称性破缺
&& & & && 狭义相对论从本质上说是一种关于自然界时空对称性的理论。其数学结构是洛伦兹对称群，它既基本又简单，描述的就是人人生活于其中的 1+3维时空中的转动不变性。而其中联系时间坐标和空间坐标的转换常数是与参照系选择无关的普适常量，它是洛伦兹群最基本的不变量，恰好等于描述电磁相互 作用的麦克斯韦方程中的光速。爱因斯坦当初为了协调相对性原理与麦克斯韦方程而创立了狭义相对论，然而狭义相对论却普遍适用于自然界中除引力以外的一切基 本相互作用力，包括电磁作用力尧弱作用力和强作用力。
& & & & 描述自然界电尧弱尧强这三种基本力的理论称为基本粒子物理学的”标准模型”，它自 1950年代发源以来取得了惊人的成功。物理学家为标准模型所做的奠基性工作已先后获得17次诺贝尔物理学奖。这个理论包含两大基本对称性：时空对称性（即洛伦兹对称性）和内部对称性（即规范对称性）。洛伦兹对称性是时空中的一种整体对称 性，它不对应于任何相互作用力。而规范对称性是时空中的一种局域对称性，每一种规范对称都对应于一种相互作用力。表征标准模型强尧弱尧电三种基本相互作用 力的规范对称群是 SU（3）╳SU（2）╳ U（1），简称”321”对称性。看来上帝构造宇宙时非常喜欢简单与优美，而且非常节俭。他用三个最小自然数来刻画自然界中三种基本作用力：（1, 2,3）分别对应于电磁力尧弱力和强力、传递这三种力的粒子是自旋为 1的规范玻色子，分别称为光子、弱中间玻色子和胶子。所有参与相互作用的物质粒子是自旋 1/2的费米子，包括三代夸克、轻子和中微子。其中夸克带分数电荷（+2/3,-1/3），轻子带电荷-1，中微子为电中性。这说明夸克和轻子参与电磁规 范作用，中微子不发光，只参与弱规范作用。此外，夸克和轻子均参与弱规范作用，只有夸克参与强规范作用。
自然界所有基本粒子相互作用及其与希格斯粒子作用的图解&& 其中的每一条连线各自代表它所连接的费米子(夸克、轻子)或者希格斯粒子与哪一种规范玻色子发生相互作用，同一粒子上的封闭曲线代表该粒子自作用。
& & & &&& 人们熟悉的电磁力由麦克斯韦方程描述，数学家与理论物理学家外尔（Hermann Weyl）于 1929年认识到它具有阿贝尔 U（1）局域规范对称性。 20多年后理论家们成功地把它发展为量子电动力学（QED，1965年获诺贝尔奖)。年代理论家们逐渐认识到强力和弱力都是非阿贝尔规范作用的不同表现形式。描述强力的是基于 SU（3）的规范理论，称为量子色动力学（QCD，2004年获诺贝尔奖）、弱作用与电磁作用由规范群 SU（2）╳U（1）统一描述，称为电弱统一理论（1979年获诺贝尔奖）。引力也被确认为属于定域规范理论，不过是一种最复杂的规范理论，其完整的量子 化迄今尚未成功。每一种规范对称性都要求相应的规范玻色子的质量严格为零，除非它发生了破缺。光子质量为零，是因为麦克斯韦方程严格遵从电磁规范对称性。 传递强力的胶子和传递引力的引力子质量均为零，也是由于其相应的规范对称性所保证。
& & & & &标准模型规范对称群 SU（3）╳SU（2）╳U（1）完全而优美地决定了所有自旋 1/2物质粒子通过三类规范粒子所进行的相互作用。这些物质场均有非零质量。理论物理大师泡利（Walfgang Pauli）在 1930年提出中微子时假设其质量为零。经过实验家近 70年的奋斗，终于通过中微子振荡实验证明了中微子具有微小非零质量，在 0.1电子伏量级，大约是电子质量的五百万分之一。然而，由于规范对称性的限制，所有物质粒子均无法获得质量。这是因为自旋 1/2费米子具有手征性（左手和右手），对应于自旋投影的两个分量+1/2和-1/2、左手费米子处于弱作用 SU（2）二重态，右手费米子为 SU（2）单态，因此无法形成满足弱规范对称性的质量项，只能取零质量。
& & & & 无独有偶，弱作用力是短程力，因而其弱规范玻色子具有非零质量（1983年获诺贝尔奖)，大约为（80GeV, 92GeV），这意味着弱规范群必须被破缺。然而在此规范理论中人为放入弱规范玻色子质量项和费米子质量项会在计算量子修正时遭遇不自洽性，使理论变得不 可重整化。这与电磁作用和强作用完全不同，那里规范粒子（光子和胶子）严格为零质量，费米子的左右手分量参加相同的规范作用因而允许具有非零质量。那么， 如何才能使得弱规范玻色子和所有费米子获得质量从而与实验测量一致呢？
质量起源：上帝粒子与神秘的真空
& & & & &解决弱规范玻色子和所有费米子质量疑难的线索来自对称性自发破缺（spontaneous symmetry breaking）的概念，它源于 1957年提出的 BCS（Bardeen-Cooper-Schrieffer）超导理论（1972年获诺贝尔奖）。理论家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）从对超导性和 BCS理论的研究中认识到了对称性自发破缺的关键概念，并率先把它应用到相对论量子场论，通过建立动力学模型（或称南部原约纳原拉西尼奥模型）表述了对称 性自发破缺（2008年获诺贝尔奖），实现费米子配对的真空凝聚，预言了零质量的南部-戈德斯通（Nambu-Goldstone）粒子，这是连续整体对称性自发破缺的直接后果，常称为戈德斯通定理。 1961年南部与其博士后约纳–拉西尼奥（G. Jona-Lasinio）把这个机制应用于强作用的低能有效理论，分析核子（整体）手征对称性的破缺，导出了产生核子质量的能隙方程，并成功解释了π介 子 作为赝南部-戈德斯通玻色子为什么其质量比核子更轻。南部发表于 1960年的另一篇文章中研究了超导中的电磁规范不变性问题，然而他没有注意到规范对称性的自发破缺，即著名的迈斯纳效应（Meissner effect）实质上是超导体内光子因电磁规范对称性自发破缺获得了质量，致使外磁场进入超导体时发生指数衰减。应该说，当时南部是距离发现”希格斯机 制”和”希格斯玻色子”最近的理论家，他只差一小步，非常遗憾他错过了这一宝贵机会，否则这两个学名应该为”南部机制”和”南部玻色子”。在相对论量子场 论中，导致连续整体对称性自发破缺最简 & &单的实现是考虑可重整化的标量场?的势能函数 V（?）=-μ2|?|2+λ|?|4， 这里假设它的二次质量项与四次自作用项反号，就必然导致势函数在基态(能量最低态)偏离原点，位于非零真空期望值&? &≠0。沿着简并真空基态的激发产生所谓的零质量南部-戈德斯通玻色子，而沿着?场的径向激发就产生质量不为零的希格斯玻色子。注意到标量势函数 V（?）具有某种连续整体对称性，而系统的真空基态因标量场凝聚&? &≠0导致了对称性自发破缺。值得强调的是，希格斯场产生的凝聚&? &≠0遍布整个宇宙真空。在真空中传播的粒子（如弱规范玻色子尧夸克和轻子）只要与希格斯场有恰当的耦合，就可以因”粘滞”效应变慢速度并获得非零 质量。
& & & & 在 1964年左右，三个研究组独立地研究了这个标量场耦合到规范场的后果，结果他们吃惊地发现：零质量的南部-戈德斯通玻色子转换为规范场的纵向极化分量， 从而使规范场获得了非零质量。这是一个简单而美妙的机制，一箭双雕：既消除了严格零质量的南部-戈德斯通玻色子，又同时使规范粒子获得了质量，变成短程作 用力。这就是著名的希格斯机制。温伯格（Steven Weinberg）在他 1967年的经典论文中首次将希格斯机制引入电弱相互作用，产生弱规范玻色子质量，奠定了电弱统一理论。注释茵的文献中有六位理论家，由于历史的原因这个 机制以英国理论家希格斯的名字命名。
& & & & &他们的文章并没有研究费米子质量的产生。标准模型中费米子质量是通过与希格斯场的汤川相互作用（Yukawa interaction）而产生的，这在 1967年温伯格的论文中首次给出。正是因为标准模型的希格斯粒子同时给出弱规范玻色子和所有费米子（夸克尧轻子和中微子）的质量，才成为名符其实的”上 帝粒子”。因此预言”上帝粒子”的主要功劳属于温伯格。然而，汤川相互作用也是标准模型中最不令人满意的地方之一，其任意性太大，每一种费米子都有独立的 汤川耦合常数，它作为自由参数，只能通过输入费米子质量的实验值来确定。 1973年小林诚（Makoto Kobayashi）和益川敏英（Toshihide Masukawa）表述了标准模型三代费米子质量矩阵对角化诱导的带电弱规范流包含的 3╳3混合矩阵，揭示其中存在唯一可观测悦孕相位，成为标准模型的一个关键点，获得实验证实（2008年获诺贝尔奖）。
& & & & 需要强调的是，标准模型希格斯场的非零真空凝聚&? &由弱作用中著名的费米常数 GF唯一确定：&? &=（23/2G F）-1/2=174 GeV。这恰好是弱规范玻色子质量的尺度，即 102&GeV量级。费米常数 GF是标准模型中唯一具有质量量纲的参数，在标准模型中，希格斯场的一个基本特征是保证高能散射 S矩阵元的幺正性（对应于量子概率守恒），由此幺正性可进一步导出希格斯粒子质量的上限为（32π/3）1/2&? &=1 TeV（太电子伏）。这个上限刻画电弱对称性破缺机制中新物理应该出现的尺度。这也是为什么 LHC的对撞机能量要设计在 TeV能量尺度的原因，因为必须确保发现或排除希格斯粒子，并探索电弱对称性破缺机制的新物理。
& & & & 我的研究组 2012年春研究了标准模型电弱规范群的一个最小推广 SU（2）╳SU（2）╳U（1）（称为 221模型），包含两个 SU（2）规范子群，除了给出 125 GeV质量的轻希格斯玻色子之外，还预言了超标准模型的新规范粒子和第二个较重的电中性希格斯粒子，给出其质量上限为 1.5 TeV。我们发现新规范粒子与希格斯粒子的”共同参与机制”，它保证理论的幺正性。
& & & & 在电弱理论中引入希格斯机制的另外一个关键点在于使其量子化后的理论成为可重整化，即在微扰圈图展开的每一阶，都可以系统地消除圈图的紫外发散，而无需引 入树图拉格朗日量（Lagrangian）以外的新抵消项。电弱统一理论量子化与重整化由理论家特霍夫特（Gerard 't Hooft）和费尔特曼（Martinus J. G. Veltman）在 年间首先完成（1999年获诺贝尔奖），标准模型由此成为粒子物理学的正统理论，并成功经受了大量实验数据的精确检验。
& & & & &标准模型自旋为 1的弱规范玻色子获得质量的一个本质特征就是，除了通常的两个横向极化物理自由度外，其纵向极化分量成为一个新的可观测物理自由度。规范对称性自发破缺机 制（希格斯机制）可以利用 S散射矩阵元通过一个斯拉夫诺夫-泰勒（Slavnov-Taylor）恒等式进行定量表述。理论的规范不变性要求弱规范粒子的非物理标量分量与被该规范 粒子”吃掉”的南部-戈德斯通玻色子发生”囚禁”，从而对物理 S矩阵元不产生任何可观测效应，这恰恰是对希格斯机制的定量刻画。在高能极限下可以证明，弱规范玻色子纵分量的散射振幅与相应南部-戈德斯通玻色子散射振 幅等价，这一重要性质称为”等价定理”（equivalence theorem）。这也为在 LHC上通过测量弱规范玻色子纵分量的散射探测电弱自发破缺机制中南部-戈德斯通和希格斯粒子的相互作用机理提供了定量的理论基础。另一个问题是关于标准 模型中费米子（夸克、轻子和中微子）的质量产生，这是通过希格斯粒子与费米子的汤川相互作用实现的 ,而不是通过规范作用力。至今尚无可信的基本原理迫使希格斯粒子一定与费米子耦合，因此费米子完全可能通过其他新物理机制获得质量，但是这个新物理的标度 是多大？我与合作者通过包含费米子的 2→n散射（n表示末态出射粒子数）过程进行了普遍分析,导出了所有费米子质量产生标度的新上限为 3~170 TeV，均在 TeV能区。这为设计下一代强子对撞机以探索所有费米子质量的产生机制提供了可靠的理论基础，比关于费米子质量产生标度的传统上限大大增强。对于电子质量 产生的标度上限，我们的新结果比传统结果增强了 200万倍。
探索上帝粒子的踪影
&& & & && 自从标准模型的理论结构于 1970年代初完全确立到 2011年底，粒子物理学家对此进行了长达 40年的探测，取得了一系列重大发现，其中所有规范玻色子于 1983年发现完毕，所有三代费米子于 2000年发现完毕。最神秘的是自旋为零的被称为”上帝粒子”的标量希格斯玻色子，最难探测。 2011年 12月 13日 LHC的实验家们终于捕捉到了疑似希格斯粒子的蛛丝马迹，表明双光子衰变道在 125~126 GeV区域有明显事例数，比背景超出大约 3个标准偏差。 2012年 7月 4日，在 LHC于 8 TeV对撞能量重新运行大约 3个月后，实验家们激动地报告了进一步数据分析结果，}