希格斯机制并不具有合理性(专题三)
2012-09-29 10:11:23
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——就希格斯玻色子致全球知识界的公开信(三)

作者  苟文俭

对物理理论表述的合理性,世界著名的理论物理学家温伯格(S.Weinberg)于1974 年就提出了这两个标准:(1)要自然,它包含的参量不是手放进去的,而是可计算的;(2)要现实,它的预言要能够得到实验的验证。

物理理论描述对象都实际存在,这就决定了物理理论描述的每一件事、以及演绎所得的每个结果,“都是真实的自然而然的”。因此,“要自然”与“要现实”理所当然就是判定物理理论合理性最根本的标准。

对一个离开了描述对象实际存在的物理理论,它的数学表述当然无任何实际意义。

希格斯机制是具体由希格斯场与物质场的汤川(Yukawa)耦合表述的物理理论,是SM的关键内容,判定其合理性的根本标准,当然也就应当是如上温伯格所述的“要自然”与“要现实”。

(一)

上世纪60年代中期,苏格兰物理学家希格斯(P.Higgs)提出希格斯机制的目的,就是为了在使用Yang-Mills场描述电弱作用统一时,实现电弱作用对称破缺:使在SU(2)对称表述中使用的弱规范粒子获得质量,形成弱作用的短程性,而在U(1)对称表述中使用的光子质量仍为零,与电磁作用无限长程性相符。

希格斯机制中,真空普遍存在非零期望值的希格斯场,它有四个自由度,在用SU(2)×U(1)群表述的电弱作用对称性破缺中,有三个自由度被弱规范粒子吸收,成了质量很重的中间矢量玻色子W±及Z0,余下的自由度即是H粒子。

特别说明:(1)虽然希格斯场不等于H粒子,但由于H粒子是希格斯场的一部分,它们必然“同生共亡”;这就如电磁场有三维矢量势A与一个标量势Φ,电磁场不等于Φ,但电磁场与Φ必然“同生共亡”的存在相同;(2)由(1),H粒子的寿命也就应当与希格斯场的寿命相当,希格斯场形成粒子质量的汤川耦合过程,自然也就会与H粒子寿命相当。

由此就自然有如下合理结论:

有汤川耦合形成粒子质量的地方,必然有H粒子;希格斯机制中汤川耦合形成粒子质量过程,都应当与H粒子寿命相当。

希格斯机制的数学表述要引入非零真空的平均值ν,及构成H粒子质量的希格斯场自作用耦合系数λ。但希格斯机制自身无法确定ν、λ的取值,如果要让ν有确定值,对相关的其它一些原始参量就必须做无法想象的精细调整,使它们都成了完全是由“手放进去的”;对此一般就称是SM的自然性问题。

另外,SM的希格斯机制还有如下更严重的问题:(1)希格斯场自作用的累积必然导致H粒子质量为无限大,而且参数λ也总是要随作用体系能量标度的变化而变化,即使不考虑希格斯场自作用的累积,也只能根据演绎的要求估计H粒子质量;(2)无法由希格斯机制得到轻粒子质量;(3)如果要使用希格斯机制计算不同粒子质量,对每一个粒子就还必须引入一个与质量成正比的待定耦合参数,这样的待定参数不仅都完全由“手放进去的”,其数目也比质量未知的粒子个数还多;(4)对希格斯机制形成质量的所有过程,都不能做有唯一确定结果的计算,不能进行完全有效的数量化表述。

非常清楚,希格斯机制虽然满足了SM演绎的需要,也成功给出了粒子质量的唯象解释,但依据温伯格的上述两个标准去考证,它根本就不具有任何合理性。

(二)

为了解决希格斯机制的上述不合理性,天才的粒子理论家们便提出了一些改善SM及希格斯机制的新物理模型,基本思路就是引入突破SM的新观念,具体可以分成如下两类:

1、在SM原有的规范对称基础上再添加超对称(SUSY)。这是一种玻色子与费米子整体规范变换不变的对称,由此创建的新模型就统称是超对称新模型。

引入了超对称后:(1)可以把SM无法描述的引力包揽在同一个数学体系,可实现四种作用强度统一;(2)超对称伙伴粒子对费曼图闭合圈的贡献大小相等,符号相反,这就自动解决了SM中因此形成的发散困难;(3)能够使H粒子的质量稳定在可观测的费米能标(大约100GeV);(4)在宇宙学领域可以实现宇宙初期的暴涨,这就抹平了大爆炸带来的不规则性,从而消除了关系到传统宇宙大爆炸理论生死存亡的一块心病;(5)演绎给出了电中性的长寿命超对称轻粒子,据称这就为宇宙暗物质粒子提供理想的候选者。

在所有超对称新模型中,最受关注的是MSSM(最小超对称标准模型),它只含有最基本的粒子谱,在标准模型的基础上引入的新参数也最少,但满足演绎需要的是十个H粒子:两个带电、三个为电中性,另还有五个超对称的希格斯微子。

SUSY SM(超对称标准模型)的H粒子都是一组,有多个,而非SM中的一个。

所有SUSY SM都有如后这四个明明白白的问题:(1)它克服的所有疑难都出自SM的数学演绎需要,并非出自SM描述的粒子动力学的实际存在;(2)现实所有粒子的超对称伙伴粒子,因为质量极大而不可验证;(3)在低能标再回到SM时,那些难以解决的困难、非实在性的丑陋本质仍然存在;(4)在高能标,它的人为性及不可计算程度远远超过了SM。

2、在突破SM的研究中针对某个不可克服的疑难,对量子场或粒子存在添加某种新内容,再通过对SM的数学表述自身的调整来克服它的该疑难。这种不使用超对称观念创建的新模型,针对的是某个特定的专门问题,就称是专题新模型。

如最近美国的斯塔克曼(G. Starkman)等四人就共同提出了修正SM的一个设想,其要点是:把希格斯场的四个自由度视为四个粒子,H粒子是其中的一个,其余三个粒子在弱作用尺度下被“吃掉”、与弱规范粒子合并成了W^±和Z^0,再使用戈德斯通定理(Goldstone’s Theorem),通过恰当的数学处理就避免了H粒子质量的二次发散,这样就解决了SM中因H粒子质量问题构成的危机(符号“^”表示上标)。

所有专题新模型也都有如后这两个明明白白的问题:(1)假设的某种新内容所依据的,既非SM的第一性原理,也不是实验观察事实,完全是由“手放进去”的人为假想;(2)这样的人为假想只能消除SM的某个特定问题,既不能解决SM的所有不可克服疑难,更不能对它非实在非的丑陋本质有任何改善。

上述这些明明白白的问题都证明:为了克服SM及希格斯机制不合理性的所有新模型,它们完全由“手放进去”的东西及不可计算的内容,与SM相比不是减少了,而是增多了,根据“要自然”与“要现实”的标准,它的不合理程度不是降低了,而是更高了。

(三)

当今物理学的主流对希格斯机制还有如下重要描述内容。

1、对形成粒子质量的物理机制普遍解释是:由于带电轻子、夸克等所有这些粒子游弋在了希格斯场的“海洋”,它们的物质场与希格斯场就会发生的汤川耦合中粒子会受到“拖拉”,从而就构成了粒子的物质惯性,因此也就使粒子获得了质量。

2、SM中粒子质量有这两个部分:(1)所有基本粒子的自有质量,它形成于希格斯场的汤川耦合;(2)在相互作用中,由拉格朗日量决定的能量构成的质量。

在强子质量组成中,上述(2)的部分都超越了(1)的部分。

3、希格斯场与能量场的耦合是禁戒的;这也是电弱作用对称破缺的依据。

4、汤川耦合赋予粒子质量的使命早在宇宙大爆炸开初就已经完成,现在我们只有在高能粒子对撞机中模拟宇宙开始时刻,才能使H粒子在实验室“复活”。

对希格斯机制的上述重要描述内容,都与如下所述的可观察事实完全相悖。

1、以实际的原子运动为例:它运动是原子整体位置移动,它的惯性即表现为阻碍原子整体运动的变化,而构成粒子质量的汤川耦合是对组成原子的每个粒子而言的,都只能是原子的内力,由力学基本规律它就绝对不可能阻碍原子整体运动的变化,这与原子内的电磁作用不会阻碍原子整体运动变化的道理相同。即希格斯机制构成质量的机制、与受力物具有惯性的事实严重相悖。

    2、依照宇宙大爆炸理论,大爆炸开始的“奇点”空间线度趋于零,什么结构都没有,大爆炸生成的只是一团能量,而希格斯场与能量场耦合是禁戒的,由此显而易见的结论是:宇宙物质不可能有由汤川耦合构成的惯性,这就与我们观察到的宇宙事实完全不符。

另一个事实是:高能粒子对撞中的能量可以毫无阻碍地转变成有惯性的粒子固有质量,这也就与希格斯场不与能量场耦合的理论描述完全矛盾。

3、由狭义相对论,粒子因运动增加的质量也有惯性,但此时粒子固有质量不增加,增加的运动质量都实现于动能,属于相互作用能的部分,但它并不形成于希格斯机制,因此运动质量也就不可能有惯性。这也就与运动质量有惯性的事实严重相悖。

4、以重轻子μ±的衰变为例。SM描述的事实是:只有实验室的μ±衰变中,才会有希格斯场使电弱作用对称破缺。因此,说汤川耦合赋予粒子质量的使命宇宙大爆炸初就已经完成,与电弱统一理论的描述事实完全相悖。

由于希格斯机制的重要描述内容均与相关的事实完全相悖,这就证明它并不是粒子形成质量的实际过程,由此的合理结论即是:为了满足SM演绎需要的希格斯机制,实际只不过是理论家们的人为加工品而已。

(四)

粒子质量并非形成于希格斯机制,还可以用J/ψ介子衰变这样的实验事实来证明。

我们知道,J/ψ介子近200种衰变道所产生的,有正、反重轻子e、μ及质子p,它们的总质量差异很大,但从主流粒子理论考察:(1)J/ψ介子衰变的真空条件相同,即希格斯场相同;(2)都实现于带电中间矢量玻色子W^±,质量场也都相同。如此相同的希格斯场与质量场的汤川耦合结果(即粒子总质量)也就应当相同,即来自W^±的粒子总质量都相同,但与实验事实完全矛盾。这就证明粒子质量并非形成于希格斯机制,H粒子当然子虚乌有。

当代主流的粒子物理学,除了对上述基本事实置若罔闻以外,对希格斯机制的理论表述也还没有遵守最起码的逻辑常规。如在电弱统一理论中,为了实现电弱对称破缺,希格斯场与能量场耦合是禁戒的,但在大爆炸产生宇宙时,这种耦合确要允许发生。这种依照理论家的主观需要,对要表述的内容做完全矛盾的人为规定,就是不遵守最起码逻辑常规的典型例证!

基本事实无法否认,最起码的逻辑常规必须遵守。但作为当代主流的希格斯机制却是逆行其道,它自身不仅有一系列违背实际存在的事实、不遵守最起码逻辑常规的错误,而且还总是要把这些错误强加给当今人类社会,这不仅严重损害了理论物理的尊严与美妙,也造成了物理学观念的极大混乱及社会资源的严重浪费,对此我们决不应该视而不见!

                                    完成于2012-09-06 

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