物理学的善意谎言:解构希格斯场的流行类比(一)

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最近我在读一本名为《不可思议的海洋》的书,作者是一位物理学家。这本书在网上没有发现中文译本,于是我使用大语言模型进行翻译。虽然现在依然有人认为AI技术是泡沫,但在我看来,大语言模型在翻译和编程领域绝对是革命性的。

这是一本面向普通人的科普著作,但毕竟涉及物理学,即便让一个英语能力很强的人来翻译,因为他不具备这方面的知识背景,也很难说翻译得很好。但AI却能把这本书翻译到我大部分能够看懂的程度。至少看AI翻译好的内容比直接读英文原文要轻松得多。
这本书谈论的话题是关于希格斯玻色子的,也就是大众媒体上所称的"上帝粒子"。希格斯玻色子是粒子物理标准模型所预言的一种粒子。在10年前,它在LHC(大型强子对撞机)的实验中得到了证实,并在2013年获得了诺贝尔物理学奖。大众媒体给它冠以夸张的"上帝粒子"的名字,使得在基督教传统还比较深厚的西方人当中引起了不小的关注热潮。

既然引起了如此大的大众关注,科学家就有必要向大家解释什么是希格斯场和希格斯玻色子了。希格斯玻色子之所以被称为"上帝粒子",大众传媒告诉人们是因为它赋予了电子、夸克等基本粒子以质量。电子和夸克正是形成普通物质的基本粒子,若没有希格斯场,那么电子这样的基本粒子就会像光子一样,成为质量为零的粒子,也就不会有原子了。没有原子也就没有地球和我们人类了。

那么,希格斯场是如何使电子具有质量的?为了让这个深奥的问题能够被普通人理解,科学家们想出了很多的类比,但大致都和下面这个差不多。他们说希格斯场是一种像浓汤一样充满整个宇宙的"物质"(当然这个"物质"是打引号的)。它能和电子、夸克等基本粒子发生作用,但是不能和光子发生相互作用。所以光子在其中穿行的时候,就以宇宙速度的上限——光速运行,而电子和其他有质量的基本粒子在这个宇宙"浓汤"中穿行的时候,就会受到阻力而速度慢下来,这种阻力就表现为质量。

但作者说,这种类比仅仅抓住了现实的很小一部分。它借用了生活中常见的事物,确实更容易让人理解,是科学家的一个善意的谎言。其实类似的善意谎言在科普著作中非常多,比如黑洞的霍金辐射的解释也是一个和这种情况类似的善意谎言。

作者写这本书的目的,就是想用一种准确的类比来向大众介绍希格斯粒子和希格斯场是如何真正运作的。首先说一说这个广为传播的类比,也就是希格斯场是宇宙"浓汤"的说法,问题出在哪里?因为它挑战了物理学中可以说是非常神圣的原则,那就是伽利略的相对性原理。

伽利略的相对性原理由伽利略发现,由牛顿的运动定律发扬光大,是人类认识宇宙的进程中非常重要的一环。在伽利略发现相对性原理之前,人们一直被亚里士多德的想法所禁锢,认为静止是所有物体的归宿,而运动是需要力来维持的。事实上,这个结论与我们日常生活中的印象相符,是因为在我们日常生活中到处都存在着摩擦力。空气阻力也可以看成是一种摩擦力。

而伽利略和牛顿通过他们的深入思考和推理,认识到亚里士多德的观点是错的。匀速直线运动并不需要力来维持,它才是物体最自然的状态,而且运动和静止是无法区分的。就像伽利略的思想实验——伽利略大船:在一个没有窗户的船舱里面,如果船在平静的海上以匀速航行,无法通过在船舱中做实验而判断出船的运动状态是静止还是在匀速航行。进一步可以得出结论:所有的速度都是相对的,都取决于参照物。

但是这个原理在麦克斯韦发现电磁场的方程组之后受到了一定的挑战。也就是人们可以从麦克斯韦方程组中直接推出光的速度,从公式中看不出来光速是相对于哪个参照物的。于是人们根据自己的固有思维,假想了光是一种电磁波,那么电磁波的振动必然是某种介质的振动,于是假想出来以太这种物质。光是以太物质的振动,那么当观察者相对以太的运动速度不同的时候,波的速度会有轻微的变化。

但人类做出了各种精度超高的实验,都没有发现出在不同方向上光速的差别。最终由爱因斯坦彻底抛弃了以太的想法,恢复了伽利略相对性,创造了狭义相对论。同样的,如果希格斯场也是这样一种像以太一样的物质,充满整个宇宙,而且会对电子产生阻力,它同样会破坏伽利略的相对性原理。人们可以通过测量电子在其中以不同的速度运行时发生的行为上的差异,而判断出自己所处参照系的运动状态。

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