欧核中心既发现上帝粒子又发现超对称

欧核中心既发现上帝粒子又发现超对称

──非线性希格斯粒子数学讨论（12）

王用道

摘要：粒子物理迎来革命时刻，但21世纪的今天，欧核中心发现了希格斯粒子和超对称，却不敢承认它，或许在相当长一段时间内也不敢承认它，为什么？

关键词：电子 量子数 希格斯场 大量子弦论

光电效应是光波连续说和物质原子不连续说之间冲突的战场，19世纪末20世纪初一批伟大的科学家，如赫兹、密立根、普朗克、爱因斯坦等，他们虽然已经亲自做出了伟大的科学发现，如发现了革命性的量子和光量子概念，但都不敢承认或相当长的一段时间里不敢承认。这种事例同样发生在21世纪的今天：欧核中心是世界上独一无二最大的高能物理研究机构，使用的是世界上独一无二最大的高能粒子对撞设备，做出了如今世界上独一无二的最大的科学发现，发现了希格斯粒子和它的超对称，但也不敢承认或许在相当长的一段时间里也不敢承认。

为什么？我们有何依据说既发现上帝粒子又发现超对称？且看以下分解。

一、电子粒子超对称的量子化之路

科学发达到今天，要观察到希格斯粒子，也来之不易，或代价不菲。如欧洲核子研究中心简称欧核中心（CERN），它的粒子物理实验室中，数千名研究人员与造价高达55亿美元的大型强子对撞机（LHC）的原子加速器相伴，借助ATLAS和CMS两台巨型粒子探测器发现了希格斯粒子也没有勇气承认。这不奇怪，重庆出版社2012年出版翻译的[英]曼吉特•库马尔的《量子理论》一书中，就讲过类似的情况。

1、1887年赫兹在实验中首先无意中观察到了光电效应，但对这个全新的现象，他拿不出任何解释，却错误的认为仅限于使用紫外光的情况。到1900年著名物理学家普朗克提出了伟大的量子解释，但到1909年和1913年时，他仍然认为，量子之说只是在物质与辐射进行交换过程中才有必要；包括所有电磁辐射，并不是以量子构成的，它只是在与物质交换能量的时候，表现得像量子。

1）1905年爱因斯坦虽然进一步提出了具体的光量子解释，但爱因斯坦本人在他的这篇论文中，也只是说光“表现得”它像由量子构成的一样。库马尔评论说，这是因为爱因斯坦想表达的，决不仅仅是一个“启发性的观点”，他梦寐以求的是一个羽翼丰满的理论。所以到1922年他被授予迟来的1921年诺贝尔物理奖时，虽然奖给他的是1905年的光量子解释，但授奖解说词是他关于光电效应描述的公式法则。这还是由于有密立根，坚持不懈地用了10年功夫测试爱因斯坦1905年的那个光量子解释所做的那些实验，再想忽视爱因斯坦的光电方程的有效性已经变得很困难了。但密立根虽然用实验证实了光量子解释，然而到1923年他由此获得诺贝尔物理奖时，在他自己得出的数据面前，也不愿意接受作为其前提基础的量子和光量子假说。他说这个方程所建立的物理理论基础，是完全站不住脚的。

2）同理，即使2012年的诺贝尔物理奖，授予希格斯和欧核中心因既发现上帝粒子又发现超对称，那么欧核中心也会像如今一样犹豫：不能确信既发现了上帝粒子又发现超对称的。因为这像伟大的科学家赫兹、密立根、普朗克、爱因斯坦，像伟大的科学发现量子和光量子一样，在他们用实验证实希格斯场公式E=M2h2+Ah4得出的自己的数据面前，也许他们仍然觉得希格斯在1964年表达的质量起源的希格斯场，如希格斯海是通过施加“阻力”而速度减少来构成基本粒子的各种实现物质的质量的观点，仅仅是一个“启发性的观点”，而不是人们梦寐以求的是一个羽翼丰满的理论。    事实也是这样，自希格斯推出希格斯场理论的近50年来，主流科学家们对希格斯场理论并没有多大改进，连一个减少基本常数的物质族质量谱公式也没有搞出来；和玻尔-卢瑟福的电子能级核式弦图模型影响相比，是比不上的。甚至连伽莫夫也不如；伽莫夫还能在卢瑟福“原子对撞机”类似的实验基础上，搞出量子隧道效应理论。

3）卢瑟福的“原子对撞机”是用α粒子探索原子的内部结构，但在研究铀一类放射性物质的α衰变时，碰到一个问题：α粒子是带两个正电荷的粒子，在距原子核中心3×10-12厘米处，库仑力将形成一个高达20MeV的势垒，这个库仑势垒将阻止核内的任何α粒子向外射出，因为由计算得出的α粒子的能量，大大地小于这一势垒的高度。但是，α粒子却能源源不断地从铀核发射出来，这怎么可能呢？这个卢瑟福觉得难以解释的现象，后来却被伽莫夫悟出了玄机：伽莫夫将这种微观世界的势垒穿透现象，叫做量子隧道效应。隧道效应成功地解释了α衰变，成为量子力学研究原子核的最早成就之一。而早在卢瑟福搞“原子对撞机”实验之初，卢瑟福和他的学生玻尔，就相继挖空心思地搞出核式弦图那样的电子行星般，绕核转动模型，和把围绕原子核运动的电子轨道半径能级，看成是只能取某些分立数值的角动量量子化、量子数的理论。

2、退一步说，即使希格斯和欧核中心的科学家比得上像玻尔和卢瑟福一样的伟大和英明，但玻尔和卢瑟福最初的核式弦图的理论和模型，也是可以修正的。与此相比，难道希格斯和欧核中心的科学家，他们最初搞出的希格斯粒子理论和模型不可以修正？库马尔的书中讲述了前者的这个修正过程，他说的道理是：“需要是发明之母”。

1）例如，玻尔的围绕原子核运动的电子轨道半径能级，只能取某些分立数值的角动量量子化理论的原子模型，是利用被释放出来的X射线的频率来确定原子核中的电荷的。由此，1910年索迪提出，从化学上无法区分的放射性元素，即他称的“同位素”，只是同一种元素的不同的形式，应该归在元素周期表中的同一个格子里。但这种想法，与周期表中已有的元素组织排列规则相违。

因为，已有的元素是按照原子重量的升序排列的。其次，莫斯莱发现，从钙到锌之间每一种元素，随着所轰击的元素越来越重，所释放出来的X射线的频率也相应提高。由于每种元素都会产生出它自己独一无二的一组X射线光谱线，而且元素周期表中相邻元素之间的X射线光谱线都非常相近，以此为据，莫斯莱预测还应存在原子序数为42、43、72和75这几种尚未找到的元素。后来这四种元素都找到了。这说明玻尔的量子化原子的分立能级、分立轨道是光谱线来源的理论和模型还不完善。

2）因为即使玻尔的量子化原子理论成功，但对不止一个电子的原子来说，它所提供的答案就不能与实验相符。只要有一条多出的新光谱线，即使引入某项新定的规则，也不能解释。即玻尔的量子数模型也要面对质疑，这就不用说希格斯和欧核中心科学家的希格斯质量模型，还没有一个量子数量子化的理论或图示，这难道不会面对质疑？

特别是1892年，经过改进的实验设备，显示氢元素光谱线中，红色的阿尔法线和蓝色的伽马线等巴尔末线，都根本不是单线条。这两种线，每种都一分为二。这些线到底是不是真正的双线，那20多年中，一直悬而未决。

3）但玻尔无法用他的量子化原子模型来解释上面那种一分为二的“精细结构”时，索末菲站出来修正了。他取消玻尔把电子限定为，只沿着原子核周围的环形轨道的限制，改为允许电子沿椭圆形轨道运动。由此，即从玻尔的圆对称，走到了被作为索末菲的椭圆超对称中的一个特殊类型，圆形电子轨道只是所有可能的量子化椭圆轨道中的一个亚类而已。由此看，玻尔模型中的对称量子数n，只是规定了一个稳定态，即一个允许的环形电子轨道，以及相应的能量层级。其中n的值，还决定了特定环形轨道的半径。但是要对一个椭圆形进行定义，就需要两个数。

于是索末菲引入了k这个量子数，来对椭圆形轨道的形状进行量子化。在椭圆形轨道所有的形状中，k决定了当n是某一个特定值时，都有哪些形状是可以有的。

3、但这时，索末菲的量子化量子数超对称的道路并没有完。在索末菲的超对称的量子化量子数模型中，n只是主量子数，它决定k所能具有的各种值。例如，如果n＝1，那么k＝1；当n＝2时，则k＝1和2；当n＝3时，则k＝1、2和3；在已知n的值情况下，k就等于从1开始的每一个整数，直到并包括n本身的值。可见这下单个电子运动轨道的自由度有多么大。而且只是当n＝k时，它的轨道才永远都是正圆形。

1）如此，氢原子处于n＝2的量子态时，它唯一的一个电子可以要么处于k＝1的轨道，要么处于k＝2的轨道。当n＝3的状态时，这个电子可以占据三种轨道中的任何一个：即n＝3且k＝1，椭圆；n＝3且k＝2，椭圆；n＝3且k＝3，正圆。由此联系欧洲大型强子对撞机里的瞄准仪的吸纳装置产生的粒子碎片雨，可想那里的各种夸克和希格斯粒子等等的各种基本粒子的运动轨迹，虽然多样，也是有量子化量子数的规律可循的。我们的网文《统一基本粒子系和原子系弦学之桥》里，用希格斯海巴拿马运河船闸-马蹄形链式量子数轨道弦图，就作过探讨。这后面再说。

总之，在玻尔模型中n＝3就只是一个正圆形轨道，但在索末菲修改过的超对称的量子化原子中，就有三种可允许的轨道。这些多出来的稳定态，也就可以解释巴末尔系列中光谱线一劈为二的现象。而且索末菲为了说明光谱线分裂问题，还借助沿椭圆轨道运动的电子朝原子核方向运行时，速度会提高，从而导致电子的质量增加一个非常小的能量变化。在n＝2的状态下，k＝1和k＝2的两条轨道上的能量是不同的，因为k＝1是椭圆形，而k＝2则是正圆形的。能量的这点差别，就产生了两种能量层级，因此就有两条光谱线。而在玻尔的对称模型中，只预测出了其中的一个。

2）但玻尔-索末菲的对称-超对称的量子化原子，还是不能解释下面的塞曼的磁场效应和斯塔克的电场效应等另外两个现象。

塞曼效应指1897年塞曼发现，在一个磁场中，单独一条光谱线分裂成了若干条不同的线或者部分；但一旦把磁场关掉，分裂现象就消失了。1913年斯塔克又发现，当把原子放在电场中时，单独一条光谱线也分裂为好几条光谱线。玻尔-索末菲的对称-超对称的量子化原子理论不能解释的原因，是因为他们开初所想象的轨道，不论是正圆形的还是椭圆形的，都是铺在同一个平面上的。当索末菲后来试图解释塞曼效应时，他意识到，轨道的运行方向是一个至关重要的环节，但却被疏漏了。

在磁场中，电子可以选择更多的允许轨道，这些轨道都指向磁场的各个方向。于是索末菲引入他所称的“磁”量子数m来把那些轨道的方向进行量化。在已知一个主量子数n的值的情况下，m的值只能在-n到n的范围之内。例如n＝2，那么m就可以有如下几个值：-2，-1，0,1,2。索末菲搞的这种对电子运行轨道方向的量子数，称作“空间量子化”，这也是一种超对称，并且于5年后的1921年通过实验得到确认。

3）索末菲的超对称是不得已，才引入的两个新的量子数k和m的。由此有人也解释了斯塔克效应，认为它是由于存在电场，能量层级之间的间隔发生变化而产生的。这样一来，能态就是分别用三个量子数n、k和m在表示。由此联系希格斯场产生各种夸克的质量值的6个算式中，有（1×1）和（1×1）、（1×2）和（1×2）、（1×1）和（1×2）、（2×5）和（2×2）、（2×3）和（4×4）、（3×3）和（3×4）等量子化配对的超对称组合，也类似不得已而设置首部量子数S、尾部量子数W和生殖量子数f一样。希格斯粒子超对称量子化之路的这种不得已，也属“需要是发明之母”。

二、上帝粒子超对称的量子化之路

研究希格斯粒子的超对称，我们经历过从核式弦图到链式弦图的两个阶段。

吴新忠博士说，质量谱公式，有点像开普勒的柏拉图正多面体太阳系模型，其实是对称性的内在结合，但考虑动态细节，一般是行不通的；用各种粒子的实测质量去试探，很难确定其参数。而所谓真空撕裂，我不太相信是宇宙大爆炸初期希格斯粒子海洋的粒子跃迁，而是基本粒子内部尚未观察到的内禀空间的折叠突变过程，质量倾角，可能就是内部折叠的一些角度。粒子碰撞会改变某些粒子内禀空间的折叠方式，于是就观察到新粒子了。吴新忠的争论，实际他没有看到我们求质量谱公式中的主量子数过程。

因为探讨希格斯场与质量起源，首先要说明的是，希格斯场生成各种夸克的质量，与夸克生成质子和中子等粒子的质量是不同的。这种不同，类似说你是人，但你是从你父母亲生出来的，与人是从猿变成来的不一样。这是两个层次。人从父母亲生出，指的是现代层次；类似宇宙起源大爆炸时的空间撕裂，是起源层次。

现代层次如《三旋理论初探》一书说：把质量看成图形的映像，联系黎曼切口平面摩擦撕裂映象的希格斯粒子，这种希格斯玻色子一旦产生，寿命会非常短，人们无法直接观察到，只能通过探测希格斯玻色子衰变成的其他粒子，间接获得其线索。

起源层次标准模型说得很明白：它说夸克是一个标准的点粒子，是不可再分的。它是有质量的，这在实验中已经发现了。如果要解释它的质量，就需要假设有希格斯粒子的存在。这个希格斯粒子实际上就是一种对世界如何生成的猜想，不是说它必须要存在。

假如夸克以下有更深层次的存在，那就不需要希格斯粒子了；如果它有下一层，那就有下一层粒子的质量和结合能，也就可以解释夸克的质量了。即假如夸克有下一层结构的话，就不需要希格斯粒子来提供能量了。现在理论认为，在宇宙大爆炸的时候存在希格斯场，产生的夸克与希格斯粒子相互作用，就获得了质量。有了质量后，才可以演变成现在这样的宇宙。这是需要希格斯粒子的。这实际说的是“有生于无”。因为空间是真空，本来是个“无”；如果是极小的0点，就是没有东西的。但实验证明空间能撕裂，只不过它要很高的能量。所以这实际是一种镜对称，即无限小，实际是配合著无限大，类似无限小分数的倒数。正是从这里开始把质量联系玻尔-卢瑟福的核式弦图的。

1、玻尔-卢瑟福的核式弦图求解光谱线公式，首先要解决主量子数n。联系质量谱公式的主量子数N，实际类似日本小林诚和益川敏英，基于卡比博的一次“分代”思想，而提出在强相互作用中存在有三次“分代”的思想。但我们中国的“三旋理论初探”研究，分类排出物质族基本粒子质量谱主量子数N＝1、2和3，不是基于或参照卡比博、小林诚和益川敏英的思想。众所周知，撕裂可联系断裂力学，有裂纹分类。

1）断裂力学研究裂纹，可以使用材料力学、弹性力学、塑形力学的知识，分析裂纹如何形成、扩展以及如何发生断裂。这里因涉及夹杂等材料结构缺陷，裂纹应具有不确定性。以薄板材为例，按裂纹的一种几何分类方法，裂纹可抽象化分成深埋裂纹、表面裂纹和穿透裂纹等3类。但这其中的每一类也很复杂。以穿透性裂纹为例，裂纹从板的左边到板的右边，它所受的又可以有很多种。如有上下张开撕裂的张开型裂纹；前后推开撕裂的滑开型裂纹；左右错位撕裂的撕开型裂纹等三种。

2）张开型裂纹为I型裂纹、滑开型裂纹为II型裂纹、撕开型裂纹为III型裂纹是从通俗命名过度到了学术命名。即裂纹的分类：表面裂纹、深埋裂纹、穿透裂纹，是从裂纹发生的位置、几何形状上定义的，而I型，II型，III型是着重从受力特征上定义的。

这两种定义是从不同的角度对裂纹的分类；其次，I，II，III型裂纹都是对穿透型裂纹而言的；再次， I型裂纹是正应力破坏；II型， III型裂纹是剪应力破坏；但是III型裂纹的剪应力和II型裂纹剪应力方向不同，II型裂纹平行于裂纹扩展方向，III裂纹则垂直于裂纹扩展方向。同样条件下，哪种裂纹的破坏性最强呢？

在工程实际中，结构的受力方式是非常复杂的，复合裂纹的情况也太多。然而联系质量起源，到底要裂纹虚拟什么？这里要裂纹虚拟的是弦，是能量、质量，是希格斯粒子，即裂纹弦其大小是质量荷的大小。裂纹弦并不意味着单个粒子或单个作用，而是通过裂纹弦的不同的振动模式，表示粒子谱系列作用的统一。对于某种振动模式，这种振动模式可用诸如质量、自旋之类的各种量子数来刻画。裂纹弦的基本思想是每一种裂纹弦的振动模式，都携带有一组量子数，而这组量子数与某类可区分的基本粒子是相对应的。这样，我们就联系上夸克；而且从体会上面的 I、II、III型裂纹弦的划分中，也可逐步来设想夸克粒子质量谱计算公式的分代等问题。

3）我们先是以玻尔-卢瑟福的核式弦图的三个同心圆来图示夸克质量谱系列的一组裂纹弦，这类似求解光谱线公式和复合裂纹弦应力断裂公式的相结合一样。这里希格斯海也像能量层级的弦梯；这架希格斯弦海梯子的最低一个梯级为n＝1，这时电子处于第一轨道弦，这就是最低能量的量子弦态。对氢原子来说，最低能量希格斯梯海能量层级态称为“基态”。如果电子占据着除n＝1以外的任何其他轨道弦，那么这个原子就被称为处于“激发态”。这就是：