1、“一個(gè)電子會(huì)同時(shí)通過(guò)兩條縫隙。”
電子雙縫干涉實(shí)驗(yàn)已經(jīng)快百年了，其背后蘊(yùn)含的微觀世界的物理早已被人熟知，量子力學(xué)也經(jīng)過(guò)了各種其它實(shí)驗(yàn)的檢驗(yàn)，目前它的擴(kuò)展和應(yīng)用更是層出不窮。然而，因?yàn)槠胀ㄈ藢?duì)其所謂“直觀理解”的偏差和物理學(xué)界本身對(duì)量子力學(xué)詮釋上的爭(zhēng)論，使其蒙上了一層神秘的色彩，很多時(shí)候又帶著一層哲學(xué)味道。

早年對(duì)電子雙縫實(shí)驗(yàn)的理解，認(rèn)為其是大量粒子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，直至人類有能力讓電子或光子一個(gè)個(gè)通過(guò)。結(jié)果人們發(fā)現(xiàn)“單電子”也能產(chǎn)生干涉條紋。當(dāng)我們?cè)诳p隙后裝上儀器，試圖去“觀測(cè)”電子到底從哪條縫隙通過(guò)時(shí)，電子干涉條紋竟然“神秘地”消失了。

傳統(tǒng)的哥本哈根詮釋認(rèn)為“測(cè)量”本身會(huì)影響觀測(cè)系統(tǒng)，在沒(méi)有觀測(cè)前，電子波函數(shù)彌漫全空間，體現(xiàn)“波動(dòng)性”，所以有干涉效應(yīng)；當(dāng)我們?cè)噲D觀測(cè)電子“位置”時(shí)，電子波函數(shù)發(fā)生了所謂“瞬間塌縮”，被投影到某個(gè)位置空間，體現(xiàn)所謂“粒子性”，因此就沒(méi)有干涉了。

但這個(gè)解釋顯然不能讓人滿意。從“直觀理解”上講，這簡(jiǎn)直是“有點(diǎn)荒謬”的，作為沒(méi)有思想的“電子”，它怎么知道，我在觀測(cè)它？然后它會(huì)作出反應(yīng)，會(huì)發(fā)生所謂“塌縮”？而且還是“瞬時(shí)”的。更進(jìn)一步去深究，物理世界到底有沒(méi)脫離我們測(cè)量的“實(shí)體”？一旦測(cè)量本身會(huì)對(duì)結(jié)果有影響，那么我們所“認(rèn)知”或是“看到”的物理世界完全是“我們”或是“實(shí)驗(yàn)儀器”跟“客觀世界”共同作用的結(jié)果，“物理實(shí)在”在哪里？

特別經(jīng)過(guò)十幾年馬克思主義唯物論XN的國(guó)人來(lái)說(shuō)，沒(méi)有一個(gè)脫離“思維”、“觀測(cè)”、“儀器”存在的“客觀世界”是不可想象的。當(dāng)然我前面說(shuō)的都是“詮釋”腦洞大開(kāi)的結(jié)果，與量子力學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)都沒(méi)多大關(guān)系。但這個(gè)給人太多的理由攻擊和責(zé)難量子力學(xué)，到現(xiàn)在依舊如此。

我想說(shuō)現(xiàn)今的物理學(xué)家大多不去爭(zhēng)論這個(gè)問(wèn)題。管它哥本哈根多世界隱參數(shù)，能用的理論就是好理論。而量子力學(xué)就是這么個(gè)奇妙的東西，理論無(wú)比正確，實(shí)驗(yàn)無(wú)比精細(xì)，應(yīng)用無(wú)比廣泛，大家卻對(duì)其基本假設(shè)或解釋知之有限，而傳統(tǒng)的解釋卻又讓人感覺(jué)“荒謬”。以為這就完了？NoNoNo。下面我會(huì)再講一個(gè)更“奇怪”的東西:

2、“遠(yuǎn)到無(wú)窮遠(yuǎn)的糾纏。”

好了我來(lái)更新這個(gè)浪漫的物理了。大話西游那句經(jīng)典的話：“當(dāng)時(shí)這把劍離我的喉嚨只有0.01公分，但是四分之一柱香之后，那把劍的女主人將會(huì)徹底的愛(ài)上我：曾經(jīng)有一份真摯的感情擺在我的面前我沒(méi)有珍惜，等我失去的時(shí)候才追悔莫及，人間最痛苦的事莫過(guò)于此，你的劍在我的咽喉上刺下去吧，不用在猶豫了！如果上天能給我一次再來(lái)一次的機(jī)會(huì)，我會(huì)對(duì)哪個(gè)女孩說(shuō)三個(gè)字：我愛(ài)你，如果非要在這份愛(ài)上加一個(gè)期限，我希望是一萬(wàn)年！” 其實(shí)吧，從物理角度來(lái)看，0.01公分的距離還長(zhǎng)著呢，一萬(wàn)年？在宇宙的年齡中甚至連一眨眼都不是。但卻有某些粒子，從他們產(chǎn)生的那一刻，就注定無(wú)法分離，相守終身，即使他們飛到宇宙邊界，也永遠(yuǎn)糾纏在一起。

這就是糾纏態(tài)。

糾纏態(tài)是個(gè)神馬東西？其實(shí)挺好理解。假定在原點(diǎn)處有個(gè)自旋為0粒子的基態(tài)，在某個(gè)時(shí)刻發(fā)生衰變，出射出兩個(gè)自旋為1（要么上要么下）的粒子。根據(jù)量子數(shù)守恒，因?yàn)榭傋孕秊?，這兩個(gè)粒子自旋方向肯定是相反的。這些都沒(méi)有問(wèn)題，“糾纏”的問(wèn)題并不在這里。按我們“經(jīng)典”的理解，這兩個(gè)粒子好比左右手套么，總是配套的，一個(gè)左手的另一個(gè)就是一個(gè)右手的，一個(gè)右手的那么另一個(gè)就是左手的（愛(ài)因斯坦的理解）。但我想說(shuō)，這種理解是錯(cuò)誤的。而且被實(shí)驗(yàn)證明是錯(cuò)誤的。

什么意思？這里面有什么偏差？把這兩個(gè)粒子比喻成左右手套，意味著從分離的一剎那，他們的狀態(tài)就“確定”了。這有什么錯(cuò)？我先說(shuō)在量子力學(xué)中對(duì)這兩個(gè)粒子的理解：從衰變開(kāi)始，這兩個(gè)粒子的自旋是“不確定”的，他們是一個(gè)整體，不可分割，只有在我們通過(guò)“測(cè)量”確定其中一個(gè)粒子的自旋方向后，另一個(gè)粒子的自旋才能被“確定”。也就是說(shuō)它們之間似乎有一只“無(wú)形的手”連接，而這只“無(wú)形的手”竟然是“超距”和“瞬時(shí)”的。

等等，有人會(huì)說(shuō)，你這么說(shuō)，不過(guò)是解釋起來(lái)不同而已，聽(tīng)起來(lái)還是左右手套那種“確定論”靠譜一些，好像兩者描述的事情沒(méi)什么不同啊。這位同學(xué)，你很聰明。如果單從一個(gè)方向描述（一維），比如例子自旋的Z方向，兩種描述在物理上根本沒(méi)什么區(qū)別，反而后一種聽(tīng)起來(lái)更加“荒誕不經(jīng)”，什么？測(cè)量？什么？超距作用？那因果律呢？光速不能超越呢？想擱哪去？

但別忘了，這個(gè)世界是三維的。三維的意思，自旋在坐標(biāo)系下是有三個(gè)維度的。在我們”確定“一個(gè)粒子自旋時(shí)，我們觀測(cè)的方向只是粒子真實(shí)自旋方向在某個(gè)坐標(biāo)系下某個(gè)坐標(biāo)軸的”投影“而已，也就是說(shuō)我們一次只能測(cè)定x、y、z三個(gè)軸中的一個(gè)方向的自旋。那么問(wèn)題就來(lái)了。”經(jīng)典理解“和”量子力學(xué)理解“就會(huì)在實(shí)驗(yàn)上有明顯的偏差。

這個(gè)偏差理解起來(lái)也是很簡(jiǎn)單的。如果世界是”經(jīng)典“的，粒子從衰變后自旋是”確定“的，那么”觀測(cè)“本身不會(huì)對(duì)粒子自旋造成任何影響，我們只得到一系列”分立“的自旋模式，而這些”分立“的自旋模式每種概率加起來(lái)是1，最關(guān)鍵的一點(diǎn)：這些概率與任何觀測(cè)角度無(wú)關(guān)。但是，如果這個(gè)世界是”量子“的，粒子在分離后自旋方向不確定，兩者從產(chǎn)生后就不可分離，相關(guān)性很強(qiáng)，只有在測(cè)量后，波函數(shù)塌縮，我們才能確定兩者自旋方向，而不同方向的測(cè)量跟測(cè)量方式相關(guān)，因此相關(guān)性和概率不是線性的（經(jīng)典情況）而是連續(xù)的，而且與觀測(cè)角度有關(guān)。

學(xué)過(guò)基本概率論都知道，如果兩個(gè)系統(tǒng)無(wú)法交換信息，他們的相關(guān)性必須滿足某種隨機(jī)概率上的限制，是有一定的”極限“的；如果兩個(gè)系統(tǒng)是關(guān)聯(lián)的，那么他們的相關(guān)性則不用滿足隨機(jī)分布的相關(guān)性極限。在糾纏態(tài)的例子中，這個(gè)極限就是貝爾不等式（不同方向自旋測(cè)定的相關(guān)性需要滿足的式子）： |Pxz-Pzy|≤1+Pxy。

關(guān)于貝爾不等式的詳細(xì)解釋請(qǐng)參看One Two的知乎：貝爾不等式究竟是在闡述什么問(wèn)題？ - One Two的回答?。關(guān)于貝爾不等式的實(shí)驗(yàn)影響深遠(yuǎn)。這不僅證明了愛(ài)因斯坦觀點(diǎn)的錯(cuò)誤，量子力學(xué)的確是”非定域“的，也對(duì)未來(lái)的量子力學(xué)應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。目前很多實(shí)驗(yàn)室（包括中國(guó)中科院潘建偉院士的工作）已經(jīng)制備了多個(gè)粒子量子糾纏的遠(yuǎn)距離量子通信。但需要說(shuō)明的是，糾纏態(tài)與”超光速“、”信息不守恒”并沒(méi)多大關(guān)系。量子通信里，另一個(gè)粒子雖然相隔很遠(yuǎn)都能“感受”地球上另一個(gè)粒子的“信息”，但這種信息交換需要“經(jīng)典信道”傳回才能使用，換句話說(shuō)糾纏態(tài)只是個(gè)“中間數(shù)學(xué)過(guò)程”，物理可觀測(cè)量并無(wú)法做到“超光速傳輸”。

很多女生是不是覺(jué)得如果跟男友或老公也有這么個(gè)“糾纏”挺好，O(∩_∩)O哈哈~但我想說(shuō)的是，前面兩個(gè)似乎都是量子力學(xué)中在微觀上奇特效應(yīng)，當(dāng)年最有名“最荒謬”最不可思議的，當(dāng)屬薛定諤那只：

3、“不死不活的貓。”

關(guān)于這只貓，網(wǎng)上可以找到多個(gè)類似但本質(zhì)相同的版本，我這里就不贅述了。實(shí)際上并沒(méi)有真正的一只貓是“不死不活”的，因?yàn)檠Χㄖ@當(dāng)年提出這只“貓”的目的只是為了反對(duì)哥本哈根幾率詮釋的一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，薛定諤認(rèn)為量子態(tài)演化應(yīng)該遵循薛定諤方程和態(tài)疊加原理，而不可能發(fā)生因?yàn)橛^測(cè)導(dǎo)致的“塌縮”。實(shí)際上與哥本哈根詮釋密切相關(guān)的，量子力學(xué)的奠基人之一尼爾斯.玻爾本人也對(duì)“觀測(cè)”導(dǎo)致的量子態(tài)“塌縮”持有一定的疑義，為了避免出現(xiàn)量子力學(xué)在宏觀尺度的悖論，提出了對(duì)應(yīng)原理，即大尺度宏觀系統(tǒng)的量子物理行為應(yīng)該近似于經(jīng)典行為（也是怕了這只貓的結(jié)果）。

同貝爾不等式類似，兩者提出時(shí)均為理想實(shí)驗(yàn)，但兩者又有明顯的區(qū)別。貝爾不等式是微觀尺度的理想實(shí)驗(yàn)，后來(lái)被人們改進(jìn)后成為了“真正實(shí)驗(yàn)”，從而否定了定域隱變量理論；而“薛定諤的貓”屬于宏觀實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)宏觀甚至介觀尺度的量子力學(xué)效應(yīng)都是非常困難的，因?yàn)樵诹孔恿W(xué)中有個(gè)很重要的結(jié)論，那就是退相干。

具體什么是退相干是個(gè)很復(fù)雜的物理問(wèn)題，這里面又涉及到微觀因果律、色散關(guān)系等很數(shù)學(xué)的東西，就不具體說(shuō)了。大家只要知道一個(gè)事實(shí)就可以：貓不死不活的疊加狀態(tài)即使被制備出來(lái)，它受到很強(qiáng)烈的環(huán)境限制，比如盒子里的空氣啊細(xì)菌啊病毒啊貓自身的運(yùn)動(dòng)啊甚至地球自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)還有最關(guān)鍵的溫度等等，這些環(huán)境因素會(huì)發(fā)生所謂的“擾動(dòng)”，這些“擾動(dòng)”實(shí)際上是在“打開(kāi)盒子觀測(cè)”前，就對(duì)“貓態(tài)”進(jìn)行了多次觀測(cè)，在這些“擾動(dòng)”下，“不死不活”的疊加態(tài)及干涉項(xiàng)會(huì)迅速隨時(shí)間指數(shù)衰減到0，只剩下兩個(gè)經(jīng)典的“波包”：要么是死貓，要么是活貓。所以在現(xiàn)實(shí)中，打開(kāi)盒子之前，“貓”的生死因?yàn)橥讼喔稍缫褯Q定了，而不是因?yàn)榇蜷_(kāi)盒子的“觀測(cè)”再發(fā)生“塌縮”。根據(jù)量子力學(xué)的基本原理，“退相干”的速度與觀測(cè)物尺度成正比：越大的物體退相干越快。

最近二十年的實(shí)驗(yàn)工作，雖然沒(méi)有制備如貓尺度大小的量子疊加態(tài)，但實(shí)現(xiàn)了介觀尺度，也就是大量原子或電子的貓態(tài)。這個(gè)尺度對(duì)于量子微觀尺度來(lái)說(shuō)已經(jīng)算是“宏觀”的了，但離“貓”的尺度還相去甚遠(yuǎn)，而且制備的疊加態(tài)很快就因?yàn)橥讼喔伤p掉了。雖然制備了很多這樣的“貓態(tài)”，但人們?nèi)耘f不清楚量子疊加態(tài)如何“塌縮”為單個(gè)的量子本征態(tài)。也不知道在幾率的微觀世界下，如何組成如此特殊和確定性的宏觀世界。

圍繞這個(gè)問(wèn)題，以及很早年的“上帝擲骰子嗎？”這類問(wèn)題，物理學(xué)家提出了很多新的量子力學(xué)詮釋，從而使這個(gè)問(wèn)題更加開(kāi)放：從最早年的哥本哈根詮釋，到目前火熱的多世界詮釋，以及死而不僵的隱參數(shù)理論（非定域），還有什么系綜詮釋、關(guān)系詮釋、客觀塌縮詮釋等等。這是個(gè)腦洞大開(kāi)的領(lǐng)域，雖然因?yàn)樵阶鲈秸軐W(xué)也逐漸成為物理學(xué)里的“肥豬流”領(lǐng)域。然而，既然提到了上帝，我們目前尚不知道上帝擲不擲骰子（不同詮釋下對(duì)波函數(shù)和其運(yùn)動(dòng)方程的理解是不同的），但我們卻知道另外一個(gè)事實(shí)：

4、“上帝（竟然）是左撇子。”

這個(gè)草稿是2014年寫(xiě)的竟然更新到2015年了。。。要提到左右手的事情就不得不提手征性了，其實(shí)手征性這個(gè)事情也不是那么難理解。比如以地球?yàn)槔?#xff0c;我們定義由南到北的方向?yàn)椤拜S向”，那么地球自轉(zhuǎn)遵循的定律就是右手定律，即拇指方向?yàn)檩S向，另四個(gè)手指方向?yàn)樾D(zhuǎn)方向。而如果存在一個(gè)“鏡像”的地球，它的自轉(zhuǎn)遵循的就是左手定律。左手和右手的旋轉(zhuǎn)不依賴于觀測(cè)坐標(biāo)系的選取，是“星球”自身的屬性，比如地球不可能忽然由自西向東變成自東向西的旋轉(zhuǎn)，可以認(rèn)為在某種對(duì)稱性下（宏觀是平移和轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)稱性）是“不變”的。這就說(shuō)所謂的“手征性”。在微觀領(lǐng)域，粒子的“自旋”并不能真正看成類似地球的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是的確可以把粒子以洛倫茲不變的方式，將其區(qū)分為“左旋”和“右旋”的。當(dāng)然左右是相對(duì)的，依賴軸向的選取，但只要選取一種軸向規(guī)則，粒子的手征性就必然“固定”了。在量子場(chǎng)論里，一個(gè)四分量旋量場(chǎng)可用γ_5矩陣分解為兩個(gè)二分量部分，可各自作為洛倫茲群的表示，如果把其中一個(gè)二分量場(chǎng)定義成“左手”的那么另一個(gè)就是“右手”的。

按照直觀的理解，粒子的“左右手”應(yīng)該是對(duì)稱的，左旋粒子只是右旋粒子的鏡像而已，他們應(yīng)該遵循相同的物理規(guī)律，這就是所謂的”手征對(duì)稱性“，而在粒子相互作用時(shí)，就體現(xiàn)為所謂的”宇稱守恒“。但是，這個(gè)直觀的看法卻是錯(cuò)誤的，因?yàn)槁?tīng)起來(lái)很荒謬，但從目前各種實(shí)驗(yàn)上看，上帝的確是有所偏向的。

我們先不談太復(fù)雜的物理。即使在其它領(lǐng)域，手征性也是比較明顯的。比如制藥領(lǐng)域。很多時(shí)候必須分清左右旋藥物的不同藥物動(dòng)力學(xué)機(jī)制，如果兩者很不相同，我們只需要其中一種，就必須進(jìn)行提純（否則有可能另一種鏡像藥物會(huì)吃死人）。在化工領(lǐng)域更是了。從結(jié)構(gòu)上講，一種“左旋“結(jié)構(gòu)體只是另一種”右旋“結(jié)構(gòu)體的鏡像而已，按常理不會(huì)出現(xiàn)較大差異，可是自然規(guī)律卻真不是這樣。

大家都知道楊振寧和李政道獲得諾貝爾獎(jiǎng)的貢獻(xiàn)是因?yàn)椤鞍l(fā)現(xiàn)宇稱不守恒”，可是這個(gè)背后究竟是什么呢？當(dāng)時(shí)還沒(méi)有粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型（也可以說(shuō)李楊對(duì)此建立也做出了貢獻(xiàn)），而物理學(xué)家根據(jù)”常理“相信自然界（基礎(chǔ)物理，非化學(xué)）左右手是對(duì)稱的，而且實(shí)驗(yàn)上在QED（量子電動(dòng)力學(xué)）和強(qiáng)相互作用中也看到了這種對(duì)稱性。左右手對(duì)稱性是鏡像對(duì)稱的一種，鏡像對(duì)稱用數(shù)學(xué)語(yǔ)言講就是宇稱，宇稱簡(jiǎn)單講就是一種粒子的屬性，粒子波函數(shù)在某種反演下，比如電荷（C）、空間（P）、時(shí)間（T）反演下的固定性質(zhì)，如果波函數(shù)不變，類似偶函數(shù)，叫偶宇稱，如果波函數(shù)相差個(gè)負(fù)號(hào)，類似奇函數(shù)性質(zhì)，叫奇宇稱。宇稱守恒的意思是反應(yīng)前后各粒子宇稱相乘是一樣的（跟函數(shù)奇偶性一樣，奇*奇=偶，奇*偶=奇，偶*偶=偶）。大多數(shù)散射過(guò)程（粒子反應(yīng)過(guò)程）實(shí)驗(yàn)中，人們都發(fā)現(xiàn)，宇稱的確是守恒的。但后來(lái)人們發(fā)現(xiàn)了”兩個(gè)“粒子：θ/τ，電荷、質(zhì)量、其它量子數(shù)都是一樣的，只是宇稱不同，而人們觀測(cè)其宇稱的辦法，是他們的衰變產(chǎn)物：θ粒子衰變成2個(gè)π介子而τ粒子衰變成三個(gè)π介子。π介子是贗標(biāo)量粒子，宇稱為奇，這樣如果宇稱是守恒的，θ/τ應(yīng)該是兩個(gè)粒子，一個(gè)是宇稱為偶的一個(gè)是宇稱為奇的。但因?yàn)樗麄兤渌膶傩远家幻粯?#xff0c;人們相信這應(yīng)該是相同的粒子。這就是當(dāng)年著名的θ/τ疑難。

講到這里大家是不是覺(jué)得很高大上，就左右手這么簡(jiǎn)單的東西，竟然聯(lián)系到了諾貝爾獎(jiǎng)的工作，哈哈，想想自己也不是很笨。但是要注意的是，物理學(xué)中，第一個(gè)提出來(lái)跟后面跟風(fēng)的是完全兩碼事情。在當(dāng)年人們堅(jiān)信宇稱守恒跟能量守恒同等地位的前提下（大家不要看到這個(gè)就想到自己能否推翻能量守恒定律，這是完全兩碼事情，我后面會(huì)提到），李政道和楊振寧（事后他們是是非非很多，我們也不管究竟誰(shuí)先提出）提出了弱相互作用過(guò)程中宇稱不守恒，是需要很大勇氣和魄力的。里面復(fù)雜的物理就不說(shuō)了，簡(jiǎn)單說(shuō)他們認(rèn)為在弱相互作用過(guò)程中宇稱不守恒，θ/τ是一個(gè)粒子（現(xiàn)代稱為K介子）。

直至標(biāo)準(zhǔn)模型建立之后，人們對(duì)對(duì)稱性和弱相互作用又有了新的看法。物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)自然界的基本相互作用都可以用規(guī)范對(duì)稱性描述（引力能否納入現(xiàn)在不得而知）：電磁對(duì)稱性是U(1)，弱相互作用是SU(2)_L，強(qiáng)相互作用是SU(3)。這些是什么東西，大家可以不用管，只是眼尖的人會(huì)發(fā)現(xiàn)，那個(gè)弱相互作用里的L是什么意思？為什么會(huì)與其它不同？

這就要回到之前的手征性了。前面提到，一種粒子可以拆成”左手“和”右手“的，兩者可以獨(dú)立描述粒子行為而不破壞時(shí)空的洛倫茲對(duì)稱性。按”常理“，兩者遵循的其它物理對(duì)稱性是”一致“的，但”荒謬“的是自然界的選擇卻是”左撇子“：在弱相互作用中，只有左手費(fèi)米子可以寫(xiě)成SU(2)”二重態(tài)“的形式，是”對(duì)稱“的，而右手費(fèi)米子只能寫(xiě)成單態(tài)的形式，是”非對(duì)稱“的。在”味空間“，左手的電子和中微子可以一起參與弱相互作用，而右手電子卻沒(méi)有一個(gè)”搭檔“，因?yàn)樽匀唤缈赡芫蛪焊鶝](méi)有（目前的實(shí)驗(yàn)和能標(biāo)下，有可能很重我們觀測(cè)不到）右手中微子。什么？沒(méi)有右手的中微子？是的。對(duì)中微子，宇稱和SU(2)對(duì)稱性都是”最大破壞“的，左右手不僅不對(duì)稱，而且右手的部分就直接被”抹掉“了。左右手不對(duì)稱，遵循不同的規(guī)范對(duì)稱性是前面那個(gè)L的來(lái)源，也是θ/τ及弱作用過(guò)程中宇稱破壞的來(lái)源。

但是宇稱守恒和能量守恒是不同的兩碼事情。在QED（電磁相互作用）和QCD（強(qiáng)相互作用）中，宇稱守恒是比較自然的，因?yàn)閭鬟f相互作用的是光子和膠子，這兩個(gè)粒子都是無(wú)質(zhì)量的，在外部能量很大的情況下，費(fèi)米子也可以看成是無(wú)質(zhì)量的。對(duì)無(wú)質(zhì)量的理論，手征對(duì)稱性可以最大限度得到保持，這樣左右手是等價(jià)的。而在弱相互作用過(guò)程中，不僅弱電對(duì)稱性有自發(fā)破缺（破缺之后殘余的對(duì)稱性構(gòu)成QED），傳遞弱相互作用的矢量粒子帶質(zhì)量，而且散射過(guò)程必須考慮費(fèi)米子的質(zhì)量，一個(gè)有質(zhì)量的理論，其手征性必然遭到破壞（質(zhì)量項(xiàng)M Ψ_L Ψ_R破壞手征對(duì)稱性）。而前面講的所有規(guī)范對(duì)稱性，都是內(nèi)部對(duì)稱性，內(nèi)部對(duì)稱性可以有不同的形式，而宇稱依賴內(nèi)部對(duì)稱性，但他們都必須都遵守”外部“的時(shí)空對(duì)稱性，而能量守恒定律是時(shí)空對(duì)稱性的結(jié)果。

既然提到了質(zhì)量，大家可能又會(huì)想到前幾年很熱的LHC實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)的所謂”上帝粒子“，這又是個(gè)什么玩意？人們把它稱為”萬(wàn)物質(zhì)量之源“，是真的如此嗎？其實(shí)自然界大部分質(zhì)量都并非來(lái)自希格斯玻色子，而是：

5、“自然界大部分的質(zhì)量來(lái)自無(wú)質(zhì)量（粒子的相互作用）”
這個(gè)系列還是要寫(xiě)完的，哈哈。前段時(shí)間，Higgs粒子很熱，大家都把它稱為“上帝粒子”或“質(zhì)量之源”，但其實(shí)這個(gè)說(shuō)法是不準(zhǔn)確的。從粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型上講，Higgs玻色子只是弱電對(duì)稱性自發(fā)破缺和標(biāo)量勢(shì)的附帶產(chǎn)物而已。規(guī)范對(duì)稱性和手征對(duì)稱性要求，模型的初始拉格朗日密度函數(shù)不能帶質(zhì)量項(xiàng)。但我們?cè)趯?shí)際觀測(cè)中卻知道，電子、子、質(zhì)子、中子等粒子是帶質(zhì)量的，大量的其它基本粒子或非基本粒子都是有質(zhì)量的，而傳遞弱相互作用的矢量粒子：和粒子也是帶質(zhì)量的。理論上，根據(jù)對(duì)稱性（標(biāo)量勢(shì)只能寫(xiě)成4分量復(fù)場(chǎng)的形式）、重整化（自耦合最高只能到4次項(xiàng)）和勢(shì)能穩(wěn)定性（自耦合不能有三次方項(xiàng)）的要求，我們可以寫(xiě)出唯一的標(biāo)量勢(shì)形式，類似的勢(shì)能項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)勢(shì)能的真空期望值（最低點(diǎn)）不是平庸的（非0的真空解），這樣規(guī)范對(duì)稱性對(duì)真空不成立，而物理真空只是無(wú)數(shù)理論真空中的一個(gè)點(diǎn)，當(dāng)取定一定方向的物理真空后(,0,0,0)，弱電對(duì)稱性在的能標(biāo)發(fā)生自發(fā)破缺。將標(biāo)量場(chǎng)與矢量場(chǎng)及粒子場(chǎng)耦合，我們就可以得到一個(gè)有質(zhì)量的理論，但不破壞基本的對(duì)稱性。只是這樣，標(biāo)量場(chǎng)中有一個(gè)自由度被留了下來(lái)，這就是帶質(zhì)量的Higgs場(chǎng)()。前面所述的就是所謂的Higgs機(jī)制。

顯然的，Higgs機(jī)制賦予了所有基本粒子質(zhì)量，并避免了理論出現(xiàn)對(duì)稱性和自由度方面的問(wèn)題。2012年，Higgs粒子在CMS和Atlas上被找到，質(zhì)量在125GeV附近，基本上符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)計(jì)。但是等等。高中化學(xué)課上，我們知道一個(gè)事情，氫原子是由一個(gè)質(zhì)子和一個(gè)電子組成的，主要的質(zhì)量集中在原子核也就是質(zhì)子上。現(xiàn)代物理測(cè)量，電子質(zhì)量0.5MeV，而質(zhì)子質(zhì)量938MeV，兩者相差很大。而質(zhì)子是由什么組成的呢？標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為質(zhì)子是由兩個(gè)u夸克和一個(gè)d夸克組成的，而u、d夸克的質(zhì)量都在5MeV左右。不對(duì)啊，5*3=15，質(zhì)子的大部分其它質(zhì)量哪來(lái)？

這又回歸到一個(gè)問(wèn)題，那就是質(zhì)量是什么。大家都知道著名的質(zhì)能方程，，什么意思呢？我們反過(guò)來(lái)寫(xiě)：，也就是說(shuō)，能量即質(zhì)量，能量來(lái)自哪里？相互作用。一旦粒子間有相互作用，他們就攜帶一定的束縛能，而如果粒子不是”基本“的，還是有子結(jié)構(gòu)的，那它所含有的”基本粒子“的相互作用也會(huì)貢獻(xiàn)這個(gè)粒子的質(zhì)量（根據(jù)狹義相對(duì)論，一個(gè)粒子的質(zhì)量可以看成是這個(gè)粒子攜帶的總能量）。只是在一般情況下，比如引力，比如電磁相互作用，粒子自身的質(zhì)量要遠(yuǎn)大于他們的相互作用，所以在評(píng)估整體質(zhì)量時(shí)，相互作用幾乎可以忽略不計(jì)。但在原子核內(nèi)就完全不同了。

原子核內(nèi)，夸克間的相互作用是強(qiáng)相互作用，強(qiáng)相互作用有一個(gè)很”偏離直觀“的，甚至理解起來(lái)有點(diǎn)”荒謬“（切題點(diǎn)在這里）的，卻是被無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證實(shí)是正確的現(xiàn)象，那就是漸進(jìn)自由。一般比如引力和電磁相互作用，大家都知道萬(wàn)有引力定律和庫(kù)倫定律，都是平方反比律，也就是說(shuō)它們的相互作用隨著距離拉大逐漸減小，距離越近相互作用越大。但是強(qiáng)相互作用卻不是平方反比律。它的有效勢(shì)比較復(fù)雜，但根據(jù)beta函數(shù)，夸克間的相互作用，是隨著他們距離增大而增大，隨著距離減小而減小。在一定距離內(nèi)（比如原子核內(nèi)），因?yàn)橄嗷プ饔锰?#xff0c;他們可以看成是自由的。說(shuō)到這里有人會(huì)問(wèn)，這個(gè)很像彈簧啊，越拉長(zhǎng)力越大，那把他們距離拉大，他們相互作用很大，不會(huì)像彈簧那樣再拉回來(lái)？這個(gè)問(wèn)題很好，可惜答案跟彈簧不同。彈簧是剛性的，但夸克不是。比如一對(duì)夸克，在拉到一定距離后，因?yàn)橄嗷プ饔锰珡?qiáng)，它們會(huì)從真空中拉出一對(duì)正反夸克或一堆正反夸克（注意能量=質(zhì)量，質(zhì)量表征粒子，正反夸克的其它性質(zhì)都相反，因此物理量是守恒的），然后相互作用就降低了，他們互相結(jié)合，形成新的束縛態(tài)（可以看成彈簧拉斷了，變成兩個(gè)彈簧，或是磁鐵斷了，形成新的N、S極但你永遠(yuǎn)得不到磁單極）。這也是我們無(wú)法觀測(cè)到”單夸克“的原因。

說(shuō)到這里還是沒(méi)有說(shuō)到”無(wú)質(zhì)量“的問(wèn)題，前面說(shuō)的什么夸克電子不都是有質(zhì)量的么？這里就得提到”膠子“了。傳遞電磁相互作用的是光子，傳遞引力相互作用的是引力子，他們都是無(wú)質(zhì)量的。當(dāng)然兩個(gè)電子傳遞光子，光子間也會(huì)有相互作用，兩個(gè)星體傳遞引力子，引力子間也會(huì)有相互作用，但他們的相互作用太弱了，不可能從真空中再拉出一對(duì)正反電子或兩個(gè)正反星球。原子核內(nèi)，傳遞強(qiáng)相互作用的是膠子，膠子也是無(wú)質(zhì)量的，但是與現(xiàn)實(shí)的電磁、引力相互作用不同的是，膠子間會(huì)有很強(qiáng)的相互作用，會(huì)跟夸克的相互作用一樣，從真空中拉出一對(duì)的正反夸克。

所以我們看到了一副這樣的質(zhì)子圖像：質(zhì)子起先有三個(gè)夸克組成（他們決定整個(gè)質(zhì)子的電荷及其它量子數(shù)，所以叫”價(jià)夸克“），然后夸克先在里面自由走，但走到一定距離，他們相互作用變強(qiáng)了，被”膠子“拉得越來(lái)越緊，然后”嘣“一聲，斷了，斷的地方出現(xiàn)一對(duì)正反夸克（這些正反夸克總量是相等的，所以不貢獻(xiàn)任何量子數(shù)，叫”海夸克“），與老的夸克相互作用。如果這些正反夸克走得太近了，他們”噌“一聲，湮滅了，變成一堆能量；如果走遠(yuǎn)了，他們又會(huì)拉出一堆夸克。關(guān)鍵的，膠子間會(huì)互相作用，”撞“出一堆新的海夸克，然后海夸克又跟膠子及他們自己糾纏在一起，繼續(xù)發(fā)生相互作用。這里面所有的相互作用及產(chǎn)生的能量都被束縛在質(zhì)子大小這么個(gè)狹小的空間內(nèi)，而沒(méi)有任何東西逃逸出來(lái)（前面提到逃得太遠(yuǎn)相互作用會(huì)變強(qiáng)，會(huì)被拉回來(lái)或是撕裂開(kāi)，但撕裂開(kāi)的一堆東西會(huì)被”膠子團(tuán)“跟質(zhì)子其它部分交織在一起而無(wú)法逃逸，”膠子團(tuán)“類似就是一坨漿糊）。我們所觀測(cè)到的，質(zhì)子的整體的質(zhì)量就是他們相互作用及質(zhì)量的總和。

根據(jù)計(jì)算，夸克間的相互作用要遠(yuǎn)比膠子間相互作用小的多。實(shí)驗(yàn)上，我們用質(zhì)子對(duì)撞，觀測(cè)對(duì)撞過(guò)程中這些”價(jià)夸克“、”海夸克“及”膠子“的貢獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)膠子的貢獻(xiàn)要占到70%以上（部分子分布函數(shù)）。也就是說(shuō)在質(zhì)子質(zhì)量里，大部分都是膠子漿糊貢獻(xiàn)的。中子的情況跟質(zhì)子類似。而原子中絕大部分質(zhì)量又是原子核貢獻(xiàn)的，原子核又由質(zhì)子和中子組成。因?yàn)樵娱g電磁作用要遠(yuǎn)弱于原子自身質(zhì)量，分子由原子通過(guò)電磁作用構(gòu)成，那么分子中的大部分質(zhì)量還是來(lái)源于質(zhì)子、中子。構(gòu)成我們?nèi)梭w的蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、DNA等等又是由分子組成的。因此包括世間萬(wàn)物的物質(zhì)及我們自身，大部分的質(zhì)量都來(lái)自原子核內(nèi)那一坨無(wú)質(zhì)量的漿糊。

”從無(wú)到有“，中國(guó)的傳統(tǒng)哲學(xué)蘊(yùn)含的東西，其實(shí)在科學(xué)上也是很有道理的。然而，大自然的神奇之處遠(yuǎn)非如此。我們仰望星空，對(duì)撞粒子，培育生命，挖掘礦產(chǎn)，制造產(chǎn)品，我們自認(rèn)認(rèn)識(shí)了很多自然和宇宙的奧秘，我們甚至接近知道了宇宙的起源、生命的起源、質(zhì)量的起源，并以極大的能力和極快的速度改造我們生存的地球，并充滿著征服星際的熊熊野心。但提到質(zhì)量，大自然卻給人當(dāng)頭棒喝，因?yàn)?#xff1a;

6、我們所能觀測(cè)到的物質(zhì)世界極限只占宇宙總物質(zhì)質(zhì)量的不到4%。

待續(xù)。

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總結(jié)

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