[原创]欧核中心既发现上帝粒子又发现超对称

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[watermark]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。
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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”。