论标准模型理论的经验新奇性，本文主要内容关键词为：新奇论文,模型论文,理论论文,经验论文,标准论文，此文献不代表本站观点，内容供学术参考，文章仅供参考阅读下载。
[中图分类号]B82-057 [文献标志码]A [文章编号]1001-6201(2016)04-0140-06 2013年是“粒子物理学的一个分水岭。旨在发现希格斯玻色子的长达数十年的探索基本完成”[1]367。随着10月8日诺贝尔物理学奖的揭晓，比利时物理学家弗朗索瓦·昂格勒(Francois Englert)和英国物理学家彼得·希格斯(Peter W.Higgs)因为提出了这一“基本粒子是如何获得质量的理论”[2]而获得该奖项。希格斯玻色子(Higgs boson)又称上帝粒子(God particle)，是粒子物理学标准模型预言的一种自旋为零的玻色子。1964年，罗伯特·布劳特和昂格勒共同提出了一种后来被称为希格斯机制的理论。同年，彼得·希格斯也在《物理评论快报》发表文章，独立提出了该理论，并预言了希格斯玻色子存在的可能性。它是标准模型中最后一种被发现的基本粒子。该粒子的存在可以对其它基本粒子为何会有质量做出说明。因此，希格斯玻色子的发现具有重要意义，受到了人们的广泛关注。该粒子的发现凸显了标准模型理论的经验新奇性，将大幅提升该理论的解释力。 一、理论进步中经验问题的作用 人们在与自然长期接触的过程中，不断解决问题，积累经验，形成理论。随后，理论又反过来对经验问题产生重要影响。 (一)劳丹的解题理论 面对世界是如何存在的问题，人类给出的答案已几经变革。近代以前，人们大多是基于表象认知之上进行思辨后作出的回答，比如亚里士多德。当然，此时的答案多是模糊且不准确的。近代以后，在牛顿经典力学的主导下，世界曾一度变得非常清晰——如机械般地运转着，但实际上，依然存在着“两朵乌云”。20世纪初，诞生了相对论和量子力学，人们对世界的认识获得巨大进步，但有关世界的问题却又再次变得复杂起来。爱因斯坦的后半生一直致力于追求一个大统一理论，以期为世界做出一个明确的说明，但其中困难重重，今天的标准模型理论就是沿着爱因斯坦努力的方向，一路走来形成的结果。 基于科学史的以上事实，劳丹主张，“科学本质上是一种解题活动”[3]13。无论是牛顿经典力学对世界所作的描绘，还是相对论与量子力学对世界的刻画，以及当下标准模型对世界的说明，都存在着或多或少的问题。理论就是在不断解决问题中获得进步的，也可以说，正是这些问题的存在，推动着科学不断进步，因为“对任何理论所作的首要而严格的检验，应视其能否为重要问题提供可以接受的解答，换言之，视其能否为重要问题提供满意的解答”[3]15。劳丹指出，科学理论要解决的问题包括经验问题和概念问题两种。他花费了大量精力讨论了其中人们较为熟悉的经验问题。那么，什么是经验问题呢?劳丹认为，“自然界中使我们感到惊奇或需要说明的任何事物都可以构成一个经验问题”[3]17。比如，苹果为什么会下落?为什么飞机能在空中飞行?花儿为什么这样红?等等，都属于经验问题。当然，上文所述及的亚里士多德、牛顿、爱因斯坦等人有关世界的理论，包括标准模型理论，所要解决的问题，大多为经验问题。 为了更好地说明他的主张，劳丹将科学问题分为三类：未解决问题、已解决问题和反常问题[3]19。其中，已解决问题对理论的地位的确立有利，因此已解决的问题越多越好；反常问题的存在则对理论不利，因为它为反对某个理论提供证据；而未解决问题的存在则为科学的未来发展提供了新的探索方向。鉴于此，劳丹表明：“科学的中心目的是尽可能多地解决经验问题，极可能少地产生概念问题和反常。”[3]111那么，当有两个竞争理论
时，我们便可以通过比对
的未解决问题、已解决问题和反常问题，来决定理论的优劣。在“地心说”和“日心说”之争中，托勒密的地心体系所需要说明的问题很多，当时“已经知道的天体的周期运动是很多的，因此需要用到近八十个圆周来解释它们的运动”[4]44。这“八十个圆周”解决了日、月、五大行星，以及恒星的运行轨道问题，但托勒密的地心体系也面临着一个很严重的反常问题——他为月球提供的那个轨道使“月亮离地球的距离可以相差到1/2，从而使月亮的视面积产生1/4的变化”[4]44。而哥白尼的“日心说”中仅仅用四十八个圆周就可以解释天层表观运动，同时通过本轮的设置，还说明了“月亮所呈现的视差没有很大变化，并且只与本轮有关”[5]257，成功解决了托勒密的“地心说”所无法克服的反常问题。通过比对，“日心说”不仅能解决“地心说”能够解决的所有问题，还能够解决“地心说”所不能解决的反常问题。二者优劣立现。 (二)理论的经验新奇性 在劳丹的解题理论中，相对于已解决问题和反常问题而言，未解决问题的地位就没那么重要了。虽然劳丹也认识到，“把未解决问题转变为已解决问题的确是进步理论确立其科学地位的途径之一”[3]20，但他同时又强调，“一项理论如不能解决某些未解决问题，一般并不能对此理论造成多大损害”[3]24。原因是我们既无法断定一个经验事件是否为真，又不清楚这一事件该用什么理论来解决。 对于劳丹有关未解决问题的这种态度，我国学者马雷明确表示了不满。在马雷看来，未解决问题的重要性并不低于已解决问题，因为在已解决问题中，待解释或说明的现象是已知的，要想在已知现象与理论之间建立某种联系并不困难；而在未解决问题中，预测的现象是未知的，这就要求从理论中推导出事件，并要在未来得到经验验证，这对理论的要求很高，所以“预测现象比解释或说明现象要困难得多”[6]106。为了解决劳丹的解题理论的这一缺陷，马雷提出了理论在未解决问题中发挥预测作用的经验新奇性评价指标。他指出，因为理论是普遍性经验陈述或普遍性经验陈述的组合，所以就有了推测未知事物或事件的能力。不同理论的预测力差别很大，有的理论只能对未知作一般性的预测，而有的理论则可以作新奇的预测。比如，能量的转化和守恒定律会预测水壶中的水沸腾时水蒸气对壶盖做功将壶盖顶起，表明能量转化产生了机械能。马雷认为，这一预测不具有新奇性。一个具有新奇性的理论必然能够做出新奇的预测。所谓“新奇性由预见与已有知识的距离来衡量，距离越大越新奇”[6]104，而距离大“就是预测到的现象基于我们的备用知识是我们从不知道、无法理解或不能接受的”[6]104。比如，爱因斯坦的广义相对论预言光线弯曲就属于理论新奇性的典型体现。 很显然，劳丹的解题模式并不重视理论的预测力，没有看到问题有一般性问题和新奇性问题之别，只看到未解决问题是理论进步的可能方向之一，而忽视了理论对未解决问题具有新奇性预测的功能。因此，他只强调了解题的数量，而“没有从解题的质量上看问题或理论的价值”[6]106。这显然会导致对相互竞争理论之间进行比较上的混乱，因为当两个理论
在预测未知时，
做出了一个新奇的预测，而
做出了一个一般的预测，根据劳丹的解题模式，我们无法说明哪一个理论更重要。这与科学客观的经验事实不符。在自由落体运动中，亚里士多德的理论只能预测一块石头比一片树叶下落的速度快，这是一个一般的预测；而伽利略的理论则可预测两个大小不同的石头下落的速度一样快，这是一个新奇的预测。仅从劳丹的解题数量上看，二个理论解题能力相当，但实际上伽利略的能够做出新奇性预测的理论显然更胜一筹。 二、标准模型理论对希格斯玻色子的新奇性预测 基于理论的经验新奇性指标，既注重理论的解题数量，又考虑到理论解题质量的重要性，更加符合科学史的实际。2012年7月4日，希格斯玻色子被宣布发现。在希格斯玻色子被发现前后，其在标准模型理论中的作用颇有争议。随着2013年度诺贝尔物理学奖的颁布，希格斯玻色子的存在得到了人们的广泛认可。从标准模型理论对希格斯玻色子预测的经验新奇性着手，既可对希格斯玻色子的作用有一个深刻的认识，又可对标准模型理论的未来发展有着指导作用。 (一)标准模型理论努力的方向 目前，已知自然界中物体之间的相互作用力有4种：引力(重力)、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。爱因斯坦在运用相对论解决了重力问题之后，便开始追求一个大统一理论，试图将上述各种力都囊括其中，他在这一方向上花费了他的后半生的精力，但最终却失败了。事实上，科学史表明，爱因斯坦追求的总体方向是正确的。后来的科学家们正是沿着爱因斯坦的足迹前行方才取得今天的成就。不过，今天看来，爱因斯坦的失败是由于他的步子跨得太大，因为这其中包含的未解决问题太多。 爱因斯坦的相对论着眼于整个宇宙，视野开阔。与此相对的是，近现代物理学的另一大特色就是发现了一大堆电子、夸克、中微子之类的粒子。一开始的时候，科学家们普遍感到很兴奋，但随着发现的各种各样的粒子越来越多，这一现象就逐渐转变成了科学家们深感困惑的一个难题。基本粒子会变得更多吗?这些基本粒子之间毫无关联，就是乱哄哄地存在着吗?还是存在着一个可以将这些粒子囊括于其中的机制? 围绕着基本粒子之间关系问题，出现了几个相互竞争理论：弦理论、彩色理论、标准模型等。其中，标准模型理论是当下物理学领域最为成功的理论。该理论主张，构成世界的基本物质粒子共有18种夸克、6种轻子和12种规范玻色子(传递相互作用的规范粒子)，再加上每一种物质粒子所对应的反粒子(规范玻色子包括光子、3种弱相互作用粒子和8种胶子，它们本身就是自己的反粒子)，标准模型中共包含了至少61种基本粒子。标准模型理论认为，物质不可能再分割为比这些基本粒子更小的单元。看起来基本粒子的阵容还是相当庞大的，但想想我们的纷繁复杂的世界，你就会觉得标准模型中透出的蕴含于世界中的简单的美。 可问题依然存在。标准模型中如此简洁的基本粒子组合，又可与实验事实符合的很好，但其背后却隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性——质量——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同的物质粒子的质量各不相同，从质量最轻的电子、中微子到质量最重的顶夸克，跨越了超过11个量级之多。但这些质量来自何方，又为什么如此千差万别呢? 在现代科学中，围绕上述问题，人们从不同的角度进行了研究。事实上，有越来越多的迹象表明，虽然一开始的时候，着眼于粒子世界的许多科学家与爱因斯坦对大统一理论的追求并不相同，但结果却显示，二者的终极方向是一致的。 (二)希格斯玻色子的“发明” 为了解决海森堡的质子—中子相互作用理论中，质子之间的相互作用及作用强度的问题，杨振宁和米尔斯引进了一个新的场。在杨·米尔斯场论中，杨振宁和米尔斯将简单的SU(1)对称群扩展为SU(2)对称群，其中含有两个携带电荷的场粒子和一个中性的场粒子。杨·米尔斯场论是一个优美的理论，但该理论面临着一个严重的反常就是，其中的场粒子是无质量的。这无法解决原子核内部的强相互作用力问题。 事实上，随着科学家们收获了越来越多的基本粒子，粒子的质量之源越来越成为困扰人们的一个严重问题。即使是后来盖尔曼发现了SU(3)群，可以提供一个能把当时所有已知粒子的范围和种类都囊括于其中的群结构，粒子的质量问题依然无法解决。对此，南部阳一郎给出的结论是：打破对称性，你就会因此获得粒子的质量[7]61。不过，不久之后戈德斯通就指出，对称性破缺的后果之一是又必然会产生出一个无质量的粒子。他还“本能地感觉到这些粒子的产生是一个适用于所有对称性的一般性结果，并于1961年将这一看法上升到了原理的高度”[7]62，即戈德斯通定理。事实上，后来在南部和约翰·拉西尼奥合作的一篇论文中，他们也发现了同样的问题。 打破对称性本来是为了解决粒子的质量之源提出的解决方案，但这却是以产生更多的新的无质量粒子为代价的。虽然，南部和约翰·拉西尼奥也试图化解这一问题，他们声称，这些无质量粒子实际上可以获得很小的质量，因此可被视为π介子。由于无法给出令人信服的论证，因此，这样的解释显得有些苍白无力。人们依然认为，南部的方案“解决了一个问题，却又出现了另一个问题。要想取得任何进展，必须找到某种避开或突破戈德斯通定理的途径”[7]52。 在这一背景下，希格斯机制应运而生。希格斯发现，在SU(3)群中，有两个非零真空期望值，可以被选作八个维度中的两维：
[8]508。这意味着，我们所说的真空并非绝对真空，而是有一个含有非零值的场遍布其中——即人们所谓的希格斯场。这颇有点以太要重新回归的味道。大量的标量玻色子拥有这些量子数，余下的其它六维对应的是矢量玻色子。在希格斯场的作用下，各种玻色子发生相互作用。希格斯指出，“可以预期的是，为了打破Y的保护，进一步的机制(可能与弱相互作用相关)将被采用，这些规范场之一将获得质量，仅留下光子作为唯一的无质量的矢量粒子”[8]509。希格斯为除了光子之外的其它所有粒子找到了一条获得质量的可能路径。该理论的“一个基本特性是对标量玻色子和矢量玻色子的不完全多重态的预测”[8]509。希格斯相信，“这一特性也将在对称性破缺标量场的有关理论中出现”[8]509。 虽然希格斯没有对这一机制作出更加细致的阐述，但在希格斯场的作用下，存在一个可与其它各种无质量的玻色子发生相互作用而产生目前世界中各种有质量粒子的玻色子——希格斯玻色子，已成为必然。标准模型理论就是这一机制演化的结果。毫无疑问，希格斯玻色子是否存在对标准模型理论的意义非同一般。但在事实上，希格斯玻色子的“发明”早于标准模型理论。 (三)标准模型理论的经验新奇性预测力 20世纪70年代，标准模型理论提出之初，人们对其未来的发展前景态度不一。因为该理论是在解决了一定的问题基础之上形成的，但同时有待其解决的问题还有很多，甚至还有些影响到该理论正确与否的反常问题。 在粒子物理学史中，基本粒子是如何组成，以及它们之间相互作用力是如何传递的问题，一直困扰着科学家们。1974年，J/ψ粒子的发现，使得科学家们得以能够归纳并整理基本粒子的组合方式，并在温伯格的电弱统一理论的基础之上，形成标准模型理论。即在标准模型理论产生之初，该理论所拥有的已解决问题只有一个——形成一个统一的框架。 当然，早期的标准模型理论在取得少许成就的同时，也面临着许多未解决问题。理论上存在的顶夸克没有在实验室中被观测到，中微子还有待检测，更为关键的是，“如果该理论是正确的，那么与一个无孔不入的能量场(即希格斯场)的相互作用就是造成弱作用力的传递者被赋予质量的原因。倘若希格斯场存在，那么希格斯玻色子也一定存在。”[7]126而希格斯玻色子的发现，所需要的能量级的对撞机当时是不具备的。此外，该理论模型中引入的参量有20个之多，其中12个用于确定夸克和轻子的质量，且这些参量无法从理论本身推导出来。这一理论显然不够简洁，与人们长久以来对大自然所持的简单性信念不太一致，不符合自然的美的追求，造成人们对该理论的心理冲突。这些问题都有待新生的标准模型理论去一一解决。 标准模型理论形成后的30多年间，人们寻找希格斯玻色子的努力一直在持续进行，虽然屡屡受挫，但还是有几个其它的标准模型粒子被发现，将标准模型理论的部分未解决问题转化为已解决问题。理论产生不久，W粒子和Z粒子被发现，而且这两个粒子的质量都符合理论预期，为标准模型的正确性提供了有力的支持，大大提升了该理论的经验协调力。1995年，费米实验室宣布发现了顶夸克。2000年时，同样是费米实验室，观测到了中微子的踪迹。这是标准模型中除希格斯玻色子之外的最后一种被发现的粒子。 特别是希格斯玻色子——标准模型理论中最后被发现的这个基本粒子，将理论中粒子家族构成的所有主要的未解决问题转化为已解决问题，使得这一理论的预测力进一步提高，凸显了该理论的经验新奇性协调力。 不过，与在实验室中科学家们对粒子家族的成功追寻不相称的是，标准模型理论还面临着严重的反常问题，即它与引力不能兼容，“没有人知道如何将这种早就被发现了的力添加到模型中去”[9]351。直到今天，该问题依然严重威胁着标准模型理论的合法存在。 虽然，反常问题依然存在，但理论的协调力却已有很大提高。在希格斯玻色子被发现之前，该理论有可能被证伪。随着希格斯玻色子的出现，该理论被证伪的可能性已大为减小。反常问题的消除有可能在将来通过对理论的修补和调整而实现。 三、希格斯玻色子的发现对于标准模型理论的协调论说明 对希格斯玻色子进行搜寻的过程，就是一个标准模型理论在经验、概念和背景三个方面的协调力不断提升的过程。 (一)标准模型理论的经验协调力 截至目前，标准模型理论对W粒子、Z粒子、顶夸克、中微子，以及希格斯玻色子的预测均已得到实验验证。在协调论中，经验新奇性中的“新奇”是指理论所做的预测已经得到了观测型经验问子①的验证。需要强调的是，经验新奇性协调力要求理论在现象呈现之前就做出预测，这与科学史上的许多著名发现之后作出相对应的解释不同。比如，1895年时，伦琴缘于一次偶然的机会发现了X射线，但当时的科学家们，包括伦琴本人在内，都不知道这种看不见的神秘射线究竟是什么。后来人们给出的解释是：X射线是一种波长很短的电磁波。今天我们知道，X射线的波长介于紫外线和γ之间，约为(20-0.06)×
厘米之间。虽然我们今天能够对X射线予以精确的理论解释和说明，但此类理论却并不具有经验新奇性协调力，因为“经验新奇性不是对新奇现象(即观测型经验问子)的解释，而是预言的新奇现象(理论型经验问子)得到观测型经验问子的验证”[6]106-107。事实上，今天我们对X射线的认识和说明，只是所谓的“事后诸葛亮”现象。而标准模型理论是在希格斯玻色子被发现之前所做的预测，一旦该预测被经验事实所验证，理论的经验协调力就将立刻大幅提升。这与爱因斯坦的相对论对水星近日点的进动、引力场光的红移，以及引力场光的偏转的三大预言，在得到经验数据的验证之后，为人们广泛接受，是同样的道理——皆是由于其经验新奇性协调力显现的结果。 “一个理论如果能作出与事实相符的新奇预测(当然越多越好)，那么它必定能增强理论的经验新奇性协调力。”[6]107在标准模型理论发展的过程中，随着一系列基本粒子的发现，经验数据的不断累积，标准模型所面对的经验问题的解子和问子数之比也在不断发生着相应的变化。总体上看，标准模型理论的经验新奇性协调力的增强，推动着理论的综合协调力得到整体提升。 (二)标准模型理论的概念协调力和背景协调力 一个具有强大生命力的理论从来都不是一成不变的。标准模型理论也是如此。这一理论诞生之后，在科学实践中不断改变自身，努力实现与经验事实相符合。确切地说，就是在标准模型理论中预测的粒子、力、质量等与实际的科学实验中人们得到的具体数据有所出入。在数据准确无误的前提下，科学家们要么对理论进行调整，以期与实验数据相一致，从而推动理论不断发展；要么选择放弃，重新构建理论，取而代之。 对理论的调整或修补，相伴随的是标准模型的概念协调力的提升。在标准模型中，夸克的发现与发展可让我们对理论概念协调力的提升有一个明确的认识。1964年，盖尔曼提出夸克时，它仅仅是一种逻辑构造。最初的夸克为三种：上夸克、下夸克和奇异夸克。相对应还有三种反夸克。当时，人们对夸克的认识是模糊的。事实上，直到今天，由于夸克的奇特的性质——它从不单独出现，使得夸克是不是作为一种实体而存在——即夸克的根本属性，依然在困扰着许多人。虽然，夸克的产生将以前发现的上百种粒子简化为三种粒子组合，这是一个巨大的进步，但标准模型理论的问题依然存在，比如夸克是如何组合到一起的，就是一个随之而来的新问题。在70年代粲夸克发现后，该理论开始做出多次正确的预测，且可为实验所验证。夸克理论有了进一步的发展，但问题依然没有得到解决，而且人们又发现了夸克的另一个怪异的特性——渐近自由。为了使得标准模型理论的解题能力得到进一步的提升，盖尔曼提出了“色”的概念，虽然今天我们知道“色以及夸克和胶子永远只是黑箱的一部分，只是个抽象体，它永远无法触发盖革计数器，永远不会在气泡室留下踪迹，也永远不会触动电子探测器的导线”[9]345，但标准模型对于粒子家族的说明却已逐渐趋于完善。今天，标准模型中包含18种夸克、6种轻子、12种规范玻色子，其中的18种夸克就是由6种夸克，每种夸克都有3种色演化而来。 事实上，标准模型中对希格斯玻色子探寻也存在与夸克理论同样的问题。在具体的科学实践中，标准模型理论对于希格斯玻色子的质量方面的预测，也在不断调整。这是标准模型理论自我完善的过程，也是理论的概念协调力逐步提升的过程。 在希格斯玻色子被发现的前后，标准模型理论的发展，除了理论的经验协调力和概念协调力得到提升，其背景协调力也在发生变化。1964年，“希格斯机制并没有马上赢得人们的信任”[7]71。那一年，希格斯将他的论文投到《物理快报》，却遭到了拒绝。此时，这一新理论面临着严重的心理冲突。1967年，虽然这一领域又经过温伯格、基布尔、萨拉姆等人的研究，但“没有人在意他们的论文。……没有几个人能够弄懂”[7]77。就在2000年时，霍金还和美国物理学家凯恩打了一个赌，认为希格斯玻色子不可能存在。事实上，希格斯玻色子对标准模型理论造成的心理冲突一直持续到该粒子被发现时止。这一不协调——即该理论的冲突状态，还是导致SSC项目最终破产的重要因素之一。当然，在2012年希格斯玻色子被宣布发现之后，“这个新玻色子的质量处于125-126千兆电子伏之间，并且恰好以人们预期希格斯玻色子应具有的方式与其它标准模型粒子发生相互作用”[7]178，人们逐渐转向支持该粒子的存在，“尽管诺贝尔奖颁发给希格斯之后仍然存在杂音，但粒子物理学界基本感觉满意”[1]367。标准模型理论在背景方面从冲突转向了协调，背景协调力也得到了提升。 四、结语 值得一提的是，尽管希格斯玻色子的发现导致标准模型理论在经验、概念和背景三个方面的综合协调力都得到提升，但这并不具有绝对的判决力，即标准模型理论并非一个绝对正确无误的终极理论。因为该模型并不能解释我们世界的一些基本问题。一个突出的问题是，今天我们已逐步实现电磁力、强相互作用力和弱相互作用力的统一，但引力问题仍未得到解决。此外，从暗物质、暗能量，到中微子的微小的质量，以及它们如何相互作用，我们知道有更多的问题存在，但这些需要标准模型理论的协调力继续提升，方可做出回答。在世界面前，人们将永远走在探索的征途中。 注释： ①协调论主张：任何理论都是有两部分构成，即问题部分和对问题的解答部分。问题部分由问子和提问方式构成。问子是那些我们感到好奇、渴望理解并对之提问的东西。解答部分由解子或解子的联结构成。解子是所有单一的内在策略和外在策略的通称。问子与解子分为经验问子与经验解子、概念问子与概念解子、背景问子与背景解子三大类。
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