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8 十分特别的关系（第1页）

8十分特别的关系

和顶夸克、希格斯玻色子一样，W玻色子和Z玻色子也非常不稳定。标准模型中较重的粒子都有相同的命运：产生之后立刻消亡，只存在极短的一瞬间。将W玻色子和Z玻色子的质量与其他基本粒子相比就会发现，它们毫无疑问也属于“巨人族”。不过，它们的大小却可忽略不计，是完完全全的点粒子，可以在一个无限小的空间内集中一个金原子的质量。仿佛是相应的某种惩罚，它们的存在注定是最短暂的。

它们的平均寿命在10-22秒到10-25秒之间，没有任何设备能测得它们衰变之前走过的路径。就算以光速运动，它们走过的距离也只是介于质子大小和夸克大小之间。另外，由于它们非常重，就连最强大的加速器也无法赋予它们足够的能量来将平均寿命拉长到原来的几百万倍或几十亿倍——这对于测得它们的飞行时间是十分必要的。

为了测量如此短暂的时间，人们必须采用完全不同的特别方法——利用物质分解成基本粒子时的奇特性质。

双生的狄奥斯库洛伊兄弟

所有粒子都遵守量子力学的法则。不管微观世界的物质行为看起来多么奇怪，它们就是由这些法则掌控的，这已被验证了无数次。了解了这些规则，我们才造出现代社会人类活动赖以存在的精巧工具。如果老天突然开了个奇怪的玩笑，让量子物理不再起作用，那包括飞机和汽车、医院和通信、手机和电脑、工厂和物流在内的一切都会停止运行。

量子力学的基本法则之一是不确定性原理，而测量极短平均寿命的关键正在于此。

在经典物理学中，我们可以随便选择两个物理量，比如一辆法拉利冲过F1比赛终点线时的速度和位置，两个物理量可以同时测得而没有精度限制。但这在量子物理中是不可能的，在这里，一个新的规则禁止“不相容量”被同时测准。如果将其中之一的不准确性降为零，另一个的不准确性就会无限大。位置和动量就是一对典型的不相容量。

通常，不确定性原理会被解释为与测量动作的扰动有关的不确定性。为了确定电子的位置，我们可以使用高能光子并测量它们的发散角度，但光子与电子发生相互作用时，就会改变电子的速度。不过，1927年德国物理学家海森堡提出的这个原理还有更深的含义：它涉及量子系统的典型特征，即在所有可能的状态中摇摆不定，直到测量发生时才突然归于其中一个状态。

我们来看一个简单的例子。足球比赛开始时，裁判会通过抛硬币来决定哪一方先开球，硬币在空中运动时一直在两个可能状态之间转换，好比在同一时刻既是正又是反。直到硬币掉到草坪上的那一刻，这两种互斥状态的叠加才被打破，硬币不是正就是反，不再模棱两可。

就算没有测量带来的扰动，量子物体的两个不相容量也不会同时有准确的值。当我们在测量时，会记录到系统某一特定状态的不确定性，但其实所有状态都有这种不确定性。量子系统并不能无限自由地经历所有可能的状态，而是有严格的规律要遵循，尽管我们对其中的意义还不甚明了。不确定性原理就是这些规律之一，是谁也无法打破的禁忌。

这是量子力学中我们尚不完全理解的诸多事情之一。它是一个非常有效的理论，我们一直都在用，尽管我们不知其所以然。诺贝尔奖得主理查德·费曼曾在20世纪70年代说：“没有人明白量子力学。”这话在今天依然成立。在不确定性原理及我们每天都在验证的其他规则及现象之外，还有我们尚不知道的东西，可能在背后有我们不了解的对称及守恒法则在起作用。在还无法探索它之前，我们必须接受继续运用量子物理却无法进一步解释的挫败感。

能量和时间也是不相容量，服从不确定性原理。如果我们想精确地知道其中之一，就必须接受另一个的极大不确定性。能量浮动ΔE乘以时间变化Δt，应大于等于h4π。因为普朗克常数h的值很小，所以在宏观世界中，我们可以放心忽略这个影响。就算测量得非常精细，我们也无法感觉到不确定性原理的限制，因为实验本身的不精确性要大得多。

能量和时间被不确定性原理不可分割地连在一起，此消彼长，一个的精确度提高，另一个的精确度就会降低。反之亦然。

这让人想起希腊神话中的狄俄斯库里双生子卡斯托耳和波鲁克斯。他们优势互补，一个善于驯马，一个善于格斗，两人一起参加了无数的战斗，共同做出了许多壮举，其中最著名的就是随其他阿耳戈英雄到科尔基斯寻找金羊毛。传说，他们的母亲是勒达，卡斯托耳的父亲是斯巴达之王廷达洛斯、勒达真正的丈夫，而波鲁克斯则是宙斯化作天鹅与勒达所生。勒达在同一个晚上先和众神之王**又和丈夫同床，怀上了这两个孩子。两兄弟一起长大，二者有着非常强烈的感应，但卡斯托耳是会死的凡人，而波鲁克斯则拥有不死之身。

卡斯托耳战死沙场时，波鲁克斯悲痛欲绝，他请求父王宙斯让自己死去，以便到冥界与弟弟重逢，并永居于亡者的国度。为了不失去儿子，宙斯准许卡斯托耳在奥林匹斯山过一天，在冥界过一天，让两兄弟可以继续一起生活，在光明与黑暗之间交替出现。

卡斯托耳和波鲁克斯被称为“狄俄斯库里兄弟”，意为“宙斯之子”。现在“狄俄斯库里”被引申为失去手足而悲痛万分的人。黄昏之星赫斯珀洛斯与清晨之星福斯福洛斯（1）的交替出现，也被认为与这两兄弟有关（2），后来人们才知道这两颗星其实都是金星——黎明、黄昏时天空中最亮的星。毕达哥拉斯学派也用这两兄弟的形象来代表宇宙的和谐——两个天体半球交替出现于大地上下，循环往复。两兄弟的联合由此成为永生不死的象征，并出现在许多古罗马石棺上，而卡斯托耳和波鲁克斯的宏伟雕像今天也矗立在罗马卡比托利欧广场的入口，欢迎着来到此地的游人。

抓住卡伊洛斯的头发

限制我们获取知识的原理，也可以反过来用于扩展我们的知识。我们可以换个角度理解不确定性原理：在极短的时间内，系统能量的不确定性可以非常大。系统不停经历所有可能的状态，当然也可能经历能量非常高的状态，只要时间非常短。

对这一理解的运用之一，就是解释不稳定粒子的衰变。比如，渺子如何在弱相互作用之下衰变？它在衰变成电子和中微子时，要放出一个传递弱力、重达80GeV的W玻色子。质量仅相当于110GeV的粒子如何能产生是自己800倍重的物体？这似乎是不可能的，除非违反能量守恒定律。

实际上，这个过程分两个阶段发生。第一阶段很短，渺子在随机涨落中变成中微子并释放出较重的W玻色子。如果这一阶段的时间短到被不确定性原理允许，那就不会违反任何规则，不会有任何差错。但W玻色子一定要迅速从现场消失，分解成一个电子和一个中微子，这就是第二阶段。于是，这个过程中一开始是有一个渺子（带电），很短时间后有一个电子（也带电）和两个极轻的中微子，最终状态的质量小于初始质量，这意味着电子和中微子不会静止，而是具有动能。综合来看，初始粒子的能量和衰变产物的能量相等，没有违反能量守恒和电荷守恒的铁律。渺子发生能量涨落并放出W玻色子而衰变的过程完全随机，所以在任一时间间隔内发生衰变的比例是一样的。量子力学和不确定性原理让我们可以理解不稳定粒子衰变曲线的特征走向。

需要强调的是，衰变的发生需要一个高能中间粒子，不确定性原理允许它出现，只要存在时间足够短暂，短到无人能够记录。因存在时间太短而无法直接观察到的粒子称为虚粒子，它们就像幽灵一样出没在实粒子周围，稍纵即逝，能逃过任何观察。

我们正是利用了不确定性原理来测量最大质量和最不稳定粒子的平均寿命，窍门就在于尽量测准其质量（或者说能量）。

对于平均寿命几乎无限长的稳定粒子，将有充足的时间进行无数次测量，直接测出质量并得出一个非常清晰的概率分布，因为不确定性原理导致的不准确性是可忽略不计的。但对于平均寿命很短的粒子，我们就无法直接测量其质量，因为时间不够。

不过，我们可以测量衰变产生的所有粒子的能量，由此找出母粒子的质量。需要注意的是，就算实验精度无限大，每次测量的结果也会略有差别。毕竟是母粒子自己的能量在无限短的存在时间内涨落变化。多次测得初始粒子的质量后，我们会发现一个钟形的概率分布（称为“共振曲线”），其最高点对应中间质量，粒子平均寿命越短，曲线越宽。这就是巧妙所在：测量这个分布的宽度，也就是不确定性原理中的ΔE，我们就能得出Δt——粒子的平均寿命。

不确定性原理让我们能够抓住稍纵即逝的卡伊洛斯（Kairós），那短到无法测量的时刻。古希腊人将他表现成一个年轻人，留着我们今天会觉得很朋克的奇怪发型：额前留一撮，后脑勺全剃光。这是一个难以捉摸的神，代表神奇的时刻、突现的机会、会改变一切的意外瞬间，是卡尔·奥尔夫的《布兰诗歌》里歌颂的“世界之主，命运女神”（Forturixmundi）。

不确定性原理让我们可以在卡伊洛斯迅速转身而去，只留给我们光秃秃而无处下手的后脑勺之前，抓住他额前的那一绺头发。海森堡提出的不确定性原理看似限制了我们的测量能力，结果却成了我们抓住较重基本粒子极短平均寿命的窍门。

以能量测时间

当我们用不确定性原理去计算粒子的平均寿命时，还会遇到另一个悖论：衰变粒子的质能涨落ΔE（实际要测量的量）与其平均寿命Δt成反比。于是事情出现了反转：之前我们一直能毫无问题地测得较长的平均寿命，测很短的平均寿命则有困难；现在正相反，平均寿命越短，描述粒子质量的钟形曲线就越宽，于是也越容易准确测得。比如，用现在的设备可以很容易地测得几GeV的曲线宽度，但它对应的平均寿命非常短，只有10-25秒左右。要算出更长的平均寿命须测得更窄的曲线宽度，这可不容易。这也解释了为什么W玻色子、Z玻色子、顶夸克的平均寿命都已确定，而希格斯玻色子的平均寿命却依然令我们头疼。我们预计希格斯玻色子的平均寿命是其同类的1000倍，这意味着一个非常窄的曲线宽度，而这个宽度就连最精密的仪器也无法测出。

“巨人粒子”中平均寿命最精确的是Z玻色子，这要归功于欧洲核子研究中心在LHC之前的加速器LEP——正负电子对撞机。正负电子都是点粒子，且点粒子非常“干净”的碰撞最适合进行此类测量。LEP从1989年运行至2000年，产生了几百万个Z玻色子，因此，我们才得以准确测出其曲线宽度：约2。5GeV，对应2。2×10-25秒的极短平均寿命。

LEP还产生了相当多的W玻色子，其曲线宽度为2。1GeV，比Z玻色子略小，因此对应的平均寿命也稍长，为3×10-25秒。

LEP的能级不足以产生顶夸克对或希格斯玻色子，因此，我们还不能在理想环境中测得这二者的平均寿命，只是在LHC中通过各种方法进行了估算。质子是复合粒子，碰撞相对复杂，测量起来也很困难。目前，对顶夸克的曲线宽度及其对应的平均寿命已经有了粗略的估计，在较大实验误差下，其曲线宽度在1。3GeV左右，对应的平均寿命在4×10-25秒左右。

希格斯玻色子值得单独拿出来说一说。根据标准模型预测，希格斯玻色子的质量相当于125GeV，也就是说其曲线宽度仅有0。004GeV。其质量的不确定性很小，共振曲线非常窄，LHC的任何实验设备都无法直接测量它，于是，我们想了一些巧妙的办法进行估算。目前的结果显示，希格斯玻色子的曲线宽度不超过0。020GeV，从而可以得出其平均寿命下限为3×10-23秒。希格斯玻色子的寿命要比这个时间久一些，但我们离能够测出它真实的平均寿命还有一段很远的距离。

为什么测出较重基本粒子，尤其是希格斯玻色子的曲线宽度及平均寿命如此重要呢？首先，这可以检验标准模型的预测是否正确，更重要的是，这种测量能为我们带来新的发现。如果希格斯玻色子的曲线宽度或平均寿命与预测值有异，就可能表示有“不一般”的衰变方式：希格斯玻色子与未知粒子耦合。第一个证明这种“不一般”的衰变方式的人，就能成功打破标准模型，并打开通向新的物理学的大门。这些研究可能会让我们发现新粒子，也许是看不见的粒子，甚至是暗物质的某些神秘成分。