第六百三十一章 歷史：飛啊飛啊飛（下）（九千字章節！）

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簡併真空？

此時此刻。

操作檯邊。

聽到徐雲嘴中冒出的這四個字，趙忠堯本就很有喜感的眉毛，再次極其明顯的向上抬了抬。

簡併真空。

從字面上不難看出，這個概念可以分成兩部分討論：

簡併、以及真空。

眾所周知。

真空這個詞有點類似二級頁面，同樣還可以分成兩個三級頁也就是兩種情景：

一是宏觀物理上的真空。

二則是微觀.或者說量子概念中的真空。

其中前者很好理解，指的就是所述的空間中空無一物或者某個人不穿內衣內褲。

但量子概念中的真空嘛這就複雜很多了。

量子真空的概念最早可以追溯到眼下這個時期的二十年前，也就是1940年前後。

當時世界大戰打的如火如荼，物理學界則在戰火之下悄然高速發展。

當時狄拉克用狄拉克方程建立了氫原子模型，模型由一個質子和一個電子相互吸引的庫侖勢組成。

早先提及過。

狄拉克方程描述了費米子行為，質子和電子也是其中的兩種典型代表。

所謂典型，自然就代表著它們的研究已經很深入透明瞭。

因此物理學家們也以為透過狄拉克方程就能對氫原子能級有了很好的理解，畢竟構成它的粒子已經沒什麼秘密了。

當時米蘭那邊的物理學家甚至已經一邊開著香檳，一邊歡呼一個新模型的出現了——質子電子氫原子三個圓圓的東西加起來就是三比零，這怎麼可能輸嘛？

直到

一個叫威利斯·蘭姆的海對面人在利物浦大學做了個實驗，毫無徵兆的打破了一切歲月靜好。

1947年。

蘭姆在做氫譜精細結構研究的時候，實驗出現了一個異常結果：

氫譜在2S1/2和2P1/2兩個量子能級有著輕微的能量差異。

而根據狄拉克方程預測，這兩個量子態的能量理論上應該是一樣的。

但蘭姆發現的這個能量差值大概在1028MHz左右，並且經過反覆確認也被排除了實驗誤差的可能性。

後來蘭姆將這個差值命名為蘭姆位移，他也靠著這個發現獲得了1955年的諾貝爾物理學獎。

蘭姆位移顯示出了狄拉克方程在精細的條件下是不夠完善的，細微的能級差暗示了物理學家還有一些內容必須補充。

而這個內容就是.

量子真空——或者說真空漲落。

也就是在量子真空的範疇之內並非空無一物，而是存在有難以估量的場.也就是能量。

它是不同虛實粒子不斷出現和消失組成的集合，這類極度短暫的粒子99.99999%的情況下不被注意到，但在某些情況下真空力卻可能會產生可被測量到的效應。

對於玻色子，該能量是正的。

對於費米子，該能量是負的。

即量子真空空而不空，這是量子場論的一個重要結論，所謂的卡西米爾力也是這部分的範疇。

當然了。

以上這些是徐雲穿越時也就是後世2023年的認知，比如今這個時期要深入清晰很多。

例如後世還定義出了另一個相關概念，叫做真空衰變。

它的內容是這樣的：

宇宙萬物都會自發地趨向於能量最低的狀態，類似於水往低處流。

所以如果宇宙真空並不是處於能量最低狀態，那麼在一定的條件下，宇宙真空就會向更低的能量狀態“跌落”。

假設宇宙真空並沒有處於能量最低的狀態，那麼我們就可以將其稱為“偽真空”。

與之對應的是處於能量最低狀態的宇宙真空，則可以稱為“真實的真空”。

舉個例子。

一座山的半山腰有一顆鐵球。

儘管它存在著繼續往下掉的趨勢，但由於在半山腰的位置上存在著一種地勢的阻擋，它就不會繼續往下掉。

但假如你用一定的力量推動這個鐵球越過阻擋它的地勢，它就會不可避免地繼續往下掉。

同樣的道理。

如果向偽真空裡注入足夠大的能量。

那麼偽真空就可以突破能量勢壘，進而向真實的真空跌落，於是真空衰變就發生了。

要知道。

真空衰變釋放出的能量其實是非常非常龐大的，大到足以令其周圍的偽真空也突破能量勢壘。

在這種情況下。

如果宇宙中的某一區域發生了真空衰變，那麼其釋放出的能量就會引發周圍的空間發生真空衰變。

而周圍的空間發生了真空衰變，又會引發更多的空間也發生真空衰變，無限套娃.

最終這就會形成了一種不可阻止的連鎖反應，其造成的效果就是一個由“真實的真空”構成的球體空間在宇宙中急劇膨脹。

而從理論上來講。

這個球體空間的膨脹速度，其實就是光速。

同時這個球體空間的“表面”充斥著巨大能量的緣故。

因此在其所過之處，宇宙中的眾多天體都會分崩離析，並且物理常數都會發生巨大變化。

看到這裡。

是不是有同學感覺這種描述有些熟悉？

是不是感覺黑洞和這很像？

很可惜，你們熟悉的早了——黑洞其實並不是真空衰變的模型。

但是

某釣魚佬下本書的大結局卻和真空衰變有關係.（沒錯，我下本書的大結局都想好了，算是一個跨越一本書的彩蛋吧，矯情一下，希望下本書大結局的時候還能看到你們）

好了。

視線再回歸現實。

而除了真空之外。

另一個簡併的概念相對就簡單一些了。

一個厄密算符的本徵值有多個本徵態，這就是簡併。

比如上頭提到的氫原子軌道，就有角動量和自旋這兩個簡併。

再舉個例子。

看過網路的同學應該都知道。

一個網路作家的筆名下可能有好幾本書。

這幾本書雖然成績啊字數啊內容啊都不一樣，但它們都是同一個作者創作在同一個網站上的，這幾本書就是筆名的簡併。

所以簡併真空指的就是一種本徵態的真空雛形，也就是在真空對系統群G非不變的情況下，變換出的另一個態。

這個態經過柱對稱基態的變換，最終導致了標量玻色子的出現。

如果上頭這句話還是沒法理解，就依舊是以網路為例：

同樣是一個叫做日更三萬釣魚佬的作家，這個筆名之下有兩本書：

一本叫做《異世界征服手冊》。

另一本叫做《科技帝國從消滅蟑螂開始》。

前一本書的主角叫做吳凡，後一本書主角叫做驢。

你聊到《異世界征服手冊》這個真空態的時候，想起的角色肯定就是吳凡、曹毅、林子明也就是有向量的規範玻色子。

而如果你聊的是《科技帝國從蟑螂開始》這個簡併真空，那麼討論的角色自然就變成了驢、斧頭、老蘇這些標量玻色子了。

也就是角色對應書=規範/標量玻色子對應各自的簡併態。

至於書裡的不同角色，就是不同型別的規範玻色子，比如說光子膠子等等。

“.”

隨後趙忠堯沉默了一會兒，拿起圓珠筆在手上轉了會兒，對徐雲說道：

“小韓，我有個問題啊簡併真空如果成立，那麼它的體系又會是什麼樣的呢？”

“畢竟簡併真空也只是一個態，支撐這種模型存在的原理才是真正的核心所在。”

“就像我們說永動機發明出來後可以做到跨越星際旅行，比起後面的行為，如何拿出永動機的設計模型才是重點——對於現有的框架體系來說，永動機壓根是個不可能出現的事物。”

徐雲聞言很是理解的笑了笑，這個道理他自然也很清楚：

“趙主任，您說的很對，比起簡併真空的模型，更深層的原理顯然才是關鍵。”

“至於這個原理嘛趙主任，您聽說過自發對稱性破缺嗎？”

“自發對稱性破缺？”

趙忠堯眨了眨眼，很快便想到了什麼：

“就是那個超導現象的理論？好像是什麼物質特性從自發性由對稱的狀態噼裡啪啦變到不對稱的狀態？”

徐雲用力點了點頭：

“沒錯。”

自發對稱性破缺。

它的英文名叫做Spontaneoussymmetrybreaking，縮寫起來是有些微妙的SSB。

這是物理中非常常見的一種現象，它的數學原理是基於連續群SU(2)的規範理論，概念在7年前由楊老和米爾斯共同提出。

這個概念其實挺好理解的，燕京的那種銅火鍋大家多少都吃過或者見過吧？

假設在銅火鍋的頂上靜止一個小球，那麼這個小球肯定是不穩定的，受到擾動就會順著爐芯落到鍋裡。

在小球下落之前。

銅鍋一圈的任意位置都是平等的，系統具有一個旋轉不變性，也就是不管怎麼轉都是一樣而且對稱的。

但是

當小球掉下去之後就不一樣了。

小球最終只會穩定在某一個確定的位置，此時連同小球在內，系統就不再具有旋轉不變性了。

這就是發生了自發對稱性破缺——小球掉下來是“自發”，不具備旋轉不變性就是破缺。

趙忠堯對於這個概念倒是算不上陌生，因此很快便做出了一個猜測：

“自發對稱性破缺.小韓，莫非是拉式密度中存在明顯破缺某種對稱的項，比如狄拉克場的質量項，從而破壞了守正對稱？”

徐雲：

“？！”

接著不等徐雲回答。

趙忠堯又摸了摸下巴，自顧自的拿起筆在紙上計算起來：

“我記得超導方面的表示式應該是.如果把它引入到粒子物理，這應該是一種局域對稱的自發破缺。”

“考慮在一個一維的空間中的粒子，那麼應該L=12(μσ)212m2(σ)2”

數分鐘後。

趙忠堯忽然輕咦了一聲：

“.唔，不對啊？”

“穩定真空態沒有柱對稱，那麼變換下有無窮多的簡併基態，還是存在有一個非零質量場吧？”

聽到趙忠堯這番話，一旁的陸光達和朱洪元等人不由快步走到了他身邊。

李覺見狀看了眼空蕩蕩的周圍，也跟著湊了過去。

“還真有一個非零質量場啊.”

胡寧拿著算紙看了會兒結果，一如既往的先考慮到了己方的問題：

“老趙，會不會是你計算錯了？”

趙忠堯立馬搖了搖頭，指著算紙解釋道：

“不可能，且不說李代數結構常數的對易過程有多複雜，你先看看這裡。”

“你瞧，這個非零質量場前邊有一個根號2的獨立補充項，光這一點就足以證明非零場的存在了。”

“即便我的計算有錯誤，錯的也只能是非零場的具體表示式，而非它的存在情況。”

“話說老胡，你這悲觀主義的性格也該改改了，好歹也自信一點嘛，老是先懷疑自己幹啥？”

胡寧聞言聳了聳肩，沒有說話。

沒辦法。

他不是不自信，而是就這性格。

在解題或者做實驗遇到異常的時候他都會先考慮是不是自己出了問題，排除己方的鍋後他才會有心思去考慮下一步。

這種心理倒也不能算悲觀，應該說是有些穩重？

眼見這些大佬在討論過程中又遇到了問題，徐雲便忍不住輕咳一聲，準備給出具體的答案：

“幾位同志，我有一言，請諸位靜聽”

結果他話還沒說完，趙忠堯等人便同時轉過頭，齊齊打斷了他：

“小韓，你憋說話！讓我們自個兒想！”

老郭更是朝徐雲遞了把蒲扇，那意思很明顯——該哪兒涼快哪兒待著去吧。

徐雲：

“？？？？？”

卸磨殺驢啊這.

隨後在徐雲懵逼的表情下，眾多大佬再次轉過頭，重新討論起了這個問題。

只見陸光達沉吟片刻，主動開口道：

“.趙主任，如果不是計算失誤，那麼就是群論方面確實有此一遭了。”

“既然如此.我有個想法啊，咱們可不可以手動新增一個明顯破缺項，使得真空發生變形？”

“既然如此.我有個想法啊，咱們可不可以手動新增一個明顯破缺項，使得真空發生變形？”

說罷。

陸光達還拿起筆，重新在紙上畫了個圖形。

怎麼說呢

舉個不是很雅觀的例子。

原先趙忠堯畫的影象是一個屁屁，左右兩邊都是對稱的，並且左右兩側的臀尖就是能量最低點。

而陸光達繪製的影象則“歪”了很多，兩邊明顯不對等——右邊明顯要比左邊更大一些。

不過很快。

朱洪元便搖了搖頭，否定了陸光達的這個猜測：

“不太可能，光達同志，人為的修正還是太明顯了，而且這種離散模型應該生成不了連續場。”

陸光達思索了幾秒鐘，自己也跟著點了點頭。

也是。

他的這個思路帶著很明顯的最佳化意圖，而粒子的行為顯然不太可能按照這個思路去改變的。

這就好比你想買套五百萬的房子，但銀行卡上只有兩萬塊錢。

結果你用P圖軟體把它改成了五百萬，看起來是夠買房子了，但實際上絲毫沒有卵用。

除非運氣逆天到了轉賬的時候恰逢銀行系統bug，否則這房子無論如何不可能落到你手裡。

更別說這種離散模型確實推導不出連續場，還不如用用費曼的路徑積分量子化呢.

不過陸光達並沒有因此感到氣餒，自發對稱性破缺與自己的好友楊振寧有關，所以這位大佬在此時顯得特別活躍。

只見他目光盯著算式看了一會兒，又提出了一個想法：

“既然手動新增明顯破缺項行不通.那麼有沒有可能是規範對稱和自發破缺相結合，讓這個質量場被零質量規範場給‘吃掉’了呢？”

“例如電弱相互作用的規範對稱是SU(2)L×U(1)，在拉氏量的規範對稱沒有破壞的前提下引進湯川耦合，這才讓介子的質量符合推導嘛。”

這一次。

趙忠堯等人便都不再反駁陸光達了，而是同時陷入了沉思。

湯川耦合。

指的便是yukawa耦合，提出者是霓虹的湯川秀樹。

此人是霓虹近代物理學界的奠基人之一，屬於整個粒子物理史上無可忽略的人物：

他是第一個獲得諾貝爾獎的霓虹人，提出了赫赫有名的湯川耦合和湯川耦合勢，還預言了π介子的存在。

不過由於此人靠右的政治傾向，因此徐雲對於此人歷來是公開性的持厭惡態度，寫一本書就要diss他一次。

這人右到了啥程度呢？

舉個例子。

他在諾貝爾獎的頒獎典禮上，堂而皇之的將某場戰爭稱為“忠義的戰爭”，稱【霓虹的周圍還存在著新建立的不穩定政權，為了和平應該遏制住這股不穩定的趨勢】。

順帶一提。

湯川秀樹說這話的時間是1949年12月10日，話中指代的是誰不言而喻。

湯川秀樹和他同時期的坂田昌一這位真正的和平主義者和華夏友人相比，簡直是一個地下一個天上——儘管坂田昌一在學術上並沒有獲得過諾獎。

後世湯川秀樹還成為了一個馬桶蓋的品牌，廠商還是鵬城的國內企業，也算是某種報應吧

當然了。

就像宋徽宗也是個書法大家一樣。

湯川秀樹的人品再怎麼差，他在學術上的成就還是不容忽視的。

例如陸光達此時的這個想法，沒有引入湯川耦合或者說介子概念還真不行。

因為按照正常理論解析。

原子內的介子不應該具有質量，否則介子質量的慣性運動會把原子結構搞散架，從而引發物理大廈的崩塌。

正是湯川耦合的存在，才讓介子的這種情況可以得到解釋：

介子在原子內部的時候，會作為點空間順著八維原子的結構運動，脫離後可以獨自獲得質量。

想到這裡。

趙忠堯便也有了思路。

是啊

規範場隸屬的是可規範場論。

根據數學定義。

某個概念只要是一種場論，那麼它的拉格朗日量在某些型別的群的變換下是不變的。

因此如果把規範對稱和自發破缺相結合.

那麼規範場的縱向自由度或者橫向自由度，就可能出現某些變化

想著想著。

趙忠堯便再次拿起了筆。

這一次，他準備從最簡單的一個場開始推導。

也就是.

SU（1）的電磁場。

與之前一樣。

趙忠堯先寫下了一個拉格朗日量，這是幾乎所有粒子物理推導過程中標準的第一步：

L=1/2()mmλ3λ44+m24λ。

接著考慮有兩個分量的標量場：

=[1/2]。

於是乎，

拉格朗日量就變成了L=1/2()+1/2m2λ4(2)——這樣的勢看起來就和之前提到的銅火鍋一樣了。

又因為O(2)與U(1)是局域同構，所以U(1)對稱性也是連續對稱性。

“接著令=12(1+i2)，則有=12(12+22)，拉格朗日量變為：(6)L=+m2λ()2，它在U(1)變換→eiα下不變，因此具有連續的U(1)對稱性.”

“在透過極座標的方式把分成=ρeiθ.拉格朗日量為L=(ρ)2+ρ2(θ)2+m2ρ2λρ4，真空期望是ρ=ν=m22λ，θ=0做變換ρ→χ+ν”

“拉格朗日量變成L=[(χ)22m2χ24mλ2χ3λχ4]+m22λ(θ)2+(χ2+m2λχ)(θ)2”

“其中第一個部分是χ的動能項、質量項、自耦合，第三個部分是兩個場的相互作用。”

“而第二項只是θ的動能項，沒有質量，因此它是U(1)對稱性自發破缺產生的無質量玻色子”

“那麼下一步就是考慮一個本來沒有質量的向量玻色子，它的拉格朗日量L=14FμνFμν”

“將其與上面的標量場耦合，把普通導數μ換成協變導數Dμ=μiqAμ，其中Aμ是原本無質量向量玻色子的規範勢.”

“再然後如此如此這般這般”

看著在紙上飛快書寫的趙忠堯，一旁徐雲的臉色卻有點呆滯。

天可憐見。

這次他的想法，只是準備讓趙忠堯他們發現戈德斯通定理罷了.

結果沒想到。

趙忠堯他們見徐雲一腳踹歷史踹的不夠狠，愣是揪著徐雲的衣領把他往後一丟，自己上去踹了腳重的。

這下樂子可就大了呀

甚至某種意義上來說，這一jio要比暗物質還要離譜。

早先提及過。

在粒子物理的早期有一個模型，叫做南部模型。

它的提出者是霓虹人南部陽一郎，此人活著的時候算是在世物理學家top1的有力競爭者之一。

雖然客觀來說要落後楊老溫伯格他們半個身位，但其能力由此也可見一斑了。

就像華夏人對楊老有加持一樣，很多霓虹人也堅信南部陽一郎活著的時候可以在當世排名第一。

當然了。

黑南部陽一郎的人也不少，這方面哪個國家都一樣。

在如今這個時期。

自發對稱性破缺這個概念大火於超導領域，南部陽一郎則在今年年末率先將它引入了粒子物理中，這使得他發現了強相互作用中的對稱性自發破缺現象——準確來說是手徵對稱性自發破缺。

與此同時呢。

英國的傑弗裡·戈德斯通在一年之後對穩態解之間可以由U(1)相位變換聯絡進行了研究，提出了無質量的戈德斯通模。

最終二者互相結合，便推匯出了南部-戈德斯通定理。

南部-戈德斯通定理的內容很簡單，就是連續對稱性被自發破缺後必存在零質量玻色粒子。

此粒子被稱為戈德斯通玻色子，例如湯川秀樹的π介子就是對應著近似手徵對稱性破缺的戈德斯通玻色子。

但南部-戈德斯通定理存在一個很致命問題，那就是

規範粒子的質量是為對稱性所不允許出現的性質。

因為在自發對稱破缺+南部-戈德斯通定理中，規範場還是存在的。

這也意味著局域規範對稱性是保持的——不同的規範可以透過一個李群變換聯絡起來。

只是拉格朗日量整體的規範對稱性由於場在真空的期望非0（趙忠堯計算的第二句話），以及量子場論不選取簡併態的線性疊加作為基態，從而導致拉氏密度的規範對稱性在選取特定基態之後破缺.也就是在基態周圍做微擾得到的新拉氏密度不具有整體規範對稱性。

但是由於局域規範對稱性，規範場依然存在。

再舉個例子。

最近很火的室溫超導。

超導體正是因為玻色凝聚導致的U1破缺，會使得光子的麥克斯韋方程發生變化，從而表現出邁斯納效應。

當然了。

南部-戈德斯通定理雖然有問題，但對於兔子們來說卻很適合入門。

按照徐雲的打算。

在瞭解了南部-戈德斯通定理一定時間後大概兩年左右吧，兔子們就會破解它的弊端所在，從而接觸一個進階版的概念：

希格斯機制。

沒錯。

希格斯機制。

這個赫赫有名的物理學框架，正是對南部-戈德斯通定理最佳化而成的。

希格斯機制的具體推導過程就不說了，再介紹下來很多人估摸著都得長腦子，直接解釋它的物理意義吧：

在標準模型中。

除了弱相互作用的三種規範玻色子、以及除了中微子以外的其他基本費米子，全都是透過希格斯機制被直接賦予的質量。

同時W，Z規範波色子如果直接寫出質量項，會違反規範對稱，所以它們也需要希格斯機制才能成立。

如果說基本粒子是人類，那麼希格斯機制就是衣物。

誠然。

對於原始社會來說穿不穿衣服無所謂，但在現代社會層面所有人不穿衣服會是啥樣？

刺激是刺激了，但社會秩序和正常生產生活肯定是別想了。

希格斯機制的重要性可見一斑。

只是在原本歷史中，希格斯機制的發展過程非常複雜，甚至可以說有些磕磕絆絆。

當時戈德斯通定理在62年被提出後遭到了很大的爭議，甚至還遭遇過死亡威脅。

因為理論上來說零質量粒子案例跟重質量粒子案例不同，零質量粒子很容易製成，或者可從缺失能量或動量推測其存在。

但當時的物理學界找不到任何零質量粒子案例，所以這個理論還遭到了後來諾貝爾化學獎得主沃特·吉爾伯特的反對。

接著在五年之後。

希格斯提出了希格斯模型。

他表示將區域性規範不變性理論與自發對稱性破缺的概念以某種特別方式連結在一起，則規範玻色子必然會獲得質量。

再過一年。

溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆各自獨立地應用希格斯機制來打破電弱對稱性，並且認為希格斯機制可以併入格拉肖的電弱理論。

奈何關於規範對稱性的自發性破缺的這些劃時代論文，最初並沒有得到學術界的重視。

因為大多數物理學者都認為非阿貝爾規範理論是個死衚衕，無法被重整化。

這個情況要一直持續到十年之後，傑拉德·特·胡夫特（就是當初暗物質釋出會上出現的那個小老頭兒）發表了兩篇論文才會出現轉機：

他證明了楊-米爾斯理論可以被重整化，不論是對於零質量規範玻色子，還是對於帶質量規範玻色子都是如此。

從那以後物理學者開始接受這些理論，正式將這些理論納入主流。

所以為啥說特·胡夫特間接成就了溫伯格，溫伯格間接成就了楊老，原因就在這裡。

至於可以完全證明希格斯機制的粒子也就是目前唯一一顆標量玻色子，則要到2012年才會被真正發現。

而且這玩意兒的質量是125GeV，需要的對撞能力在300GeV甚至更高，你哪怕再歐皇也不可能用80MeV的裝置撞出來。

因此徐雲對於希格斯機制一直處於一種半糾結的狀態，畢竟目前的歷史已經被他塞的有點滿了.

在他想來。

如果兔子們能夠晚個三四年甚至五六年再想到希格斯機制，或許還會更好一點兒。

畢竟那時候中子彈能不能爆徐雲沒把握，但原子彈和氫彈肯定都已經爆炸成功了，各種裝置負載應該會較輕鬆一點兒。

雖然這樣做的代價多半是這部分的國際話語權會丟失，還會錯過兩個左右的獎項。

但層子模型.也就是夸克能給兔子們帶來最少44種粒子的定義權，讓出個希格斯機制倒也可以接受。

奈何沒想到趙忠堯卻表示能接受個蛋啊，老子全都要！

只能說現實比徐雲想象的還是要大膽的多了.

只是這樣一來。

兔子們肯定要在加速器上投入不少功夫。

以目前國內的狀況來說，有個情況肯定是又得徐雲出手最佳化才行。

而這一招要是出了，那這副本自己可就真是全方位三百六十度參與了.

就在徐雲內心複雜的同時。

數千公里外的首都。

一輛綠皮火車亦是悄然的出發了。

需要提及的是。

車上除了一些貨物之外，僅僅載有

一位乘客。

注：

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(本章完)