趙　煦

(河海大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，江蘇 南京 210098)

?

論標(biāo)準(zhǔn)模型理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性
——以希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)為例

趙煦

(河海大學(xué) 馬克思主義學(xué)院，江蘇 南京 210098)

勞丹的解題理論主張，理論通過(guò)不斷消解反常問(wèn)題，并將未解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐呀鉀Q問(wèn)題而進(jìn)步。馬雷的協(xié)調(diào)論指出，勞丹的解題理論沒(méi)能認(rèn)識(shí)到理論在解決未解決問(wèn)題方面的經(jīng)驗(yàn)新奇性指標(biāo)。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型理論有著重要的意義。標(biāo)準(zhǔn)模型通過(guò)新奇性的預(yù)測(cè)，指導(dǎo)著科學(xué)實(shí)驗(yàn)展開(kāi)對(duì)希格斯玻色子的搜尋；而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)又凸顯了這一理論具有經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力，反過(guò)來(lái)提升了標(biāo)準(zhǔn)模型理論的綜合協(xié)調(diào)力。

希格斯玻色子；標(biāo)準(zhǔn)模型；經(jīng)驗(yàn)新奇性；協(xié)調(diào)論

2013年是“粒子物理學(xué)的一個(gè)分水嶺。旨在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的探索基本完成”[1]367。隨著10月8日諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的揭曉，比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·昂格勒(Francois Englert)和英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯(Peter W.Higgs)因?yàn)樘岢隽诉@一“基本粒子是如何獲得質(zhì)量的理論”[2]而獲得該獎(jiǎng)項(xiàng)。希格斯玻色子(Higgs boson)又稱(chēng)上帝粒子(God particle)，是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子。1964年，羅伯特·布勞特和昂格勒共同提出了一種后來(lái)被稱(chēng)為希格斯機(jī)制的理論。同年，彼得·希格斯也在《物理評(píng)論快報(bào)》發(fā)表文章，獨(dú)立提出了該理論，并預(yù)言了希格斯玻色子存在的可能性。它是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一種被發(fā)現(xiàn)的基本粒子。該粒子的存在可以對(duì)其它基本粒子為何會(huì)有質(zhì)量做出說(shuō)明。因此，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)具有重要意義，受到了人們的廣泛關(guān)注。該粒子的發(fā)現(xiàn)凸顯了標(biāo)準(zhǔn)模型理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性，將大幅提升該理論的解釋力。

一、理論進(jìn)步中經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題的作用

人們?cè)谂c自然長(zhǎng)期接觸的過(guò)程中，不斷解決問(wèn)題，積累經(jīng)驗(yàn)，形成理論。隨后，理論又反過(guò)來(lái)對(duì)經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題產(chǎn)生重要影響。

(一)勞丹的解題理論

面對(duì)世界是如何存在的問(wèn)題，人類(lèi)給出的答案已幾經(jīng)變革。近代以前，人們大多是基于表象認(rèn)知之上進(jìn)行思辨后作出的回答，比如亞里士多德。當(dāng)然，此時(shí)的答案多是模糊且不準(zhǔn)確的。近代以后，在牛頓經(jīng)典力學(xué)的主導(dǎo)下，世界曾一度變得非常清晰——如機(jī)械般地運(yùn)轉(zhuǎn)著，但實(shí)際上，依然存在著“兩朵烏云”。20世紀(jì)初，誕生了相對(duì)論和量子力學(xué)，人們對(duì)世界的認(rèn)識(shí)獲得巨大進(jìn)步，但有關(guān)世界的問(wèn)題卻又再次變得復(fù)雜起來(lái)。愛(ài)因斯坦的后半生一直致力于追求一個(gè)大統(tǒng)一理論，以期為世界做出一個(gè)明確的說(shuō)明，但其中困難重重，今天的標(biāo)準(zhǔn)模型理論就是沿著愛(ài)因斯坦努力的方向，一路走來(lái)形成的結(jié)果。

基于科學(xué)史的以上事實(shí)，勞丹主張，“科學(xué)本質(zhì)上是一種解題活動(dòng)”[3]13。無(wú)論是牛頓經(jīng)典力學(xué)對(duì)世界所作的描繪，還是相對(duì)論與量子力學(xué)對(duì)世界的刻畫(huà)，以及當(dāng)下標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)世界的說(shuō)明，都存在著或多或少的問(wèn)題。理論就是在不斷解決問(wèn)題中獲得進(jìn)步的，也可以說(shuō)，正是這些問(wèn)題的存在，推動(dòng)著科學(xué)不斷進(jìn)步，因?yàn)椤皩?duì)任何理論所作的首要而嚴(yán)格的檢驗(yàn)，應(yīng)視其能否為重要問(wèn)題提供可以接受的解答，換言之，視其能否為重要問(wèn)題提供滿(mǎn)意的解答”[3]15。勞丹指出，科學(xué)理論要解決的問(wèn)題包括經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題和概念問(wèn)題兩種。他花費(fèi)了大量精力討論了其中人們較為熟悉的經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題。那么，什么是經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題呢？勞丹認(rèn)為，“自然界中使我們感到驚奇或需要說(shuō)明的任何事物都可以構(gòu)成一個(gè)經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題?！盵3]17比如，蘋(píng)果為什么會(huì)下落？為什么飛機(jī)能在空中飛行？花兒為什么這樣紅？等等，都屬于經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題。當(dāng)然，上文所述及的亞里士多德、牛頓、愛(ài)因斯坦等人有關(guān)世界的理論，包括標(biāo)準(zhǔn)模型理論，所要解決的問(wèn)題，大多為經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題。

為了更好地說(shuō)明他的主張，勞丹將科學(xué)問(wèn)題分為三類(lèi)：未解決問(wèn)題、已解決問(wèn)題和反常問(wèn)題[3]19。其中，已解決問(wèn)題對(duì)理論的地位的確立有利，因此已解決的問(wèn)題越多越好；反常問(wèn)題的存在則對(duì)理論不利，因?yàn)樗鼮榉磳?duì)某個(gè)理論提供證據(jù)；而未解決問(wèn)題的存在則為科學(xué)的未來(lái)發(fā)展提供了新的探索方向。鑒于此，勞丹表明：“科學(xué)的中心目的是盡可能多地解決經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題，極可能少地產(chǎn)生概念問(wèn)題和反常?！盵3]111那么，當(dāng)有兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)理論T1和T2時(shí)，我們便可以通過(guò)比對(duì)T1和T2的未解決問(wèn)題、已解決問(wèn)題和反常問(wèn)題，來(lái)決定理論的優(yōu)劣。在“地心說(shuō)”和“日心說(shuō)”之爭(zhēng)中，托勒密的地心體系所需要說(shuō)明的問(wèn)題很多，當(dāng)時(shí)“已經(jīng)知道的天體的周期運(yùn)動(dòng)是很多的，因此需要用到近八十個(gè)圓周來(lái)解釋它們的運(yùn)動(dòng)?！盵4]44這“八十個(gè)圓周”解決了日、月、五大行星，以及恒星的運(yùn)行軌道問(wèn)題，但托勒密的地心體系也面臨著一個(gè)很?chē)?yán)重的反常問(wèn)題——他為月球提供的那個(gè)軌道使“月亮離地球的距離可以相差到1/2，從而使月亮的視面積產(chǎn)生1/4的變化”[4]44。而哥白尼的“日心說(shuō)”中僅僅用四十八個(gè)圓周就可以解釋天層表觀運(yùn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)本輪的設(shè)置，還說(shuō)明了“月亮所呈現(xiàn)的視差沒(méi)有很大變化，并且只與本輪有關(guān)”[5]257，成功解決了托勒密的“地心說(shuō)”所無(wú)法克服的反常問(wèn)題。通過(guò)比對(duì)，“日心說(shuō)”不僅能解決“地心說(shuō)”能夠解決的所有問(wèn)題，還能夠解決“地心說(shuō)”所不能解決的反常問(wèn)題。二者優(yōu)劣立現(xiàn)。

(二)理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性

在勞丹的解題理論中，相對(duì)于已解決問(wèn)題和反常問(wèn)題而言，未解決問(wèn)題的地位就沒(méi)那么重要了。雖然勞丹也認(rèn)識(shí)到，“把未解決問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐呀鉀Q問(wèn)題的確是進(jìn)步理論確立其科學(xué)地位的途徑之一”[3] 20，但他同時(shí)又強(qiáng)調(diào)，“一項(xiàng)理論如不能解決某些未解決問(wèn)題，一般并不能對(duì)此理論造成多大損害”[3]24。原因是我們既無(wú)法斷定一個(gè)經(jīng)驗(yàn)事件是否為真，又不清楚這一事件該用什么理論來(lái)解決。

對(duì)于勞丹有關(guān)未解決問(wèn)題的這種態(tài)度，我國(guó)學(xué)者馬雷明確表示了不滿(mǎn)。在馬雷看來(lái)，未解決問(wèn)題的重要性并不低于已解決問(wèn)題，因?yàn)樵谝呀鉀Q問(wèn)題中，待解釋或說(shuō)明的現(xiàn)象是已知的，要想在已知現(xiàn)象與理論之間建立某種聯(lián)系并不困難；而在未解決問(wèn)題中，預(yù)測(cè)的現(xiàn)象是未知的，這就要求從理論中推導(dǎo)出事件，并要在未來(lái)得到經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證，這對(duì)理論的要求很高，所以“預(yù)測(cè)現(xiàn)象比解釋或說(shuō)明現(xiàn)象要困難得多。”[6]106為了解決勞丹的解題理論的這一缺陷，馬雷提出了理論在未解決問(wèn)題中發(fā)揮預(yù)測(cè)作用的經(jīng)驗(yàn)新奇性評(píng)價(jià)指標(biāo)。他指出，因?yàn)槔碚撌瞧毡樾越?jīng)驗(yàn)陳述或普遍性經(jīng)驗(yàn)陳述的組合，所以就有了推測(cè)未知事物或事件的能力。不同理論的預(yù)測(cè)力差別很大，有的理論只能對(duì)未知作一般性的預(yù)測(cè)，而有的理論則可以作新奇的預(yù)測(cè)。比如，能量的轉(zhuǎn)化和守恒定律會(huì)預(yù)測(cè)水壺中的水沸騰時(shí)水蒸氣對(duì)壺蓋做功將壺蓋頂起，表明能量轉(zhuǎn)化產(chǎn)生了機(jī)械能。馬雷認(rèn)為，這一預(yù)測(cè)不具有新奇性。一個(gè)具有新奇性的理論必然能夠做出新奇的預(yù)測(cè)。所謂“新奇性由預(yù)見(jiàn)與已有知識(shí)的距離來(lái)衡量，距離越大越新奇”[6]104，而距離大“就是預(yù)測(cè)到的現(xiàn)象基于我們的備用知識(shí)是我們從不知道、無(wú)法理解或不能接受的”[6]104。比如，愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論預(yù)言光線(xiàn)彎曲就屬于理論新奇性的典型體現(xiàn)。

很顯然，勞丹的解題模式并不重視理論的預(yù)測(cè)力，沒(méi)有看到問(wèn)題有一般性問(wèn)題和新奇性問(wèn)題之別，只看到未解決問(wèn)題是理論進(jìn)步的可能方向之一，而忽視了理論對(duì)未解決問(wèn)題具有新奇性預(yù)測(cè)的功能。因此，他只強(qiáng)調(diào)了解題的數(shù)量，而“沒(méi)有從解題的質(zhì)量上看問(wèn)題或理論的價(jià)值”[6]106。這顯然會(huì)導(dǎo)致對(duì)相互競(jìng)爭(zhēng)理論之間進(jìn)行比較上的混亂，因?yàn)楫?dāng)兩個(gè)理論T1和T2在預(yù)測(cè)未知時(shí)，T1做出了一個(gè)新奇的預(yù)測(cè)，而T2做出了一個(gè)一般的預(yù)測(cè)，根據(jù)勞丹的解題模式，我們無(wú)法說(shuō)明哪一個(gè)理論更重要。這與科學(xué)客觀的經(jīng)驗(yàn)事實(shí)不符。在自由落體運(yùn)動(dòng)中，亞里士多德的理論只能預(yù)測(cè)一塊石頭比一片樹(shù)葉下落的速度快，這是一個(gè)一般的預(yù)測(cè)；而伽利略的理論則可預(yù)測(cè)兩個(gè)大小不同的石頭下落的速度一樣快，這是一個(gè)新奇的預(yù)測(cè)。僅從勞丹的解題數(shù)量上看，二個(gè)理論解題能力相當(dāng)，但實(shí)際上伽利略的能夠做出新奇性預(yù)測(cè)的理論顯然更勝一籌。

二、標(biāo)準(zhǔn)模型理論對(duì)希格斯玻色子的新奇性預(yù)測(cè)

基于理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性指標(biāo)，既注重理論的解題數(shù)量，又考慮到理論解題質(zhì)量的重要性，更加符合科學(xué)史的實(shí)際。2012年7月4日，希格斯玻色子被宣布發(fā)現(xiàn)。在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)前后，其在標(biāo)準(zhǔn)模型理論中的作用頗有爭(zhēng)議。隨著2013年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的頒布，希格斯玻色子的存在得到了人們的廣泛認(rèn)可。從標(biāo)準(zhǔn)模型理論對(duì)希格斯玻色子預(yù)測(cè)的經(jīng)驗(yàn)新奇性著手，既可對(duì)希格斯玻色子的作用有一個(gè)深刻的認(rèn)識(shí)，又可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的未來(lái)發(fā)展有著指導(dǎo)作用。

(一)標(biāo)準(zhǔn)模型理論努力的方向

目前，已知自然界中物體之間的相互作用力有4種：引力(重力)、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。愛(ài)因斯坦在運(yùn)用相對(duì)論解決了重力問(wèn)題之后，便開(kāi)始追求一個(gè)大統(tǒng)一理論，試圖將上述各種力都囊括其中，他在這一方向上花費(fèi)了他的后半生的精力，但最終卻失敗了。事實(shí)上，科學(xué)史表明，愛(ài)因斯坦追求的總體方向是正確的。后來(lái)的科學(xué)家們正是沿著愛(ài)因斯坦的足跡前行方才取得今天的成就。不過(guò)，今天看來(lái)，愛(ài)因斯坦的失敗是由于他的步子跨得太大，因?yàn)檫@其中包含的未解決問(wèn)題太多。

愛(ài)因斯坦的相對(duì)論著眼于整個(gè)宇宙，視野開(kāi)闊。與此相對(duì)的是，近現(xiàn)代物理學(xué)的另一大特色就是發(fā)現(xiàn)了一大堆電子、夸克、中微子之類(lèi)的粒子。一開(kāi)始的時(shí)候，科學(xué)家們普遍感到很興奮，但隨著發(fā)現(xiàn)的各種各樣的粒子越來(lái)越多，這一現(xiàn)象就逐漸轉(zhuǎn)變成了科學(xué)家們深感困惑的一個(gè)難題?；玖Ｗ訒?huì)變得更多嗎？這些基本粒子之間毫無(wú)關(guān)聯(lián)，就是亂哄哄地存在著嗎？還是存在著一個(gè)可以將這些粒子囊括于其中的機(jī)制？

圍繞著基本粒子之間關(guān)系問(wèn)題，出現(xiàn)了幾個(gè)相互競(jìng)爭(zhēng)理論：弦理論、彩色理論、標(biāo)準(zhǔn)模型等。其中，標(biāo)準(zhǔn)模型理論是當(dāng)下物理學(xué)領(lǐng)域最為成功的理論。該理論主張，構(gòu)成世界的基本物質(zhì)粒子共有18種夸克、6種輕子和12種規(guī)范玻色子(傳遞相互作用的規(guī)范粒子)，再加上每一種物質(zhì)粒子所對(duì)應(yīng)的反粒子(規(guī)范玻色子包括光子、3種弱相互作用粒子和8種膠子，它們本身就是自己的反粒子)，標(biāo)準(zhǔn)模型中共包含了至少61種基本粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型理論認(rèn)為，物質(zhì)不可能再分割為比這些基本粒子更小的單元?？雌饋?lái)基本粒子的陣容還是相當(dāng)龐大的，但想想我們的紛繁復(fù)雜的世界，你就會(huì)覺(jué)得標(biāo)準(zhǔn)模型中透出的蘊(yùn)含于世界中的簡(jiǎn)單的美。

可問(wèn)題依然存在。標(biāo)準(zhǔn)模型中如此簡(jiǎn)潔的基本粒子組合，又可與實(shí)驗(yàn)事實(shí)符合的很好，但其背后卻隱藏著一個(gè)令人費(fèi)解的難題。所有這些物質(zhì)粒子都有一個(gè)屬性——質(zhì)量——這是一種抗拒被移來(lái)移去的屬性。不同的物質(zhì)粒子的質(zhì)量各不相同，從質(zhì)量最輕的電子、中微子到質(zhì)量最重的頂夸克，跨越了超過(guò)11個(gè)量級(jí)之多。但這些質(zhì)量來(lái)自何方，又為什么如此千差萬(wàn)別呢？

在現(xiàn)代科學(xué)中，圍繞上述問(wèn)題，人們從不同的角度進(jìn)行了研究。事實(shí)上，有越來(lái)越多的跡象表明，雖然一開(kāi)始的時(shí)候，著眼于粒子世界的許多科學(xué)家與愛(ài)因斯坦對(duì)大統(tǒng)一理論的追求并不相同，但結(jié)果卻顯示，二者的終極方向是一致的。

(二)希格斯玻色子的“發(fā)明”

為了解決海森堡的質(zhì)子—中子相互作用理論中，質(zhì)子之間的相互作用及作用強(qiáng)度的問(wèn)題，楊振寧和米爾斯引進(jìn)了一個(gè)新的場(chǎng)。在楊·米爾斯場(chǎng)論中，楊振寧和米爾斯將簡(jiǎn)單的SU(1)對(duì)稱(chēng)群擴(kuò)展為SU(2)對(duì)稱(chēng)群，其中含有兩個(gè)攜帶電荷的場(chǎng)粒子和一個(gè)中性的場(chǎng)粒子。楊·米爾斯場(chǎng)論是一個(gè)優(yōu)美的理論，但該理論面臨著一個(gè)嚴(yán)重的反常就是，其中的場(chǎng)粒子是無(wú)質(zhì)量的。這無(wú)法解決原子核內(nèi)部的強(qiáng)相互作用力問(wèn)題。

事實(shí)上，隨著科學(xué)家們收獲了越來(lái)越多的基本粒子，粒子的質(zhì)量之源越來(lái)越成為困擾人們的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。即使是后來(lái)蓋爾曼發(fā)現(xiàn)了SU(3)群，可以提供一個(gè)能把當(dāng)時(shí)所有已知粒子的范圍和種類(lèi)都囊括于其中的群結(jié)構(gòu)，粒子的質(zhì)量問(wèn)題依然無(wú)法解決。對(duì)此，南部陽(yáng)一郎給出的結(jié)論是：打破對(duì)稱(chēng)性，你就會(huì)因此獲得粒子的質(zhì)量[7]61。不過(guò)，不久之后戈德斯通就指出，對(duì)稱(chēng)性破缺的后果之一是又必然會(huì)產(chǎn)生出一個(gè)無(wú)質(zhì)量的粒子。他還“本能地感覺(jué)到這些粒子的產(chǎn)生是一個(gè)適用于所有對(duì)稱(chēng)性的一般性結(jié)果，并于1961年將這一看法上升到了原理的高度”[7]62，即戈德斯通定理。事實(shí)上，后來(lái)在南部和約翰·拉西尼奧合作的一篇論文中，他們也發(fā)現(xiàn)了同樣的問(wèn)題。

打破對(duì)稱(chēng)性本來(lái)是為了解決粒子的質(zhì)量之源提出的解決方案，但這卻是以產(chǎn)生更多的新的無(wú)質(zhì)量粒子為代價(jià)的。雖然，南部和約翰·拉西尼奧也試圖化解這一問(wèn)題，他們聲稱(chēng)，這些無(wú)質(zhì)量粒子實(shí)際上可以獲得很小的質(zhì)量，因此可被視為π介子。由于無(wú)法給出令人信服的論證，因此，這樣的解釋顯得有些蒼白無(wú)力。人們依然認(rèn)為，南部的方案“解決了一個(gè)問(wèn)題，卻又出現(xiàn)了另一個(gè)問(wèn)題。要想取得任何進(jìn)展，必須找到某種避開(kāi)或突破戈德斯通定理的途徑。”[7]62

在這一背景下，希格斯機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生。希格斯發(fā)現(xiàn)，在SU(3)群中，有兩個(gè)非零真空期望值，可以被選作八個(gè)維度中的兩維：Y= 0，I3=0[8]508。這意味著，我們所說(shuō)的真空并非絕對(duì)真空，而是有一個(gè)含有非零值的場(chǎng)遍布其中——即人們所謂的希格斯場(chǎng)。這頗有點(diǎn)以太要重新回歸的味道。大量的標(biāo)量玻色子擁有這些量子數(shù)，余下的其它六維對(duì)應(yīng)的是矢量玻色子。在希格斯場(chǎng)的作用下，各種玻色子發(fā)生相互作用。希格斯指出，“可以預(yù)期的是，為了打破Y的保護(hù)，進(jìn)一步的機(jī)制(可能與弱相互作用相關(guān))將被采用，這些規(guī)范場(chǎng)之一將獲得質(zhì)量，僅留下光子作為唯一的無(wú)質(zhì)量的矢量粒子?！盵8]509希格斯為除了光子之外的其它所有粒子找到了一條獲得質(zhì)量的可能路徑。該理論的“一個(gè)基本特性是對(duì)標(biāo)量玻色子和矢量玻色子的不完全多重態(tài)的預(yù)測(cè)”[8]509。希格斯相信，“這一特性也將在對(duì)稱(chēng)性破缺標(biāo)量場(chǎng)的有關(guān)理論中出現(xiàn)。”[8]509

雖然希格斯沒(méi)有對(duì)這一機(jī)制作出更加細(xì)致的闡述，但在希格斯場(chǎng)的作用下，存在一個(gè)可與其它各種無(wú)質(zhì)量的玻色子發(fā)生相互作用而產(chǎn)生目前世界中各種有質(zhì)量粒子的玻色子——希格斯玻色子，已成為必然。標(biāo)準(zhǔn)模型理論就是這一機(jī)制演化的結(jié)果。毫無(wú)疑問(wèn)，希格斯玻色子是否存在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的意義非同一般。但在事實(shí)上，希格斯玻色子的“發(fā)明”早于標(biāo)準(zhǔn)模型理論。

(三)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性預(yù)測(cè)力

20世紀(jì)70年代，標(biāo)準(zhǔn)模型理論提出之初，人們對(duì)其未來(lái)的發(fā)展前景態(tài)度不一。因?yàn)樵摾碚撌窃诮鉀Q了一定的問(wèn)題基礎(chǔ)之上形成的，但同時(shí)有待其解決的問(wèn)題還有很多，甚至還有些影響到該理論正確與否的反常問(wèn)題。

在粒子物理學(xué)史中，基本粒子是如何組成，以及它們之間相互作用力是如何傳遞的問(wèn)題，一直困擾著科學(xué)家們。1974年，J/ψ粒子的發(fā)現(xiàn)，使得科學(xué)家們得以能夠歸納并整理基本粒子的組合方式，并在溫伯格的電弱統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)之上，形成標(biāo)準(zhǔn)模型理論。即在標(biāo)準(zhǔn)模型理論產(chǎn)生之初，該理論所擁有的已解決問(wèn)題只有一個(gè)——形成一個(gè)統(tǒng)一的框架。

當(dāng)然，早期的標(biāo)準(zhǔn)模型理論在取得少許成就的同時(shí)，也面臨著許多未解決問(wèn)題。理論上存在的頂夸克沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)室中被觀測(cè)到，中微子還有待檢測(cè)，更為關(guān)鍵的是，“如果該理論是正確的，那么與一個(gè)無(wú)孔不入的能量場(chǎng)(即希格斯場(chǎng))的相互作用就是造成弱作用力的傳遞者被賦予質(zhì)量的原因。倘若希格斯場(chǎng)存在，那么希格斯玻色子也一定存在?！盵7]126而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，所需要的能量級(jí)的對(duì)撞機(jī)當(dāng)時(shí)是不具備的。此外，該理論模型中引入的參量有20個(gè)之多，其中12個(gè)用于確定夸克和輕子的質(zhì)量，且這些參量無(wú)法從理論本身推導(dǎo)出來(lái)。這一理論顯然不夠簡(jiǎn)潔，與人們長(zhǎng)久以來(lái)對(duì)大自然所持的簡(jiǎn)單性信念不太一致，不符合自然的美的追求，造成人們對(duì)該理論的心理沖突。這些問(wèn)題都有待新生的標(biāo)準(zhǔn)模型理論去一一解決。

標(biāo)準(zhǔn)模型理論形成后的30多年間，人們尋找希格斯玻色子的努力一直在持續(xù)進(jìn)行，雖然屢屢受挫，但還是有幾個(gè)其它的標(biāo)準(zhǔn)模型粒子被發(fā)現(xiàn)，將標(biāo)準(zhǔn)模型理論的部分未解決問(wèn)題轉(zhuǎn)化為已解決問(wèn)題。理論產(chǎn)生不久，W粒子和Z粒子被發(fā)現(xiàn)，而且這兩個(gè)粒子的質(zhì)量都符合理論預(yù)期，為標(biāo)準(zhǔn)模型的正確性提供了有力的支持，大大提升了該理論的經(jīng)驗(yàn)協(xié)調(diào)力。1995年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克。2000年時(shí)，同樣是費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，觀測(cè)到了中微子的蹤跡。這是標(biāo)準(zhǔn)模型中除希格斯玻色子之外的最后一種被發(fā)現(xiàn)的粒子。

特別是希格斯玻色子——標(biāo)準(zhǔn)模型理論中最后被發(fā)現(xiàn)的這個(gè)基本粒子，將理論中粒子家族構(gòu)成的所有主要的未解決問(wèn)題轉(zhuǎn)化為已解決問(wèn)題，使得這一理論的預(yù)測(cè)力進(jìn)一步提高，凸顯了該理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力。

不過(guò)，與在實(shí)驗(yàn)室中科學(xué)家們對(duì)粒子家族的成功追尋不相稱(chēng)的是，標(biāo)準(zhǔn)模型理論還面臨著嚴(yán)重的反常問(wèn)題，即它與引力不能兼容，“沒(méi)有人知道如何將這種早就被發(fā)現(xiàn)了的力添加到模型中去?！盵9]351直到今天，該問(wèn)題依然嚴(yán)重威脅著標(biāo)準(zhǔn)模型理論的合法存在。

雖然，反常問(wèn)題依然存在，但理論的協(xié)調(diào)力卻已有很大提高。在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之前，該理論有可能被證偽。隨著希格斯玻色子的出現(xiàn)，該理論被證偽的可能性已大為減小。反常問(wèn)題的消除有可能在將來(lái)通過(guò)對(duì)理論的修補(bǔ)和調(diào)整而實(shí)現(xiàn)。

三、希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)模型理論的協(xié)調(diào)論說(shuō)明

對(duì)希格斯玻色子進(jìn)行搜尋的過(guò)程，就是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型理論在經(jīng)驗(yàn)、概念和背景三個(gè)方面的協(xié)調(diào)力不斷提升的過(guò)程。

(一)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的經(jīng)驗(yàn)協(xié)調(diào)力

截至到目前，標(biāo)準(zhǔn)模型理論對(duì)W粒子、Z粒子、頂夸克、中微子，以及希格斯玻色子的預(yù)測(cè)均已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。在協(xié)調(diào)論中，經(jīng)驗(yàn)新奇性中的“新奇”是指理論所做的預(yù)測(cè)已經(jīng)得到了觀測(cè)型經(jīng)驗(yàn)問(wèn)子*協(xié)調(diào)論主張：任何理論都是有兩部分構(gòu)成，即問(wèn)題部分和對(duì)問(wèn)題的解答部分。問(wèn)題部分由問(wèn)子和提問(wèn)方式構(gòu)成。問(wèn)子是那些我們感到好奇、渴望理解并對(duì)之提問(wèn)的東西。解答部分由解子或解子的聯(lián)結(jié)構(gòu)成。解子是所有單一的內(nèi)在策略和外在策略的通稱(chēng)。問(wèn)子與解子分為經(jīng)驗(yàn)問(wèn)子與經(jīng)驗(yàn)解子、概念問(wèn)子與概念解子、背景問(wèn)子與背景解子三大類(lèi)。的驗(yàn)證。需要強(qiáng)調(diào)的是，經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力要求理論在現(xiàn)象呈現(xiàn)之前就做出預(yù)測(cè)，這與科學(xué)史上的許多著名發(fā)現(xiàn)之后作出相對(duì)應(yīng)的解釋不同。比如，1895年時(shí)，倫琴緣于一次偶然的機(jī)會(huì)發(fā)現(xiàn)了X射線(xiàn)，但當(dāng)時(shí)的科學(xué)家們，包括倫琴本人在內(nèi)，都不知道這種看不見(jiàn)的神秘射線(xiàn)究竟是什么。后來(lái)人們給出的解釋是：X射線(xiàn)是一種波長(zhǎng)很短的電磁波。今天我們知道，X射線(xiàn)的波長(zhǎng)介于紫外線(xiàn)和γ之間，約為(20—0.06)×10-8厘米之間。雖然我們今天能夠?qū)射線(xiàn)予以精確的理論解釋和說(shuō)明，但此類(lèi)理論卻并不具有經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力，因?yàn)椤敖?jīng)驗(yàn)新奇性不是對(duì)新奇現(xiàn)象(即觀測(cè)型經(jīng)驗(yàn)問(wèn)子)的解釋?zhuān)穷A(yù)言的新奇現(xiàn)象(理論型經(jīng)驗(yàn)問(wèn)子)得到觀測(cè)型經(jīng)驗(yàn)問(wèn)子的驗(yàn)證”[6]106-107。事實(shí)上，今天我們對(duì)X射線(xiàn)的認(rèn)識(shí)和說(shuō)明，只是所謂的“事后諸葛亮”現(xiàn)象。而標(biāo)準(zhǔn)模型理論是在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)之前所做的預(yù)測(cè)，一旦該預(yù)測(cè)被經(jīng)驗(yàn)事實(shí)所驗(yàn)證，理論的經(jīng)驗(yàn)協(xié)調(diào)力就將立刻大幅提升。這與愛(ài)因斯坦的相對(duì)論對(duì)水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)、引力場(chǎng)光的紅移，以及引力場(chǎng)光的偏轉(zhuǎn)的三大預(yù)言，在得到經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證之后，為人們廣泛接受，是同樣的道理——皆是由于其經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力顯現(xiàn)的結(jié)果。

“一個(gè)理論如果能作出與事實(shí)相符的新奇預(yù)測(cè)(當(dāng)然越多越好)，那么它必定能增強(qiáng)理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力?！盵6]107在標(biāo)準(zhǔn)模型理論發(fā)展的過(guò)程中，隨著一系列基本粒子的發(fā)現(xiàn)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷累積，標(biāo)準(zhǔn)模型所面對(duì)的經(jīng)驗(yàn)問(wèn)題的解子和問(wèn)子數(shù)之比也在不斷發(fā)生著相應(yīng)的變化?？傮w上看，標(biāo)準(zhǔn)模型理論的經(jīng)驗(yàn)新奇性協(xié)調(diào)力的增強(qiáng)，推動(dòng)著理論的綜合協(xié)調(diào)力得到整體提升。

(二)標(biāo)準(zhǔn)模型理論的概念協(xié)調(diào)力和背景協(xié)調(diào)力

一個(gè)具有強(qiáng)大生命力的理論從來(lái)都不是一成不變的。標(biāo)準(zhǔn)模型理論也是如此。這一理論誕生之后，在科學(xué)實(shí)踐中不斷改變自身，努力實(shí)現(xiàn)與經(jīng)驗(yàn)事實(shí)相符合。確切地說(shuō)，就是在標(biāo)準(zhǔn)模型理論中預(yù)測(cè)的粒子、力、質(zhì)量等與實(shí)際的科學(xué)實(shí)驗(yàn)中人們得到的具體數(shù)據(jù)有所出入。在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤的前提下，科學(xué)家們要么對(duì)理論進(jìn)行調(diào)整，以期與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相一致，從而推動(dòng)理論不斷發(fā)展；要么選擇放棄，重新構(gòu)建理論，取而代之。

對(duì)理論的調(diào)整或修補(bǔ)，相伴隨的是標(biāo)準(zhǔn)模型的概念協(xié)調(diào)力的提升。在標(biāo)準(zhǔn)模型中，夸克的發(fā)現(xiàn)與發(fā)展可讓我們對(duì)理論概念協(xié)調(diào)力的提升有一個(gè)明確的認(rèn)識(shí)。1964年，蓋爾曼提出夸克時(shí)，它僅僅是一種邏輯構(gòu)造。最初的夸克為三種：上夸克、下夸克和奇異夸克。相對(duì)應(yīng)還有三種反夸克。當(dāng)時(shí)，人們對(duì)夸克的認(rèn)識(shí)是模糊的。事實(shí)上，直到今天，由于夸克的奇特的性質(zhì)——它從不單獨(dú)出現(xiàn)，使得夸克是不是作為一種實(shí)體而存在——即夸克的根本屬性，依然在困擾著許多人。雖然，夸克的產(chǎn)生將以前發(fā)現(xiàn)的上百種粒子簡(jiǎn)化為三種粒子組合，這是一個(gè)巨大的進(jìn)步，但標(biāo)準(zhǔn)模型理論的問(wèn)題依然存在，比如夸克是如何組合到一起的，就是一個(gè)隨之而來(lái)的新問(wèn)題。在70年代粲夸克發(fā)現(xiàn)后，該理論開(kāi)始做出多次正確的預(yù)測(cè)，且可為實(shí)驗(yàn)所驗(yàn)證?？淇死碚撚辛诉M(jìn)一步的發(fā)展，但問(wèn)題依然沒(méi)有得到解決，而且人們又發(fā)現(xiàn)了夸克的另一個(gè)怪異的特性——漸近自由。為了使得標(biāo)準(zhǔn)模型理論的解題能力得到進(jìn)一步的提升，蓋爾曼提出了“色”的概念，雖然今天我們知道“色以及夸克和膠子永遠(yuǎn)只是黑箱的一部分，只是個(gè)抽象體，它永遠(yuǎn)無(wú)法觸發(fā)蓋革計(jì)數(shù)器，永遠(yuǎn)不會(huì)在氣泡室留下蹤跡，也永遠(yuǎn)不會(huì)觸動(dòng)電子探測(cè)器的導(dǎo)線(xiàn)，”[9]345但標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)于粒子家族的說(shuō)明卻已逐漸趨于完善。今天，標(biāo)準(zhǔn)模型中包含18種夸克、6種輕子、12種規(guī)范玻色子，其中的18種夸克就是由6種夸克，每種夸克都有3種色演化而來(lái)。

事實(shí)上，標(biāo)準(zhǔn)模型中對(duì)希格斯玻色子探尋也存在與夸克理論同樣的問(wèn)題。在具體的科學(xué)實(shí)踐中，標(biāo)準(zhǔn)模型理論對(duì)于希格斯玻色子的質(zhì)量方面的預(yù)測(cè)，也在不斷調(diào)整。這是標(biāo)準(zhǔn)模型理論自我完善的過(guò)程，也是理論的概念協(xié)調(diào)力逐步提升的過(guò)程。

在希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)的前后，標(biāo)準(zhǔn)模型理論的發(fā)展，除了理論的經(jīng)驗(yàn)協(xié)調(diào)力和概念協(xié)調(diào)力得到提升，其背景協(xié)調(diào)力也在發(fā)生變化。1964年，“希格斯機(jī)制并沒(méi)有馬上贏得人們的信任”[7]71。那一年，希格斯將他的論文投到《物理快報(bào)》，卻遭到了拒絕。此時(shí)，這一新理論面臨著嚴(yán)重的心理沖突。1967年，雖然這一領(lǐng)域又經(jīng)過(guò)溫伯格、基布爾、薩拉姆等人的研究，但“沒(méi)有人在意他們的論文?！瓫](méi)有幾個(gè)人能夠弄懂?！盵7]77就在2000年時(shí)，霍金還和美國(guó)物理學(xué)家凱恩打了一個(gè)賭，認(rèn)為希格斯玻色子不可能存在。事實(shí)上，希格斯玻色子對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型理論造成的心理沖突一直持續(xù)到該粒子被發(fā)現(xiàn)時(shí)止。這一不協(xié)調(diào)——即該理論的沖突狀態(tài)，還是導(dǎo)致SSC項(xiàng)目最終破產(chǎn)的重要因素之一。當(dāng)然，在2012年希格斯玻色子被宣布發(fā)現(xiàn)之后，“這個(gè)新玻色子的質(zhì)量處于125—126千兆電子伏之間，并且恰好以人們預(yù)期希格斯玻色子應(yīng)具有的方式與其它標(biāo)準(zhǔn)模型粒子發(fā)生相互作用”[7]178，人們逐漸轉(zhuǎn)向支持該粒子的存在，“盡管諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給希格斯之后仍然存在雜音，但粒子物理學(xué)界基本感覺(jué)滿(mǎn)意?！盵1]367標(biāo)準(zhǔn)模型理論在背景方面從沖突轉(zhuǎn)向了協(xié)調(diào)，背景協(xié)調(diào)力也得到了提升。

四、結(jié)　語(yǔ)

值得一提的是，盡管希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)模型理論在經(jīng)驗(yàn)、概念和背景三個(gè)方面的綜合協(xié)調(diào)力都得到提升，但這并不具有絕對(duì)的判決力，即標(biāo)準(zhǔn)模型理論并非一個(gè)絕對(duì)正確無(wú)誤的終極理論。因?yàn)樵撃Ｐ筒⒉荒芙忉屛覀兪澜绲囊恍┗締?wèn)題。一個(gè)突出的問(wèn)題是，今天我們已逐步實(shí)現(xiàn)電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力的統(tǒng)一，但引力問(wèn)題仍未得到解決。此外，從暗物質(zhì)、暗能量，到中微子的微小的質(zhì)量，以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔茫覀冎烙懈嗟膯?wèn)題存在，但這些需要標(biāo)準(zhǔn)模型理論的協(xié)調(diào)力繼續(xù)提升，方可做出回答。在世界面前，人們將永遠(yuǎn)走在探索的征途中。

[1] Nigel Lockyer.Particle physics:Together to the next frontier[J].Nature，504:367-368.

[2] 2013 Nobel Prize in Physics[EB/OL].http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/.

[3] [美]拉瑞·勞丹.進(jìn)步及其問(wèn)題[M].劉新民，譯.北京:華夏出版社，1999.

[4] [波蘭]尼古拉·哥白尼.天體運(yùn)行論[M].葉式輝，譯.西安:陜西人民出版社，1999.

[5] [英]斯蒂芬·F·梅森.自然科學(xué)史[M].周煦良，等，譯.上海:上海譯文出版社，1980.

[6] 馬雷.沖突與協(xié)調(diào)[M].北京:商務(wù)印書(shū)館，2008.

[7] [英]吉姆·巴戈特.希格斯——“上帝粒子”的發(fā)明與發(fā)現(xiàn)[M].邢志忠，譯.上海:上?？萍冀逃霭嫔?，2013.

[8] Peter W.Higgs.Broken Symmetries And The Masses of Gauge Bosons[J].PhysicalReviewLetters，13.

[9] [美]利昂·萊德曼，迪克·泰雷西.上帝粒子——假如宇宙是答案，究竟什么是問(wèn)題？[M].米緒軍，等，譯.上海：上?？萍冀逃霭嫔?，2003.

On The Empirical Newness of Standard Model——A Case Study on the Discovery of The Higgs Boson

ZHAO Xu

(School of Marxism，Hehai University， Nanjing 210098，China)

Laudan’s Solving Problems Theory claims that theories make progress by solving anomalous problems continuously，and transforming unresolved problems into resolved problems.Ma Lei’s Coordination noted that Laudan’s Solving Problems Theory failed to recognize the index of empirical newness that theories have at the unresolved problems.The discovery of Higgs boson has important significance for Standard Model.Standard Model guided scientific experiments to search for the Higgs boson by empirical newness pridiction; while the discovery of Higgs boson highlights that the theory has empirical newness，which in turn raises the coordinated force of Standard Model.

Higgs Boson; Standard Model; Empirical Newness; Coordination

[DOI]10.16164/j.cnki.22-1062/c.2016.04.023

2014-10-27

國(guó)家社科基金青年項(xiàng)目(12CZX015)；江蘇省高校哲學(xué)社會(huì)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(2014SJD202)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助(2014B19514)。

趙煦(1978-)，男，江蘇泗陽(yáng)人，河海大學(xué)馬克思主義學(xué)院副教授，哲學(xué)博士。

B82-057

A

1001-6201(2016)04-0140-06

[責(zé)任編輯：秦衛(wèi)波]