希格斯：有和无的故事

作者： 王克迪

2013.10.14 来源： 学习时报   

　　实际上，世界上有无数物理学家时时刻刻在观察思考研究中，他们提出的各种运算、模型、解释和理论，其中绝大多数都是错误的、无用的或不重要的。少数杰出人物也不是一蹴而就，而是许多人相互启发逐步摸索推进。

　　希格斯和恩格勒十分幸运，他们瞥见物质最深处和宇宙最初一瞬间的奥秘，至此，我们可以说，规范理论和标准模型最重要的一块基石安放妥当。

　　2013年10月8日，因为“次原子粒子质量的生成机制理论，促进了人类对这方面的理解，并且最近由欧洲核子研究组织属下大型强子对撞机的超环面仪器及紧凑 子线圈探测器发现的基本粒子证实”，弗朗索瓦 恩格勒、彼得得希格斯荣获2013年诺贝尔物理学奖。

　　长焦镜

　　从 9月初以来，关心现代物理学的朋友，就纷纷开始猜测，2013年诺贝尔物理学奖得主必定是彼得 希格斯。10月8日，结果揭晓时很多人有点惊讶，希格斯获得了物理学奖，但是还有一位，佛朗索瓦耘恩格勒，而且居然排在了希格斯的前面！他们两人的获奖原因是一样的：理论上发现了希格斯子！

　　实情是恩格勒的工作略早。那是 1964年，恩格勒提出了理论猜测：由于对称性自发破却，质量会产生出来；而希格斯的工作虽稍晚，但却更加详尽精准，他选用一个最简单的模型阐明质量产生的机制和过程。还不止于此，使得希格斯扬名立万的，是大名鼎鼎的S.温伯格，温伯格把希格斯的贡献“擢升”到第一位，事出一个很低级的错误，他引用希格斯的文章时发生笔误，在参考文献中把希格斯的文章发表时间提前了一年，于是后来人们都以为希格斯的工作比恩格勒的工作更早。于是恩—希两人都理论预言的粒子就获得了希格斯粒子的名称。

　　从某种意义上说，温伯格十分需要希格斯提出的机制。温伯格与格拉肖和萨拉姆等人提出弱电统一理论，这一理论用不带质量的光子描述电磁作用，或者说电磁力由光子来传递；但是在描述弱作用的时候，就不得不用 3种有质量的新粒子来描述：W粒子、w粒子和中性的z子。然而，开始的时候，他们的理论不能有质量参与，但已有的物理理论和实验事实要求必须有质量出现，于是他们试图用人类之手把质量放进去——这就已经不再是物理学了。

　　理论上存在着希格斯机制，“拯救”了温伯格等人的弱电统一理论。希格斯机制解决了温伯格理论中既不能有带质量粒子参与电磁相互作用、又需要带质量粒子产生短程弱作用力的矛盾，如果没有这一机制，弱电统一理论从一开始就失去合理性。特别是，希格斯的理论发明很好地解决了质量“从无到有”的机制，这一机制很容易让西方人马上联想到《圣经 创世纪》第一章，因此媒体喜欢把希格斯粒子称为“上帝粒子”，而物理学家们包括希格斯本人并不喜欢这个名称。

　　温伯格、格拉肖和萨拉姆同获1979年诺贝尔奖。1983年，人们在加速器中发现了Z0，几个月后，又进一步发现了正负W子。然而，希格斯和恩格勒却等了差不多半个世纪，才获得最高科学奖赏。

　　广角镜

　　众所周知，伟大的爱因斯坦在提出狭义和广义相对论之后，后半生一直致力于实现一个宏伟的梦想，那就是用他的广义相对论理论统一所有已知的物理学理论。晚年时，他意识到自己不可能完成宏愿，悲哀地说自己的工作将被遗忘。1954年，年轻的杨振宁和米尔斯另辟蹊径，提出在量子力学理论基础上，用一种称为“规范场”的理论构想来实现统一之梦，现在一般称为“杨—米尔斯场”。依据是，早在1930年代，女数学家E.诺特就指出，对称性与守恒量是一一对应的，世界上存在着一种对称性，必定也存在一种守恒量。而数学上早已提出的规范变换思想与物理学中的对称型和一种称为“局域变换”的规则具有高度的相关性。这一思路吸引很多数学家和物理学家，到50年代，物理学家已经可以肯定，规范场、对称性和守恒量之间存在着一一对应关系：

　　杨振宁和米尔斯指出，运用这样的思路，可以重新审视所有已知的理论和发现的粒子。这是一条完全不同于爱因斯坦的新路径，它完全属于战后新崛起的一代物理学家。1956年，杨振宁和李政道运用这一思路成功解决了弱作用下宇称不守恒问题，次年获得诺贝尔物理奖。受到鼓舞，再往后，一大批理论物理学家涌入这一新领域，如R.P.费曼、J.S.施温格、朝永振一郎、F.J.戴森等人，解决了规范场理论中一些十分困难的问题。但是，其中一个规范粒子的质量问题一直困扰物理学界，直到希格斯等人提出新颖完美的解决思路。

　　比较严格地说，希格斯提出的不仅仅是一种粒子，而是一种物理机制。这一机制决定了用规范场理论来描述微观物理世界的物理场和粒子行为时，由于对称性的自发破缺导致场的某些分量变化产生出无质量的粒子，如光子；某些分量则产生出质量很大的粒子，即希格斯子。实际上，当时希格斯提出的这一机制，被温伯格等人采用来解决理论困难，按照规范理论推演的夸克—轻子标准模型，像电磁场那样的长程力作用，需要没有质量的粒子交换，就是光子；但对于短程力，弱作用，则必须有带质量的粒子的出现。问题是质量怎么会出现？希格斯机制几乎完美地解决了这个问题。

　　物理学界理解，20世纪物理学有两大基础理论，即量子力学理论和相对论理论；还有两大重要物理学成就，称为标准模型，即基本粒子的夸克—轻子模型和宇宙演化大爆炸模型。意料之外情理之中，希格斯机制在夸克—轻子模型中很好地解决了质量出现问题，同样也被用于宇宙学中解释大爆炸极早期宇宙物质出现机制。

　　回顾规范场论研究，一路高歌猛进硕果累累，是整个战后物理学的主流，数十位物理学家沿此方向工作获得诺贝尔物理学奖。人们对于沿着这条路线最终实现物理理论的统一深具信心，然而规范场理论的关键基石希格斯粒子却直到2012年才终于找到。理论上的问题早已解决，主要是实验手段严重滞后。

　　根据标准模型理论计算，希格斯子质量为 126GeV，预测平均寿命（meanlife-time）大约为 1.6× 10秒。这样高的能量、这样短的寿命，要求史无前例的超级大加速器。标准模型中预言的所有粒子，无一不是在高能加速器中发现的。

　　1980年代，美国费米实验室曾计划上马一台巨大的加速器，其主跑道周长达 87公里，需投资数十亿美元，未能通过预算而搁置。这一加速器几乎就是为了寻找希格斯粒子而设计的。此次发现希格斯子的欧洲核子中心（CERN）是数十个国家联合建设运行，规模更大水准更高，才终于实现几代物理学家的夙愿。

　　焦外

　　物理学研究，在其理论层面而言，很有形而上学意味，因而与哲学十分相像：运用概念、推理规则和理论对自然现象加以解释。所不同的是，物理学运用数学运算精确推演，更用实验加以检验。自伽利略和牛顿以来，物理学家们一再面对的奇观是，理论与实验高度吻合、相互印证，有时精确到不可思议程度。这次希格斯粒子的发现再次证明这一点。

　　实际上，世界上有无数物理学家时时刻刻在观察思考研究中，他们提出的各种运算、模型、解释和理论，其中绝大多数都是错误的、无用的或不重要的。少数杰出人物也不是一蹴而就，而是许多人相互启发逐步摸索推进。就以希格斯机制提出为例，恩格勒先于希格斯提出质量从无到有思想，他们之前有南部、哥德斯通、安德森等人的工作基础，希格斯就是在听了南部的一次演讲后受到启发才开始他的思考和演算的。而南部不但是优秀的理论物理学家，还十分熟悉超导物理研究，建立在量子力学基础上的超导理论有一个对称性自发破却机制，当时并不是理论物理学关注目标，他在演讲中把超导理论引入粒子物理。与希格斯同时，除了恩格勒之外，还有布饶特等人的工作，实际上至少有3个团队在同一思路上工作。2012年欧洲实验突破之后，人们公认至少有6位物理学家有资格为提出和研究希格斯机制获诺贝尔奖。而在希格斯等人之后，又有许多物理学家通过更精确严格的演算，逐步完善了希格斯机制学说，将之完美整合到物理理论中，最终获得物理学界的广泛接受。恩格勒与希格斯获奖，只是因为他们是最早的原创者，他们的工作甚至远谈不上完善。

　　希格斯本人是个十分低调、彬彬有礼的学者，面对人多场合和媒体甚至拘谨害羞。他的工作最初像是个练习题或者游戏，但当它在标准模型中展现出重要性后，日益体现出它的深刻和巧思。相信每一位在物理学著作或教科书中读过这一理论和故事的人都会掩卷深思，宇宙自然竟是如此奥妙，需要人类如此的巧思去解读。爱因斯坦曾说过“SubtleistheLord”（上帝是微妙的），实在是精深思考过和见证过物理学奇观的肺腑感言。

　　希格斯和恩格勒十分幸运，他们瞥见物质最深处和宇宙最初一瞬间的奥秘，他们还在80高龄等到了对他们在弱冠年岁伟大发现的最终认定和奖赏。这也是物理学的幸运，是人类的幸运。至此，我们可以说，规范理论和标准模型最重要的一块基石安放妥当。但是宇宙中的现象和奥秘还远远没有认识完结，还有万有引力没有统一进大统一理论；超弦究竟是理论还是玄想，暗物质藏在宇宙深处，甚至中微子有没有质量还是问号……