上帝粒子

英国科学家彼得·希格斯


上帝粒子实际上应该称为希格斯粒子。 英国科学家彼得•希格斯是个无神论者， 他很不喜欢上帝粒子这个称呼。欧洲核子研究中心4日宣布，该中心的两个强子对撞实验项目均发现了一种新的粒子，具有和科学家们多年来一直在寻找的希格斯玻色子相一致的特性。

大学我的专业是量子力学和固体物理，我学的很辛苦， 因为理论物理基本上是纯数学， 没有抽象思维能力的人是 无法在这个领域进行下去的。 我当时学物理是因为太喜欢爱因斯坦了, 觉得这是人类历史上最有意思的一个人。 这么多年过去了，我发现我对物理学的热情丝毫不减， 对爱因斯坦的兴趣也丝毫不减。这不， 当我一读到这条消息， 我最想搞明白的是它与爱因斯坦之间的联系。

牛顿猜出了一个牛顿第二定律：力等于质量乘以加速度。但牛顿无法告诉你质量从何而来。爱因斯坦写下E =mc2，但他也无法告诉你这个m从何而来。

杨振宁创立了规范场理论，这个理论可以推导出所有的相互作用的方程，但杨振宁的理论里物质粒子的质量只能是人为加上。把杨振宁的理论与Higgs机制结合，就构成了前面提到的标准模型。所以，要科普“上帝粒子”，得先讲杨振宁。

物理学与其他自然科学不同，是一门精确科学，很多理论结果能有实验验证到小数点后十几位。但物理规律其实都是根据简单的不变性原理推导而来。在杨振宁之前，人类真正能够写下方程的物理作用只有引力与电磁相互作用。随着物理学的发展，电磁相互作用成了一组严密而美妙的数学方程，这就是每一个科学与工程人士都应该熟知的麦克斯韦尔方程（Maxwell"s equations）。而后，爱因斯坦发展了引力的几何理论也就是广义相对论。

引力属于非常微弱的作用试想，整整一个地球的引力才能把我们困在地面，电磁作用也不强。当人类的探索走向微观，人们发现，物质原来蕴涵了巨大的能量。粒子之间强大的作用力，正是核能的源泉。在人类文明发端以来，宇宙起源之谜一直是一个哲学问题。根据爱因斯坦的广义相对论以及相应的天文观测，人们已经知道，宇宙源于所谓大爆炸。如果反推到遥远的过去，整个宇宙都充斥着巨高能量的粒子。理解这一切，就需要像麦克斯韦尔方程那样的定量科学理论。

但是与引力和电磁力不同，粒子之间其他作用是非常短距离的。这个距离小于一根头发的万亿分之一，完全超出了可以直接观测的范围。人们迫切需要一种像爱因斯坦的广义相对论一样，没有任何实验数据却破空而出的惊世杰作，用纯粹理性把我们带进宇宙奥秘的神秘之门。在这个理论出现之前，世界上所有基本物理理论都不过是盲人摸象而已。

1954年，一位年轻的中国人发表了一篇现在称为YANG-MILLS规范场的论文，这篇论文在今天看来奠定了整个标准模型的理论基础。在这篇论文里，杨振宁给出了所有相互作用的原理，以及对应的精确数学方程。这就是我们今天经常听到的规范场理论。

与其他基本物理理论一样，规范场理论也是基于物理规律的不变性（搞物理的人也喜欢用对称性这个词），就是物理规律应该在某种变换下保持不变。当杨振宁把这种不变性扩展到基本粒子的量子理论，他惊讶地发现，要使理论保持不变，就必须存在对应的相互作用，这就是所谓规范场。

具体来说，杨振宁发现，如果有两种粒子，那么它们之间的变化可以用一个2×2的复数矩阵描述，如果物理规律要在这种类型的局域变换下保持一致，则不能光有这两个粒子，还必须加一个相互作用。换言之，从本来没有考虑相互作用的自由粒子方程开始，一旦考虑规范不变原理，我们就必须要求粒子之间有相互作用，而且这个规范不变原理还告诉你相互作用应该是怎样的。

用最通俗的话来讲，物质都有质量，就像每一个人都有重量一样。质量起源于何处？在微观层面，来自“上帝粒子”希格斯。

但是究竟什么才是 希格斯机制呢？

电磁力由光子传递，光子的零质量是电磁力距离无穷的原因。当时，人们认为：由于粒子之间的弱作用与强作用都是短程的，其相互作用应该是由有质量的粒子传递（我们现在知道，虽然gluon质量为零，但是由于规范场的非线性，导致所谓夸克囚禁）。但在杨振宁理论中，规范场粒子不能有质量, 因为如果规范场有质量，物理方程就不能保持规范不变了。因此杨振宁论文刚刚问世的时候并不为人所接受。

规范场的质量产生问题的解决方案从超导体理论得到了启发。超导现象的第一个特征是没有电阻，一旦电流形成，可以永久保持。但超导体还有一个更为基本的特征，那就是它完全排斥磁场磁场不能从超导体中间通过。从理论物理的角度，这个现象意味着超导体内，光子获得了质量。对于这个质量的解释，苏联物理学家朗道等人提出了朗道—金兹堡模型，在电子的电磁量子方程里凭空加了一项。这一项如果画一个图，就像一个墨西哥帽子。与很多物理理论一样，这种模型的微观原理最初都没有解释，而是一种纯粹的灵感。但这个理论与实验得到了极好的吻合。基于基本原理的超导微观理论的发现是在若干年之后，由BCS理论完成。

有鉴于朗道—金兹堡模型成功地给零质量光子提供了质量（而且维持局域规范不变），固体物理学家安德森建议粒子物理学家们尝试类似的方案，也就是几乎空穴来风般地在YANG-MILLS方程里加一个新的场，这样一来原本没有质量的规范场获得了质量，而规范场维持了其局域的规范不变。首先写出这个方程的人是Higgs，但他的论文寄出去被拒绝了，只好作了些修改之后再发给其他刊物。这是1964年的事情。

很多人在提到Higgs机制的时候，喜欢使用对称自发破缺的说法，其实这是一个用词的谬误。实际上，Higgs机制恰恰维持了YANG-MILLS规范场的局域不变性（local gauge invariance）。也就是说，规范不变才是王道。

数年之后，温伯格等人把 YANG-MILLS场与Higgs理论综合起来，成功构造了弱电统一理论。这个理论又很快得到了实验的验证。

Higgs机制不仅给传播弱相互作用的规范场玻色子（boson）赋予了质量，还成了所有物质粒子（称为费米子，fermion，如夸克与电子等）质量的来源。Higgs场的真空值不为零，物质粒子的质量同它们与这个Higgs场的耦合成正比。

Higgs粒子如果最终被证实，我们都应该庆祝。人类自古问的一个问题，我们来自哪里，在标准模型再一次得到实验证实之际，有了更为可靠的答案。两千年以前，人类还在迷信雷公电母、天狗吃日。今天，我们凭着自己的理性，掌握了自然界深层的机密。