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第8章 微物之神希格斯玻色子（第1页）

第8章微物之神——希格斯玻色子

如果没有希格斯玻色子，你体内的夸克和电子将是无质量的。这意味着这些粒子将以光的速度运动，从而不会停留在原子中，那么一切物质都会分崩离析。没有希格斯场，你和我、恒星和星系都不会存在。

希格斯玻色子的发现就像海王星和宇宙微波背景辐射的发现一样，最初是用铅笔、用数学方程预测出来的。

——马克斯·泰格马克[145]（MaxTegmark）

老虎!老虎!黑夜的森林中

燃烧着的煌煌的火光，

是怎样的神手或天眼

造出了你这样威武堂堂？

——威廉·布莱克[146]（WilliamBlake）

2012年7月4日，伦敦卫理公会中心大厅

乔恩·巴特沃斯（Joh）很恼火，因为这一天本应是他45年人生中最值得纪念的一天，但他却被困在了伦敦。巴特沃斯本想去瑞士，那里才是主会场，因而他不愿意留在伦敦。火上浇油的是，在伦敦威斯敏斯特卫理公会中心大厅后台的巨型屏幕上，巴特沃斯竟然看到了自己更想去的那个地方，这让他更加郁闷。

直到巴特沃斯在物理学家、同事吉姆·威迪（JimVirdee）和英国科学技术设施委员会（SdTeologyFacilitiescil）的首席执行官约翰·沃姆斯利（JohnWomersley）身旁坐下，并扫视了一下观众后，情绪才有所好转。他发现，数百名记者、物理学家和政治家，包括科学大臣戴维·威利茨（DavidWilletts）在内，都在这个拥有百年历史的会议大厅里聚集一堂，激动和期待之情溢于言表。显然，公众和政界人士似乎都对他和其他数千名物理学家在过去10年的大部分时间里所做的事情很着迷，这让巴特沃斯感到惊喜。这里离英国议会大厦仅一步之遥。

巴特沃斯和威迪出席的是伦敦的新闻发布会，而不是瑞士的，因为他俩分别是超环面仪器（AToroidalLHCApparatuS，ATLAS）和紧凑渺子线圈（uonSolenoid，CMS）在英国的负责人。这两台庞大的设备是位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心（）大型强子对撞机的5个“眼睛”探测器中的2个。ATLAS和CMS位于2束反向旋转的超高能质子束发生撞击的地方。2台设备都是由围绕在碰撞点周围、像洋葱那样的多层探测器组成的，用来测量能量、电荷以及无数飞散出来的亚原子弹片的飞散方向。

有来自38个国家的3000名物理学家为ATLAS工作，有来自41个国家的4300名物理学家为CMS工作。CMS相当巨大，重量堪比埃菲尔铁塔。ATLAS和CMS实验团队一起协作寻找两种截然不同的碰撞事件，它们都是假想中的那种亚原子粒子存在的确凿证据。这种亚原子粒子是一种完全陌生的粒子，一种用来理解宇宙运作方式关键的粒子，一种早在40年前就已经有人预测存在的粒子……

1964年8月，爱丁堡

彼得·希格斯（PeterHiggs）很恼火，《物理快报》（PhysicsLetters）的编辑拒绝了他的论文。这是他3周内写的第二篇论文，论述的是自然界的载力粒子（fparticles）是如何获得质量的。从希格斯办公室的窗户向外望去，这座城市在8月的阳光下熠熠生辉。唯一能减轻希格斯烦恼的是，他又回到了自己心爱的爱丁堡，不用再忍受西部高地的痛苦。对于他来说，这是巨大的解脱。

露营之旅已经是1周以前的事了，但它在希格斯的脑海里仍挥之不去，就像一场一直持续到了白天的噩梦。不久前，一位朋友向希格斯提起，她在一篇文章中读到过有个地方的降雨量是苏格兰最少的。于是，希格斯和结婚一年的美国妻子乔迪（Jody）挑了个合适的时间赶到了那里。他和乔迪是在核裁军运动中相识的。不幸的是，当夫妻俩到达的时候，那里居然正在下倾盆大雨!并且二人在搭建帐篷的时候，还把借来的帐篷弄坏了。无奈，浑身湿透、狼狈不堪的夫妻俩只好躲在附近的河**吃早餐。更糟糕的是，当他们提前返回爱丁堡时，那位朋友承认她误读了那篇文章，她推荐的那个地方不仅不是雨量最少的，反而是苏格兰雨量最多的地方。[147]

这次野营之旅在希格斯和他妻子的心目中就像一段神话，作为“史上最糟糕假期”逸事之一，在和朋友们喝酒时讲述准能逗笑他们。但对希格斯来说，恶劣的天气只是这次旅行如此糟糕的原因之一，更重要的是，一个困扰了他几年的问题濒临突破，而他却不得不去旅行。

在7月24日完成的第一篇论文中，希格斯提出了一个关于自然界基本力的很有前途的理论。论文大约只有1000字，投给了《物理快报》。尽管大家都认为这个理论存在致命的缺陷，但实际上并非如此。[148]希格斯是在周末获得的灵感，在周一写的这篇论文。希格斯说，这是他的第一个创意，也是他仅有的创意（他是个谦虚的人）。[149]

这篇论文以悬疑小说的方式结尾，并给读者抛下诱人的承诺：未完待续。但紧接着，希格斯就去高地旅行了。然而，他的心思并没有放在旅行上，显然，这无助于增进他和妻子的夫妻关系。好在，他终于回到了爱丁堡——温暖、干燥，安安静静，可以全神贯注地工作了。希格斯写得很快，7月31日便向《物理快报》提交了第二篇论文。

当得知论文被拒时，希格斯感觉很不是滋味。假装这件事从未发生过是没有意义的。该杂志的编辑雅克·普伦特基（Jatki）在回信中建议希格斯在此理论上做更多的研究。但问题是，要再做些什么呢？

希格斯的两篇论文酝酿已久。他痴迷于量子场论，这个理论把20世纪物理学的两大成就融合成一个连贯的整体。这两大成就，一个是爱因斯坦的狭义相对论，描述了物体以接近光速运动时空间和时间的变化；另一个是量子理论，描述了原子的亚微观世界及其构成。为实现这两大理论的统一而迈出第一步的物理学家是保罗·狄拉克，他的大名多次出现在科瑟姆学校（School）荣誉校友的名单上。希格斯在布里斯托尔大学上学时，就经常在晨会上听到这个名字，因而对狄拉克很好奇。正是好奇心让他发现了这位伟人所做的研究，引领他进入了量子场论。

最终构成世界的正是量子场。[150]物质是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核是由质子和中子组成的，质子和中子是由夸克组成的（尽管在1964年，夸克还是一个非常新的概念），而夸克和电子则是由场组成的。据我们所知，量子场是大自然的最底层构造。

简单来说，场就是时空中每一个点都有值的东西。这个值可以是纯数，比如温度；也可以是与方向相关的值，比如风速；抑或是一些更复杂东西的组合。每个基本粒子都有与之相关联的场，比如电子场、光子场、上夸克场等等。这样的场之所以会颤动，是因为量子本质上就是不安分的。如果一个特定的场被充分颤动（jiggle）的话，换句话说，假如有足够多的能量注入这个场，产生的扰动就会通过这个场传播，这就是粒子。比较形象的比喻是，通过麦田传播的风的扰动。电子场中的扰动就是电子，电磁场中的扰动就是光子，依此类推。不同之处在于，一个量子场的扰动不能任意产生，只能以特定的离散频率或能量产生。这种取值的离散化被称为量化。

通过这种方式，量子场论统一了20世纪初发现的亚原子世界的两个令人困惑且看似相互排斥的特性：原子及其组成部分同时表现出粒子和波的能力。

让希格斯和其他许多人印象深刻的是，电子的量子场理论最显著的特点之一就是可以从中极简单地演绎出电磁力——正如麦克斯韦1862年描述的那样。关键是对称性（symmetry），一种对实体进行某种操作时能够保持不变的属性。例如，圆形物体具有旋转对称性，因为围绕其中心旋转时，这种对称性保持不变；而方形物体只有连续旋转14圈或几个14圈时，才能保持不变。

艾米·诺特（Emmyher），德国数学家，被爱因斯坦称为“数学史上最重要的女人”。1918年，她证明了与对称性有关的一个重要定理，那就是只要存在对称性，就会存在相应的守恒定律。这一定律规定了特定的物理量既不能被创造，也不能被消灭。例如，无论实验是今天进行，还是下周进行，对实验结果都没有影响，这就是所谓的时间平移对称——对应于能量守恒定律，也就是能量既不能被创造，也不能被消灭。诺特定理（her'sTheorem）对电子的量子场论也有着深刻的影响，因为它允许在不改变任何可观测结果的情况下变换方程。

电子用波函数来描述。根据狄拉克方程，波函数遍布空间各处，在任何位置找到电子的概率由波在该点所处高度的平方给出（或者严格地说，是振幅的平方，即距离0标高的最大偏移量）。波函数中有个相位描述了波动开始的位置。事实证明，同时改变波函数上每一点的相位值，或者用术语来讲，将波函数乘以一个相位因子，仅会移动波函数波峰和波谷的位置，而不会改变任何可观测结果，比如在任何特定位置发现电子的概率。根据诺特定理，这种对称性的存在必然有与之相对应的守恒定律。的确如此，这与电荷守恒定律相对应，也就是电荷不能被创造或消灭。

诺特定理适用于各处同时发生、没有可观测变化的结果，但这种整体对称只是可能存在的对称性中的一种。还有一种限制更强的对称性，在这种对称性中，波函数各处相位值的变化并不一致，而是随时间和空间的不同而不同。期望这样的变化不带来可观测的改变，并且电子波函数能表达这种局域对称性，听起来似乎有些荒谬，但其实并不荒谬。

想象1个台球沿直线穿过台球桌。[151]无论把台球桌垂直抬高1米，还是10米，都不会改变台球的运动轨迹，这是由牛顿运动定律所支配的。但这里隐含的假设是：台球桌的所有部分都可以同时抬升。像庭园桌那样的普通桌子当然是这样的，但假想一个宇宙尺度的台球桌，比如有10光年那么宽，那就不可能同时改变桌子的所有部分。因为根据爱因斯坦的理论，没有任何东西的运动速度可以超过光速，那么远处的位置对桌子高度变化的反应要晚于近处。事实上，10年之内，桌子的远端不可能“注意到”近端的变化。一般来说，如果试图改变台球桌的高度，桌面各处的高度是由近及远逐渐变化的，导致在不同位置、不同时间，台球桌面的高度都不相同。这是最合乎爱因斯坦宇宙的解释。

这就是问题的关键。我们仍然可以希望物理定律在任何地方都一样，这样，台球就可以继续遵循牛顿运动定律的要求沿直线轨迹运动。但是，由于台球桌的表面不再平坦，因此只有每个台球在每个位置都受到某种力以精确补偿不平坦的表面时，台球才会沿直线轨迹运动。

桌子的高度是物理学家所称规范（gauge，或译为量规）的一个简单例子。“规范”这个术语是德国物理学家赫尔曼·韦尔（HermannWeyl）在1929年发明的。当规范从一个地方到另一个地方、从一个时间到另一个时间不断变化时，保持物理定律不变的观点被称为局域规范不变性（localgaugeinvariance）。如台球桌的例子所示，保持局部的规范不变性需要存在补偿力。这就是关键。

以电子为例，保持规范不变性意味着坚持从一个位置到另一个位置、从一段时间到另一段时间，不断地改变电子波函数的相位应该不产生可观测的结果。电子波函数的相位显然是一个比台球桌高度更抽象的数学问题，但就像台球桌例子中那样，维持规范不变性需要补偿力的存在。值得注意的是，这个力原来就是麦克斯韦在19世纪描述的电磁力。

因此，电磁力产生的一系列令人眼花缭乱的现象只不过是局域规范不变性不可避免的结果。从根本上讲，电磁场之所以存在，是因为电荷在空间和时间中重新排列时，这种信息会传递到其他位置，这样就可以保持局域规范不变性。这条新信息是由电磁场携带的，而电磁场是由光子，即电磁场中的扰动组成的。

值得注意的是，即使对电、磁和光子一无所知，但如果知道规范原理后，为了强制电子波函数服从局域规范不变性，我们也能推断出所有这些东西的存在。这一非凡的原理是朱利安·施温格（JulianSger）在20世纪50年代发现的，他是量子电动力学，或者说是电磁力的量子理论的先驱之一。规范原理如此引人注目，人们很自然地推测，这个原理可能是普适的原则。难道服从局域规范不变性不仅是电磁力，而且是所有自然基本力存在的原因吗？

除了电磁力，将自然界基本粒子维系在一起的还有其他三种基本力，我们最熟悉的就是爱因斯坦广义相对论描述的引力。就像电磁学一样，该理论以对称原理为基础：揭示引力，即时空的曲率，如何依赖能量分布的方程使其对每个人来说都有相同的数学形式——无论他们怎样运动或处于什么坐标系中。甚至爱因斯坦早期的狭义相对论也来自对光速不变性的坚持，即光的速度对于所有以恒定速度相对运动的观察者来说都是相同的。事实上，爱因斯坦是第一个认识到对称性在支撑自然基本定律中重要性的人。意大利物理学家吉安·弗朗西斯科·朱迪斯（GianFrancescoGiudice）说：“就像画家渴望在调色板上使用最绚丽的色彩一样，大自然似乎乐于利用一切可能的对称性来表达她的基本法则。”[152]

但是，除了引力之外，由于各种原因，还有另外两种基本力没有人知道如何用量子场论来表述。那就是强核力（strongnuclearforce）和弱核力（weaknuclearforce），这两种力都只在极小的原子核范围内起作用。

第一个认真思考规范原理不仅是理解电磁力的关键，也是理解强核力和弱核力的关键的人是华裔物理学家杨振宁。马塞尔·普鲁斯特（MarcelProust）写道：“真正的探索之旅不在于发现新的风景，而在于拥有新的视角。”20世纪50年代，杨振宁和美国物理学家罗伯特·米尔斯（RobertMills）合作，以全新的视角观察世界，写下了一个量子场必须遵守的方程，以强制波函数具有更普适的局域规范对称性（localgaugesymmetry）。

杨-米尔斯方程（Yaion）揭示了电磁场是可能存在的最简单的规范场。这个场不仅由单一的规范粒子传递，而且这个粒子（光子）不带电荷。由于粒子与电磁场相互作用要有电荷，因此光子不受电磁力的影响。