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第8章 微物之神希格斯玻色子（第2页）

然而，在杨-米尔斯方程允许存在的更复杂的规范场中，载力子[1]确实携带电荷。这些类似电荷的东西同样既不能被创造，也不能被消灭，导致载力子受规范场影响。例如，在强力的情况下，这类粒子不仅与场相互作用，而且以难以预测的复杂方式彼此相互作用。这在早期阻碍了物理学家们发现强核力是局域规范不变性的结果，他们错误地认为，强核力主要在质子和中子之间起作用。直到20世纪60年代末，人们才清楚地认识到，质子和中子是复合粒子，而它们的组成部分夸克才是强核力结合的对象。

但是那些秉持基本力是局域规范不变性结果观点的人面临着更大的障碍。20世纪30年代，保罗·狄拉克的电子的量子场论一直被发散的方程式和荒谬的预测困扰。尽管有可能通过数学技巧消除这种无穷大，但问题是，这种重整化（renormalisation）只有在载力子没有质量的情况下才有效。在电磁场中，虽然规范粒子就是光子，但对于强核力和弱核力却似乎并非如此，这也暗示了这两种力是短程力。

在量子图景中，力被看作由一种亚微观的网球运动引起的现象。粒子与粒子之间相互传递载力子，导致粒子相互反冲。尽管这幅图景大体上描述了量子力，但就像许多其他科学类比一样，描述并不完全符合事实。因为这其中只解释了斥力的起源，但没有涉及吸引力。

这是因为控制亚微观世界的定律不同于控制宏观日常世界的定律，诸如光子之类携带力的粒子具有一种非常特殊的品性。如前所述，物理学的基石之一是能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。然而，在量子世界里，却有奇异的一面。能量可以凭空产生，严格地说，能量可以从真空里变出来，只要能迅速还回去，大自然就会默许这种情况的发生。

1905年，爱因斯坦发现质量是能量的一种形式——有可能是能量存在的最集中的形式，所以从真空中凭空出现的能量可以变成亚原子粒子的质能。这样的粒子，由于其短暂的存在，而被称为虚粒子（virtualparticle），以区别于真实粒子。事实证明，从真空中借来的能量越多，还回去的速度就必须越快。因此，虚粒子的质量越大，存在的时间就越短暂，在消失回真空之前所能走的距离也就越短。

因为光子没有静止质量，只要很少的能量就能产生，所以需要归还的能量也很少。这意味着光子可以存在很长一段时间，能到达宇宙最远的角落。这就是为什么电磁力的作用范围不受限制。无论如何，以下叙述是关键：力的作用范围与其载力子的质量之间的密切联系表明，由于超短的作用范围，强核力和弱核力是由大质量的载力子来传递的（这个逻辑对于强核力来说是错误的，正如不久后将要谈到的那样，大自然找到了另一种减小强核力作用范围的方法）。

问题在于，唯一不受灾难性发散影响的量子场论是局域规范理论，荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特于1971年在某种程度上证明了这一点。但是仅当规范粒子没有质量时，这一不发散的特点才存在，一旦引入有质量载力子，就立即失效了。这也是量子场论在20世纪60年代初期不受欢迎的原因之一。

截至1964年7月，希格斯已经思考了好几年如何使局域规范理论在保持所有优点的同时，又纳入有质量载力粒子。他在想，要是载力子原本就是没有质量的，但通过某种外部过程得到了质量，结果会怎样呢？这是否可以既纳入有质量粒子，同时又不破坏可重整化的局域规范理论呢？希格斯想象，空间中充满了一种未知的不可见场——希格斯场，这种场就像游泳池里的水一样能阻碍其中粒子的运动。

乍一看，游泳池的想法与我们的实际经验完美契合。质量大的物体，比如冰箱，很难移动，因为质量抗拒运动状态的改变。这可能真是因为有一种看不见的媒介在起阻碍作用。可是，这个类比并不完美——这是自然界的一种基本特征，也是爱因斯坦狭义相对论的基石，正是不可能用实验的方法来区分物体到底是静止的还是均速运动的。设想有两个人在火车上玩抛接球游戏。假定火车没有振动，车窗也被遮挡起来，看不到外边，那么两个人的游戏就好像是站在轨道旁边的地面上玩一样。他们无法通过球的运动来判断自己是否在运动。

然而，如果充满整个空间的希格斯场真的像游泳池里的水一样，那么就有可能分辨出物体是在场中穿行，还是静止的，这与相对论相矛盾。反倒是在希格斯场中，宇宙所有物体都必须保持静止，不管其运动如何。[2]这种性质用术语表述，就是洛伦兹不变量（Lorentzinvariant）只适用于标量场（scalarfield）。就像温度和台球桌的高度一样，在这些标量场空间的每个点上都可用简单的数字表示。

容易让人误解的是，希格斯场会阻碍粒子运动，即使粒子相对于希格斯场始终是静止的。因此，更准确的说法是，场只是与粒子相互作用。正是这种相互作用，使得本质上无质量的粒子具有质量，其精确质量取决于每个粒子与场相互作用的强度。

能量在空间中处处非零的场是全新的东西。没有质量，就没有引力场；没有电荷，就没有电磁场，但希格斯想象出另一个存在于真空空间、没有来源的场。场里到处都有同样的能量，正是这种不变性解释了为什么这个场以前从未被注意到：我们沉浸其间，就像我们沉浸在可以呼吸的空气里一样。

只要有机会，一切都会将其势能降到最低。例如，球会自动滚到山脚下，那里的重力势能最低。人们一直认为真空处于宇宙中能量最低的状态，就像滚到山脚下的球那样，宇宙终将终结于真空。但希格斯认为，这是错误的，宇宙的最低能量状态实际上是充满希格斯场的真空，其中能量处处都是非零的。

但是，为了赋予载力子以质量，而随意地把一个填满所有空间的场引入理论中，就像手工给载力子插入质量一样，是单方面的一厢情愿。这种做法必然破坏局域规范不变性，而局域规范不变性是理论不发散的基本要求。希格斯需要的是一种方法，能更自然地表述他的场，而且他已经知道怎么去做了。

一方面，所有载力子均无质量的规范理论是优雅且对称的，毕竟，这个理论中所有粒子的质量是完全相同的；另一方面，一个载力粒子有质量，且质量可能各不相同的理论是烦琐且缺乏对称的，物理学家称其为对称性破缺。

在日常生活中，我们很容易发现对称性被打破的例子。想象一支铅笔，用削尖的一端直立在桌面上。现在，从各个方向来看，它都是完全对称的。然而，如果铅笔受到一股气流的冲击，就有可能向北、向西南或其他任何方向倒下去。相对于垂直方向，铅笔不再是对称的。这说明尽管物理学的基本定律是对称的——在这种情况下，重力指向下方，不偏向罗盘的任何方向——然而，这些定律的结果可能是不对称的。

希格斯想象中的场处于关闭状态时是完全对称的，并不破坏局域规范不变性，但其会因为对称性自发破缺（spontaneofsymmetry）导致其打开，并与规范载力子相互作用，赋予它们以质量。希格斯想象存在一个墨西哥草帽形状的势能场（sombrerohatpotential），粒子的能量由自身在这个场中所处位置的高度来决定。最初，在大爆炸的超高能量条件下，粒子位于草帽的中央的最高点，处于完全对称状态。然而，随着宇宙逐渐冷却到如今的低能状态，粒子选择了一个方向，滚落到草帽的帽檐处，破坏了最初的对称性。

要解释无质量载力子与希格斯的自发破缺场的相互作用如何产生质量，还须等一等，希格斯方案还有一个更直接、更紧迫的问题要解决。其他物理学家都知道这个问题，这也是为什么量子场论在20世纪60年代初不受欢迎的另一个原因。

再想想那顶墨西哥草帽。描述希格斯场能量的粒子可以停留在帽檐上的任何一个位置，每个位置都对应着希格斯场的一种状态。原子可以通过发射或吸收1个能量等于两种状态之间的能量差的光子，从而从一种能量状态转变为另一种能量状态。然而，在希格斯场的情况下，环绕帽檐一周的各个状态都处于完全相同的高度，因此具有相同的能量。从一种状态到另一种状态不需要能量，这意味着对应的粒子质量为零，这种粒子被称为戈德斯通玻色子（Goldstoneboson）。

英国物理学家杰弗里·戈德斯通（JeffreyGoldstone）发现，这种粒子是标量场对称性自发破缺不可避免的结果。问题是，如果质量为零，那么这种粒子应该很容易产生，所以物理学家应该早就在实验中发现它们了。但是戈德斯通玻色子从未显露真容。物理学家们曾把没有找到戈德斯通玻色子作为证据，认为需要自发对称性破缺才能与现实世界接触的量子场论在理论上是行不通的。

但是，局域规范对称性可能产生基本力的想法非常吸引希格斯。这个想法是那么优雅、那么美丽、那么令人心旷神怡，让他实在割舍不下。多年来，这种想法一直萦绕在希格斯的脑海中，现在他终于有了突破。3周前，他将论文寄给了《物理快报》，公布了惊人的结果。希格斯突破性的发现在于，如果量子场论是局域规范不变的，也就是说，如果也存在规范载力子的话，戈德斯通玻色子就会消失。要理解原因，就有必要先了解无质量粒子和有质量粒子之间的关键区别。

如前所述，亚原子粒子只不过是通过量子场传播的波，就像风吹过麦田一样。我们生活的世界是具有三个维度的空间，因此很明显，粒子的波可以在三个相互垂直的方向上振**。这种直觉对于具有质量的粒子是正确的，但是对于以光速运动的光子这类无质量粒子来说并非如此。

光子与电磁波有关，电磁波的电场和磁场在垂直于电磁波传播方向的平面上振**。除了这两种横向的振**外，波原本也有可能沿其运动方向振**，不过这种纵向的振**必然会在运动速度上低于光速和高于光速之间交替。但这是不可能的，因为根据爱因斯坦的理论，光速是宇宙终极速度极限。因此最终结果是，有质量粒子有三种独立的振**方式，而无质量粒子只有两种。

希格斯的突破在于，他意识到在无质量规范粒子理论中，戈德斯通玻色子奇迹般地消失了。实际上，它们被载力子吞噬了。希格斯机制不仅摆脱了麻烦的戈德斯通玻色子，而且在吞噬的过程中，赋予了无质量规范粒子以第三种振**方式，从而赋予它们质量。[153]

应该指出的是，这种获得质量的机制与之前描述的粒子和无处不在的希格斯场相互作用的机制不同，后者遇到的阻力就像游泳者在游泳池里奋力前行时遇到的阻力一样。事实上，大自然已经为赋予粒子质量提供了两种不同的机制：一种是直接机制，直接赋予自然界载力子以质量，包括自发的对称性破缺；另一种是间接机制，先为自然界的夸克和轻子提供质量，这涉及与希格斯场更直接的相互作用。

希格斯机制创造了一石二鸟的奇迹：既摆脱了戈德斯通玻色子，又赋予了规范载力子以质量。史蒂文·温伯格认为，戈德斯通玻色子的角色已经从“不受欢迎的入侵者”转变为“受欢迎的朋友”。[154]披上戈德斯通玻色子诱导质量的外衣后，载力子仍然是无质量的，因此，仍然可以用重整化的、不发散的局域规范理论加以描述。

希格斯在1964年夏天写的两篇短论文中详细阐述了这一切。在第一篇论文中，希格斯论述了如何在量子场论中摆脱戈德斯通玻色子——只需要规范玻色子存在。在第二篇论文中，希格斯概述了规范玻色子是如何通过吞噬戈德斯通玻色子来获得质量的。[155]但是，当希格斯坐在办公室里，看着面前桌子上放着的被退回的第二篇论文时，他仍然面临着一个问题：该添加些什么来确保论文能发表。也许说，这是他想法的物理表现？

每个量子场都有一个或多个与之相关的粒子，因为每个场都可以产生扰动，而通过场传播的扰动就是一个粒子的全部。希格斯知道他的对称性破缺场也不例外。

希格斯又想到了支配他的场的草帽势。戈德斯通玻色子的出现是因为粒子可以环绕墨西哥草帽边沿振**，但那不是唯一可能的振**类型。粒子也可以沿径向振**，在由草帽檐形成的沟谷里上下振**。激发这样的振**需要的能量最少，而根据爱因斯坦的理论，能量具有等效质量。如果把足够的能量注入一小块空间，就有可能产生这样一种粒子——一种希格斯场的扰动。

第二篇论文被《物理快报》拒绝，希格斯对此感到恼火，不仅是因为编辑没有意识到他工作的重要性，更糟糕的是，雅克·普伦特基（Jatki）没有建议他把修改后的论文重新提交给《物理快报》，而是让他提交给意大利物理学会期刊《新试验》（Ilo）。《物理快报》收到的所有论文稿件都要经由独立科学审稿人审稿，而《新试验》则根本没有审稿人。普伦特基似乎认为这篇论文与《物理快报》关注的方向无关，毫无价值，这刺伤了希格斯。[156]

因此，如果希格斯听从了普伦特基的建议，那他就真的死定了。希格斯决定不把修改后的论文寄给《物理快报》，而是寄给其美国竞争对手《物理评论快报》（PhysicalReviewLetters）。然而，论文需要添加一些东西，还好最终他想出来要怎么写了。希格斯拿起笔，只在论文结尾处加了两句话。在第一句话中，他写道：“值得注意的是，本文中所描述的理论类型的本质特征是对标量玻色子和矢量玻色子的不完备多重态的预测。”在这句高度技术性的陈述中，希格斯表明，对称性破缺过程中会留下一种粒子，一种有质量的戈德斯通玻色子，一种迄今为止人们未曾预料到的基本粒子。

希格斯不知道的是，另外5位物理学家差不多在同一时间也得出了几乎完全相同的结论。在伦敦，有一个“三人组”，由汤姆·基布尔（TomKibble）、格里·古拉尼克（GerryGuralnik）和迪克·哈根（Di）组成；而在布鲁塞尔，有一个“二人组”，由罗伯特·布劳特（RobertBrout）和弗朗索瓦·恩格勒特（Fra）组成。后来，希格斯称自己为“一人组”。

希格斯把修改后的论文交给部门秘书重新打印时，感到有种说不出的满足感。虽然不知道如何将那句话纳入粒子物理学的框架中，但希格斯确信它很重要。希格斯也丝毫没有想到，最后加上的这句话会使他不朽。实际上，这将为他赢得诺贝尔奖。

希格斯的研究没有引起轰动，也没有登上新闻头条。正如“三人组”成员之一汤姆·基布尔后来所说，“我们的工作遇到了‘震耳欲聋’的沉默”。在规划向规范载力子提供质量的机制时，希格斯希望能够将强核力——将原子核各组成部分结合在一起的力——也纳入同一机制中，但时机还不够成熟。那时人们认为，强核力主要作用在质子和中子之间，但实际上，质子和中子都是由夸克组成的复合粒子，强力是将夸克结合在一起的力。直到20世纪60年代中期，物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格（Ge）才认识到这一点。

除了对强核力理解得不够充分之外，将强核力纳入希格斯机制还有另一个根本性的困难：事实上，这种力的短程性并不符合希格斯机制，它不像预料的那样，由希格斯场赋予这种载力子以质量，并将其从真空中瞬间召唤出来的。胶子（gluon）没有质量，因此，就强核力而言，希格斯机制毫不相关。大自然给我们出了一个难题，选择了一种完全不同的机制产生短程的强核力。

就像一条松紧带，被拉伸得越长，恢复力就越强那样，2个夸克被拉得越远，它们之间的力也就越强。事实上，分离1对夸克需要投入的能量太多了，以至于这些能量足以转化成夸克-反夸克对的质能，也就是产生新的夸克对，而新的夸克对反过来又必须被拉开……因而完全分离2个夸克是不可能的，强子的作用永远不会超出超短程范围。

规范载力子胶子保持无质量状态，强核力就可以保持局域规范的对称性。胶子与夸克一起被禁锢在质子和中子内部，并永远无法被看到。鉴于以上论述，弱核力的无质量对称性被对称破缺隐藏，而强核力的无质量对称性则被夸克禁闭（quarksent）隐藏。

这一切的结果是，希格斯在发明一种赋予载力粒子以质量的机制时，考虑的是错误的力。正确的力实际上是弱核力，这是美国的史蒂文·温伯格和英国的阿布斯·萨拉姆（AbdusSalam）在20世纪60年代末认识到的。这两个人努力证明弱核力和电磁力有共同的起源。

回想一下19世纪物理学的伟大成就，由詹姆斯·克莱克·麦克斯韦发现的电力和磁力具有共同的起源。[157]当时有明显的迹象表明二者是有联系的。汉斯·克里斯提安·奥斯特（HansOersted）证明了变化的电场会产生磁场，而迈克尔·法拉第证明了变化的磁场会产生电场。但是对于电磁力和弱核力，它们之间并未显示出存在着明显的联系。

电磁力的作用范围是无限的，而弱核力的作用范围仅为质子直径的1%。尽管电磁力能够使带电粒子在空间中移动，但弱核力却可以使电荷在粒子之间移动，从而将一种粒子神奇地转化为另一种粒子。例如，在放射性β衰变过程中，将中子转化为质子（严格来说，是弱核力将中子内一种味的夸克——下夸克，变成另一种味的夸克——上夸克）。