楊先碧

眾所周知，我們自己和周圍的物質(zhì)都是真實(shí)存在的，它們都具有質(zhì)量。然而，這個(gè)我們所熟知的現(xiàn)象以前卻一度困擾著科學(xué)家們，因?yàn)榭茖W(xué)家們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)都不知道物質(zhì)為何具有質(zhì)量。這個(gè)謎底終于在1964年被比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒、英國(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯等人揭開(kāi)了。他們認(rèn)為，有一種玻色子賦予了其他基本粒子以慣性，從而讓物質(zhì)具有了質(zhì)量。然而，為了驗(yàn)證他們的這一猜想，則整整花了將近50年的時(shí)間。直到近幾年，物理學(xué)家才通過(guò)尖端科學(xué)儀器找到了希格斯玻色子。希格斯等人也因此在提出猜想將近50年后，獲得了一個(gè)“遲到”的大獎(jiǎng)——“2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”。

質(zhì)量從何而來(lái)

物質(zhì)具有質(zhì)量似乎是天經(jīng)地義的事情，但是，至于物質(zhì)為何會(huì)具有質(zhì)量，則是一個(gè)十分重大的科學(xué)問(wèn)題。直到進(jìn)入20世紀(jì)以后，科學(xué)家才發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)是由原子組成的，而原子則是由一些更基本的粒子組成。在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。標(biāo)準(zhǔn)模型中的粒子可分為三大類共62種，分別是12種輕子、36種夸克和14種玻色子。

在希格斯玻色子沒(méi)有提出之前，物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型中只有61種基本粒子，科學(xué)家不知道這些基本粒子為何會(huì)讓物質(zhì)具有質(zhì)量，盡管許多基本粒子的質(zhì)量已經(jīng)被測(cè)量出來(lái)了。更讓人困惑的事情是由楊振寧引發(fā)的。1954年，當(dāng)時(shí)的旅美物理學(xué)家楊振寧與同事米爾斯一起，提出了楊-米爾斯理論。按照這個(gè)理論，標(biāo)準(zhǔn)模型中的矢量玻色子是沒(méi)有質(zhì)量的。然而，根據(jù)當(dāng)時(shí)的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行推算，矢量玻色子卻是有質(zhì)量的。

在理論和實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生矛盾的情況下，如果實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有誤差的話，那么肯定是理論存在一定的問(wèn)題，也就是還不夠完善。也正是如此，楊-米爾斯理論提出后，在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，一直沒(méi)有得到物理學(xué)界的重視。直到10年后希格斯等人發(fā)現(xiàn)了可以讓矢量玻色子產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子，這個(gè)理論才得以重視。在20世紀(jì)60年代初，不少理論物理學(xué)家研究弱力、強(qiáng)力和電磁力統(tǒng)一理論的時(shí)候，也遇到了類似楊振寧的困境。按照當(dāng)時(shí)的物理理論，傳遞作用力的粒子只能是沒(méi)有質(zhì)量的粒子，這也意味著被傳遞的作用力是長(zhǎng)程力（長(zhǎng)程力是指作用強(qiáng)度隨距離的增加而減少。如靜電力、萬(wàn)有引力等）。按照我們的常識(shí)，光波似乎符合這樣的結(jié)論，因?yàn)槲覀兏惺懿坏焦庾拥馁|(zhì)量，盡管光子也是有質(zhì)量的。然而，按照這些理論，電子、質(zhì)子也都沒(méi)有質(zhì)量，這就導(dǎo)致了這種說(shuō)法：所有物質(zhì)都是沒(méi)有質(zhì)量的。

誰(shuí)發(fā)現(xiàn)物質(zhì)有了質(zhì)量

按照理論物理學(xué)家的研究，我們似乎生活在一個(gè)沒(méi)有質(zhì)量的虛幻空間中，但事實(shí)上，我們生活的世界明明是具有質(zhì)量的。那么，為什么那些理論物理學(xué)家卻讓世界失去了質(zhì)量呢？ 對(duì)于20世紀(jì)50年代的物理學(xué)家來(lái)說(shuō)，楊振寧等人的物理理論是無(wú)懈可擊的。那么，問(wèn)題究竟出在哪里呢？許多科學(xué)家開(kāi)始研究這個(gè)問(wèn)題。因此，從某種意義上來(lái)說(shuō)，楊振寧等人促成了希格斯等人獲得2013年諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)。當(dāng)然，希格斯等人也令楊振寧等人的理論獲得了重視。

1964年，恩格勒和布魯特發(fā)表論文稱，是一種特殊的場(chǎng)使基本粒子產(chǎn)生慣性而擁有了質(zhì)量。他們進(jìn)一步預(yù)言，產(chǎn)生這種場(chǎng)的粒子是一種玻色子。當(dāng)年，希格斯也發(fā)表了類似的論文來(lái)闡述物質(zhì)獲得質(zhì)量的機(jī)制。按照當(dāng)時(shí)的發(fā)表順序，恩格勒和布魯特在1964年8月發(fā)表了相關(guān)論文，而希格斯在1964年9月發(fā)表了相關(guān)論文?？墒牵谶@之前，人們只知道希格斯，如果不是今年諾貝爾獎(jiǎng)的公布，公眾可能很難知曉恩格勒的名字，更不用說(shuō)布魯特了。

那么，為何希格斯獲得了新粒子的命名且名揚(yáng)天下，而恩格勒和布魯特卻一直寂寂無(wú)名呢？按照科學(xué)界的規(guī)則，新發(fā)現(xiàn)的命名如果不是多人聯(lián)名，那就按照最先發(fā)現(xiàn)者的名字給予命名。但是，這個(gè)發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了一點(diǎn)意外。原來(lái)，在理論物理學(xué)界頗有影響的美國(guó)物理學(xué)家史蒂文·溫伯格在一篇論文中引用錯(cuò)了兩組科學(xué)家發(fā)表論文的順序，這就導(dǎo)致其他研究人員誤以為希格斯是最早的提出者。因此，讓物質(zhì)擁有質(zhì)量的“玻色子”最終以“希格斯”的名字命名。

“希格斯玻色子”產(chǎn)生的場(chǎng)（也被命名為“希格斯場(chǎng)”）就像電場(chǎng)、磁場(chǎng)、引力場(chǎng)那樣可以對(duì)其他物質(zhì)產(chǎn)生作用。按照希格斯等人的理論，“希格斯玻色子”在宇宙中廣泛存在，是所有物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在“希格斯場(chǎng)”中游弋并產(chǎn)生慣性，進(jìn)而形成質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界。

1988年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼曾經(jīng)以“上帝粒子”來(lái)稱呼“希格斯玻色子”，因?yàn)樵谖鞣降囊恍┳诮汤碚撝?，上帝?chuàng)造了萬(wàn)物。而“希格斯粒子”賦予了萬(wàn)物以質(zhì)量，它就像上帝一樣偉大。如果宇宙中的“希格斯粒子”突然消失，整個(gè)宇宙將分崩離析，成為難以聚積起來(lái)的“一盤散沙”。對(duì)于“希格斯玻色子”的名字，據(jù)說(shuō)希格斯本人表示謙遜，自認(rèn)不配。他堅(jiān)稱自己是無(wú)神論者，更是反對(duì)“上帝粒子”的叫法。現(xiàn)在，“希格斯粒子”已成為整個(gè)粒子物理學(xué)界研究的中心，萊德曼則更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證希格斯玻色子的存在

在“希格斯粒子”相關(guān)理論的傳播過(guò)程中，恩格勒被埋沒(méi)了，比恩格勒更“冤”的是布魯特。他已經(jīng)于2011年5月去世。他不僅未能見(jiàn)證希格斯玻色子獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)，也未能領(lǐng)取諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)橹Z貝爾獎(jiǎng)不授予過(guò)世的科學(xué)家。這不能不說(shuō)是一種遺憾?；蛟S有人會(huì)問(wèn)，“希格斯玻色子”早在1964年就由3位科學(xué)家提出來(lái)了，為何諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)要在將近50年后才頒獎(jiǎng)呢？以后豈不是活得更長(zhǎng)的科學(xué)家才能獲得諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)？

這倒不怪諾貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)。因?yàn)橹Z貝爾評(píng)獎(jiǎng)委員會(huì)有一個(gè)不成文的慣例，科學(xué)獎(jiǎng)如果要頒發(fā)給理論科學(xué)家，只能頒發(fā)給那些獲得實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的科學(xué)理論。比如，愛(ài)因斯坦是舉世公認(rèn)的偉大的理論物理學(xué)家，他因相對(duì)論而名揚(yáng)天下，然而，他獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不是因?yàn)樗岢隽恕跋鄬?duì)論”，而是因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)。后者顯然沒(méi)有前者重要，但是卻是實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證的。又比如，霍金是舉世公認(rèn)的重要的理論物理學(xué)家，但是學(xué)界都知道他不可能獲得諾貝爾獎(jiǎng)，因?yàn)樗睦碚摮暗每旖咏翱苹谩绷?，很難被現(xiàn)在的技術(shù)手段所驗(yàn)證。

我們把話題再拉回到希格斯玻色子。希格斯玻色子是一種自旋為0的玻色子。所謂玻色子，就是一些自旋為0或正整數(shù)的粒子，比如光子、中子、質(zhì)子、電子等。當(dāng)粒子（比如希格斯玻色子）自旋為0時(shí)，它圍繞粒子中心無(wú)論怎么自旋，都可以和原來(lái)的粒子重合。也就是說(shuō)，希格斯玻色子從各個(gè)角度看都是一樣的，這個(gè)特性也導(dǎo)致了要探測(cè)和捕獲它都是一件十分困難的事情。

然而，科學(xué)家沒(méi)有放棄捕獲希格斯粒子的努力。就在布魯特逝世的2011年，歐洲核子研究中心利用大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），已經(jīng)對(duì)捕獲希格斯粒子進(jìn)行了不少實(shí)驗(yàn)。2012年初，研究人員根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推算希格斯粒子的質(zhì)量。2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種獨(dú)特的亞原子粒子，它很可能就是希格斯粒子。當(dāng)時(shí)希格斯在接受采訪時(shí)說(shuō)，那“真是難以置信”的結(jié)果，因?yàn)橄８袼贡救松钪８袼沽Ｗ觽€(gè)性獨(dú)特，很難把它們捕捉到。

不過(guò)，其他物理學(xué)家卻比希格斯有信心多了，大家一致認(rèn)為這次是真的。逢賭必輸?shù)幕艚鹪?jīng)和人打賭，歐洲核子研究中心找不到希格斯粒子。賭注是100美元。在2012年7月，盡管歐洲核子研究中心還沒(méi)有最終確認(rèn)，但是霍金已經(jīng)通過(guò)閱讀相關(guān)論文認(rèn)為希格斯粒子已經(jīng)找到了，他為此付出了100元“賭資”。當(dāng)時(shí)霍金還預(yù)言，希格斯很快就可獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)了。（這次霍金賭贏了）

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞，先前探測(cè)到的新粒子的確是希格斯玻色子。正是這最終的確認(rèn)，讓希格斯和恩格勒等人將近50年前的理論研究獲得了實(shí)驗(yàn)的證實(shí)，他們獲得諾貝爾獎(jiǎng)也算是眾望所歸。甚至有媒體和研究人員此前放出“狠話”：要是2013年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)不頒給希格斯，那就將是一大丑聞。

2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲獎(jiǎng)?wù)吆?jiǎn)介

弗朗索瓦·恩格勒，比利時(shí)理論物理學(xué)家，1932年出生，1959年，恩格勒從布魯塞爾自由大學(xué)畢業(yè)并獲得博士學(xué)位。他在粒子物理學(xué)方面做出重要貢獻(xiàn)。曾多年擔(dān)任布魯塞爾自由大學(xué)教授。

彼得·希格斯，英國(guó)物理學(xué)家，1929年出生，以“希格斯機(jī)制”與“希格斯粒子”而聞名于世。1960年到1996年期間曾任愛(ài)丁堡大學(xué)教授。