天殺的上帝粒子與物質(zhì)質(zhì)量的起源 | 展卷

1941年，朱利安·施溫格認(rèn)識(shí)到，如果設(shè)想弱力的載體是無(wú)質(zhì)量的，那么弱力的強(qiáng)度和作用范圍將會(huì)和電磁力相仿。這是統(tǒng)一這兩種大自然基本力的第一條線索，弱力和電磁力結(jié)合在一起就形成了電弱力。但是在如今這個(gè)階段，弱力和電磁力不再是統(tǒng)一的了——它們是兩種差異很大的基本力，有著不同的強(qiáng)度和范圍。這意味著弱力的載體一定發(fā)生了什么變化，從而獲得了質(zhì)量。力的載體變得很重，這大大降低了弱力的強(qiáng)度和范圍。但是有一種機(jī)制可以解釋這一問題，它是由好幾位理論物理學(xué)家獨(dú)立開展工作后于1964年提出的，我們今天稱之為希格斯機(jī)制。

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1941年，施溫格提出，假設(shè)弱力是由一種力粒子攜帶的①，其質(zhì)量相當(dāng)于質(zhì)子質(zhì)量的幾百倍，那么它的傳播范圍將會(huì)非常有限。與無(wú)質(zhì)量的光子不同，有質(zhì)量粒子的運(yùn)動(dòng)速度非常緩慢，顯著低于光速。這種慢速運(yùn)動(dòng)的粒子所攜帶的力也會(huì)比電磁力弱得多。

①現(xiàn)在，我們知道其實(shí)攜帶弱力的粒子有三種，后文會(huì)提到

施溫格意識(shí)到，如果這樣一個(gè)弱力載體的質(zhì)量能夠以某種方式被“關(guān)閉”（被切換到?jīng)]有質(zhì)量的狀態(tài)），那么弱力就會(huì)具有與電磁力大小相當(dāng)?shù)膫鞑シ秶蛷?qiáng)度。這句話聽起來(lái)就像數(shù)字算命一樣離譜，但這也是第一次有人意識(shí)到，弱力和電磁力可以被統(tǒng)一為一體，即“電弱力”。

我們可以通過這樣的思路來(lái)推理。盡管電磁力和弱力看起來(lái)差異頗大，但它們可以以某種奇怪的方式表現(xiàn)為相同的“電弱力”。它們之所以看起來(lái)相差很大，主要是因?yàn)槿趿Φ妮d體身上發(fā)生了這樣一件事：與光子不同，這種粒子以某種方式變成了“三維”的，它們的速度低于光速，并且擁有大量的質(zhì)量。這限制了弱力的范圍，并且使其強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電磁力。②

②在質(zhì)子和中子所處的飛米尺度上，弱力的強(qiáng)度大約只有電磁力的1000萬(wàn)分之一。

我們可以換一個(gè)角度來(lái)看這個(gè)問題。如果我們把時(shí)間倒回到宇宙大爆炸剛剛發(fā)生的時(shí)候，在這時(shí)周遭環(huán)境的能量和溫度之下，自然界中的所有力（也包括由時(shí)空中的質(zhì)能施加的引力在內(nèi)）被認(rèn)為是融為一體、難以區(qū)分的。引力首先分離出去，隨后是強(qiáng)力。而在大爆炸發(fā)生之后大約一萬(wàn)億分之一秒時(shí)，電弱力分裂成兩種不同的力——弱力和電磁力。這樣，四大基本作用力就齊全了。關(guān)鍵問題是，弱力的載體身上發(fā)生了什么，讓它變得這么重？或者說，是什么在大爆炸發(fā)生之后大約一萬(wàn)億分之一秒時(shí)導(dǎo)致了電弱力的分裂？

但是格拉肖現(xiàn)在遇到了和楊振寧和米爾斯一樣的問題，這一量子場(chǎng)論認(rèn)為的W粒子和Z粒子都是無(wú)質(zhì)量的，就像光子一樣。如果試圖通過“手動(dòng)”增加質(zhì)量來(lái)憑空捏造一些方程，那么這一理論就無(wú)法重正化。

所以又是一樣的問題，我們明知道弱力的載體一定是有質(zhì)量的粒子，但是從理論推出的結(jié)果是無(wú)質(zhì)量的。弱力載體的質(zhì)量究竟從何而來(lái)呢？謎底在1964年至1971年的這7年間被逐漸揭開，答案與自發(fā)對(duì)稱性破缺有關(guān)。

這個(gè)名字聽起來(lái)挺宏大，但它其實(shí)是一種我們非常熟悉的日?，F(xiàn)象。想象一下如果有人把玻璃瓶中水結(jié)冰的過程拍成一段延時(shí)攝影，我們會(huì)看到什么樣的情景呢？在某個(gè)時(shí)刻，我們會(huì)看到第一批冰晶的形成，然后這些冰晶慢慢地?cái)U(kuò)展開來(lái)，直到整瓶水都變成冰。

液體中的水分子有一定的對(duì)稱性，它們從不同的方向（上、下、左、右、前、后）上看起來(lái)都大致相似，都在構(gòu)成液體的松散網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，如圖1（a）所示。但是冰是一種晶格，一種由六角形原子環(huán)平鋪（或稱“鑲嵌”）而成的規(guī)則陣列。從不同方向上觀察這一結(jié)構(gòu)，會(huì)看到不同的情景：如果從左邊或者從右邊觀察，我們可以看到一條由晶格結(jié)構(gòu)形成的“走廊”，但往上看的話會(huì)看到一個(gè)“天花板”，往下看也會(huì)看到“地板”，如圖1（b）所示。

圖1 液態(tài)水的結(jié)構(gòu)是由相鄰分子間的短程力控制的，但是在不同的方向上看起來(lái)并無(wú)不同，如圖（a）所示；但冰是一種晶體結(jié)構(gòu)，水分子排列成六邊形，如圖（b）所示，因此與液體相比，冰的整體對(duì)稱性較低

盡管晶體是一種更有規(guī)則、重復(fù)出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)，但在三維空間中，固態(tài)水分子的組織方式并不像液態(tài)水中那樣對(duì)稱——我們從不同的方向觀察會(huì)得到不同的結(jié)果。因此，將水凍結(jié)的過程“打破”了液體較高的對(duì)稱性。

不過剛剛解釋的只是自發(fā)對(duì)稱性破缺是什么，而不是它發(fā)生的機(jī)制，現(xiàn)在我們要回過頭來(lái)把剛剛那段延時(shí)攝影再仔細(xì)地看一遍。我們看到第一個(gè)冰晶在整瓶水中的某處（看起來(lái)是相當(dāng)隨機(jī)的一處）形成的，最大的可能是在內(nèi)壁的周圍，但這是為什么呢？我們可以看到，一旦有第一個(gè)冰晶形成，那么接下來(lái)就會(huì)有更多的晶體就會(huì)包裹上來(lái)，形成一個(gè)“核心”，并繼續(xù)擴(kuò)展，直到整個(gè)瓶子結(jié)滿了冰。所以我們要換一個(gè)思路提出問題：是什么導(dǎo)致了第一個(gè)冰晶凝結(jié)成核？

這里有一條線索。讓我們用超純水來(lái)重復(fù)這個(gè)實(shí)驗(yàn)，同時(shí)確保玻璃瓶的內(nèi)壁非常光滑?，F(xiàn)在慢慢地使玻璃瓶冷卻下來(lái)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使水的溫度已經(jīng)降低到冰點(diǎn)以下，還是沒有形成任何冰晶。這樣的水被稱為過冷水。答案找到了，之前的那個(gè)玻璃瓶中之所以會(huì)有冰晶凝結(jié)成核，是由于水中含有雜質(zhì)或是玻璃瓶?jī)?nèi)壁不均勻，所以在第二次實(shí)驗(yàn)中去除了水中的雜質(zhì)以及內(nèi)壁的不均勻性之后，就不會(huì)再形成冰晶。

我們得出的結(jié)論是，晶體需要“依附”在某些東西上才能完成結(jié)冰的過程。我們需要添加一些東西（即上述例子中的雜質(zhì)和不均勻性）才能促使自發(fā)對(duì)稱性破缺的發(fā)生。

這對(duì)解釋量子場(chǎng)論遇到的問題有什么意義呢？其實(shí)，楊振寧和米爾斯以及格拉肖提出的SU(2)量子場(chǎng)論就像是一個(gè)裝著超純水的非常光滑的玻璃瓶，物理學(xué)家意識(shí)到，要打破對(duì)稱性，就需要在量子場(chǎng)的“背景環(huán)境”中添加某種東西，這是一種原本缺失的成分。

從某種意義上來(lái)說，他們需要找到某種東西，可以讓量子場(chǎng)中無(wú)質(zhì)量的力的載體“依附”其上。這種成分需要能打破對(duì)稱性，使各種作用力之間產(chǎn)生區(qū)別?，F(xiàn)在也沒什么多余的選擇了，他們只好又引入了另外一種全新的量子場(chǎng)。

這一想法起源于20世紀(jì)60年代初，與超導(dǎo)材料的特性有關(guān)。美籍日裔物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎認(rèn)識(shí)到，自發(fā)對(duì)稱性破缺可以導(dǎo)致具有質(zhì)量的粒子的產(chǎn)生。

物理學(xué)家花了幾年的時(shí)間才最終得出一種詳盡的機(jī)制。南部陽(yáng)一郎和英國(guó)理論物理學(xué)家杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）的論文以及美國(guó)物理學(xué)家菲利普·安德森（Philip Anderson）的評(píng)論中都對(duì)此有所提及。1964年，美國(guó)物理學(xué)家羅伯特·布魯（Robert Brout）和比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒（Fran?ois Englert）、英國(guó)愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）、美國(guó)物理學(xué)家杰拉爾德·古拉爾尼克（Gerald Guralnik）以及卡爾·哈根（Carl Hagen）和英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院物理學(xué)家湯姆·基布爾（Tom Kibble）這三組科學(xué)家分別獨(dú)立地發(fā)表了一系列論文，詳細(xì)地闡述了這一機(jī)制。從1972年開始，這一機(jī)制開始被人們普遍稱為希格斯機(jī)制，新的量子場(chǎng)則被稱為希格斯場(chǎng)。

需要再次強(qiáng)調(diào)的是，理論物理學(xué)家最為關(guān)心的問題是如何構(gòu)造出正確的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，他們并不怎么關(guān)心數(shù)學(xué)方程背后的物理意義（更不用說直觀性了），他們很樂意把這個(gè)問題留給別人去解決。添加一個(gè)具有某些性質(zhì)的背景希格斯場(chǎng)確實(shí)向量子場(chǎng)論方程中引入了新的項(xiàng)，這些新的項(xiàng)可以被解釋為與m2?2有關(guān)的質(zhì)量項(xiàng)。這一機(jī)制從數(shù)學(xué)的角度上來(lái)看是沒有問題的，現(xiàn)在需要做的是尋找它的物理意義，我們必須做出嘗試。

添加一個(gè)背景希格斯場(chǎng)（無(wú)論它是什么），意味著它遍布于整個(gè)宇宙中，就像是現(xiàn)代版的以太（但它比麥克斯韋那些19世紀(jì)的物理學(xué)家所提出的以太要稀薄得多）。如果沒有這個(gè)場(chǎng)存在，所有粒子（無(wú)論是物質(zhì)粒子還是力粒子）都是默認(rèn)的無(wú)質(zhì)量的二維粒子，并且都會(huì)以光速運(yùn)動(dòng)。

毫無(wú)疑問，如果真的是這樣，那就不會(huì)有質(zhì)量了，也不會(huì)有物質(zhì)實(shí)體的產(chǎn)生，不會(huì)有我們今天所熟悉的宇宙，不會(huì)有星系、恒星、行星、生命，更不會(huì)有人類。而現(xiàn)在我們知道了希格斯場(chǎng)的存在，無(wú)質(zhì)量粒子與希格斯場(chǎng)相互作用產(chǎn)生了一系列效應(yīng)，它們獲得了第三個(gè)維度（變“厚”了），速度也慢了下來(lái)。其結(jié)果就是，粒子獲得了質(zhì)量（m2?2形式的質(zhì)量項(xiàng)開始在方程中出現(xiàn)），參見圖2。人們使用過各種各樣的類比來(lái)“解釋”這些效應(yīng)，其中最流行的一種說法是，希格斯場(chǎng)就像是一團(tuán)黏稠的糖漿，它會(huì)拖拽著粒子使其減速，而粒子對(duì)于加速度的抵抗就表現(xiàn)為慣性質(zhì)量。這樣的類比無(wú)法做到盡善盡美（希格斯自己更傾向于認(rèn)為這一機(jī)制涉及一種擴(kuò)散），但它們至少能夠讓我們有一些概念。

圖2. 圖（a）中，一個(gè)無(wú)質(zhì)量的玻色子以光速運(yùn)動(dòng)，只能夠“指向”兩個(gè)方向，在圖中顯示為左/ 右（x軸）和上/ 下（y軸），它不能“指向”運(yùn)動(dòng)的方向；圖（b）中，在與希格斯場(chǎng)的相互作用中，粒子獲得第三個(gè)維度——前/ 后（z軸），它有了“厚度”，速度減慢，場(chǎng)方程中開始出現(xiàn)m2?2 形式的質(zhì)量項(xiàng)

最重要的概念與質(zhì)量的“起源”有關(guān)。從古希臘原子論者開始，人們就傾向于認(rèn)為質(zhì)量是物質(zhì)的最終組成成分，是一種與生俱來(lái)的、不可分開的“第一”性質(zhì)。伽利略和牛頓改進(jìn)了這一概念，但并沒有從根本上改變它。一個(gè)物體的慣性質(zhì)量是它阻礙加速度的量度，我們本能地把慣性質(zhì)量等同于這個(gè)物體所擁有的物質(zhì)的量，它包含的“東西”越多，就越難加速。

而如今，我們把一個(gè)本來(lái)沒有質(zhì)量的基本粒子的運(yùn)動(dòng)在與希格斯場(chǎng)的相互作用下“抵抗”運(yùn)動(dòng)的程度解釋為粒子的慣性質(zhì)量，質(zhì)量的概念在一堆數(shù)學(xué)推導(dǎo)的過程中消失了，它已經(jīng)成為一種第二性質(zhì)，是無(wú)質(zhì)量粒子和希格斯場(chǎng)相互作用的結(jié)果。

現(xiàn)在再回頭看，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，在大爆炸發(fā)生后的一萬(wàn)億分之一秒，宇宙的溫度已經(jīng)冷卻到足以讓希格斯場(chǎng)穩(wěn)定在一個(gè)固定的值，這為打破電弱力的對(duì)稱性提供了必要的前提。W粒子和Z粒子找到了可以“依附”的東西，它們獲得了第三個(gè)維度，獲得了質(zhì)量，于是弱力從電磁力中分離出來(lái)。

盡管希格斯機(jī)制極具吸引力，但它并沒有立即獲得大家的支持。希格斯的論文在發(fā)表時(shí)甚至遇到了一些困難。1964年7月，他把這篇論文寄給了歐洲雜志《物理快報(bào)》（Physics Letters），但是編輯以不適合發(fā)表為由拒稿了。希格斯火冒三丈，但一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)是，在20世紀(jì)60年代初，量子場(chǎng)論因?yàn)槊媾R問題而無(wú)人問津，而希格斯這篇論文的內(nèi)容正是關(guān)于如何解決這一問題的。

希格斯對(duì)他的論文做了一些修改，并重新提交給《物理評(píng)論快報(bào)》（Physical Review Letters）雜志，這篇論文被送到南部陽(yáng)一郎那里進(jìn)行同行評(píng)議。南部陽(yáng)一郎要求希格斯就他的論文與布魯和恩格勒剛剛在同一雜志上發(fā)表的一篇類似文章之間的關(guān)系發(fā)表評(píng)論。希格斯沒有注意到布魯和恩格勒在同一問題上做出的工作，并在補(bǔ)充的腳注中承認(rèn)了他們的工作。他還在正文中增加了最后一段，提醒人們注意另一種可能存在的大質(zhì)量玻色子，即希格斯場(chǎng)的量子粒子。這就是我們今天所說的希格斯玻色子。

物理學(xué)家現(xiàn)在有了一種機(jī)制，但是還沒有一個(gè)成熟的量子場(chǎng)論（當(dāng)然更沒有一個(gè)可以重正化的場(chǎng)論）。不過僅僅3年之后，他們就邁出了下一步。史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）花了幾年的時(shí)間研究強(qiáng)相互作用中自發(fā)對(duì)稱性破缺的影響，后來(lái)他意識(shí)到自己的方法行不通。然而就在此時(shí)，他突然產(chǎn)生了另一個(gè)想法。

溫伯格一直以來(lái)都在嘗試將希格斯機(jī)制應(yīng)用于強(qiáng)力，試圖給強(qiáng)力的載體賦予質(zhì)量。但是他現(xiàn)在意識(shí)到，他一直試圖應(yīng)用于強(qiáng)力的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)，恰恰是解決弱力及其隱含的大質(zhì)量力的載體的相關(guān)問題所需要的。他把正確的思路用在了錯(cuò)誤的問題上——這就是弱力中大質(zhì)量的力載體之謎的答案。

但是，溫伯格并沒有把這種方法應(yīng)用到質(zhì)子和中子上（它們也會(huì)受到強(qiáng)力的作用），而是將其應(yīng)用于諸如電子和中微子這一類不受強(qiáng)力影響的粒子上。溫伯格后來(lái)坦承了如此選擇的理由。幾年前，默里·蓋爾曼和喬治·茨威格（George Zweig）各自都曾猶豫不決地提出，質(zhì)子和中子實(shí)際上都是復(fù)合粒子，它們由后來(lái)被稱為夸克的物質(zhì)組成。如果將希格斯機(jī)制應(yīng)用到作用于質(zhì)子和中子上的弱力，就意味著要將夸克也納入討論之中，但是溫伯格根本不確定夸克是否真的存在。

而第4種希格斯玻色子則以物理粒子的形式出現(xiàn)，它就是剩余下來(lái)的希格斯玻色子。

在英國(guó)，阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）經(jīng)湯姆·基布爾的介紹接觸到了希格斯機(jī)制。他在早年間研究過電弱場(chǎng)理論，并且很快就發(fā)現(xiàn)了自發(fā)對(duì)稱性破缺的可能性。當(dāng)他看到溫伯格論文的預(yù)印本時(shí)，他發(fā)現(xiàn)自己和溫伯格各自獨(dú)立地得出了完全相同的模型，但他決定在自己能夠恰當(dāng)?shù)貙①|(zhì)子和中子納入描述中之后再發(fā)表自己的論文。溫伯格和薩拉姆都認(rèn)為電弱理論是可以重正化的，但當(dāng)時(shí)他們都無(wú)法對(duì)此做出證明。

幾年之后，這一點(diǎn)得到了證明。純屬巧合的是，1971年，荷蘭理論物理學(xué)家馬丁努斯·韋爾特曼（Martinus Veltman）和赫拉德·特霍夫特（Gerard’t Hooft）重新推導(dǎo)出了由溫伯格首次提出的場(chǎng)論，而且他們現(xiàn)在也證明了該場(chǎng)論可以重正化。一開始特霍夫特想將這一理論應(yīng)用于強(qiáng)力，但是當(dāng)韋爾特曼向一位同事詢問其他可能應(yīng)用的方向時(shí)，這位同事的回答指向了溫伯格于1967年發(fā)表的那篇論文。韋爾特曼和特霍夫特意識(shí)到，他們已經(jīng)建立起了一個(gè)完全可重正化的電弱相互作用量子場(chǎng)論。

這對(duì)電子來(lái)說意味著什么？回顧一下此前的內(nèi)容，質(zhì)量重正化意味著電子的質(zhì)量分成兩部分。它具有一個(gè)假想的“裸質(zhì)量”，也就是如果將其從自身產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中分離出來(lái)，它將具有的質(zhì)量；它還具有一個(gè)“電磁質(zhì)量”，這是由電子與自己的電磁場(chǎng)之間的相互作用產(chǎn)生的能量產(chǎn)生的，這種相互作用將電子包裹在一層虛光子中。現(xiàn)在我們知道，就連“裸質(zhì)量”都不是電子的固有性質(zhì)，它來(lái)源于電子和希格斯場(chǎng)的相互作用。這些相互作用增加了第三個(gè)維度，并且使電子減速，產(chǎn)生了我們稱之為質(zhì)量的效應(yīng)。

幾年之后，高能粒子實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的發(fā)展終于追上了理論物理學(xué)家的步伐。溫伯格已經(jīng)預(yù)測(cè)了弱力載體的質(zhì)量，在他做出這些預(yù)測(cè)時(shí)還沒有足夠大的粒子對(duì)撞機(jī)能夠觀測(cè)到它們。但是在隨后的幾年時(shí)間里，美國(guó)和歐洲核子研究組織（位于瑞士日內(nèi)瓦附近）都建造了新一代的粒子對(duì)撞機(jī)。1983 年1月，歐洲核子研究組織宣布發(fā)現(xiàn)了W粒子，其質(zhì)量為質(zhì)子的85倍，與溫伯格的預(yù)測(cè)值相同。隨后，在同年的6 月，Z0粒子也被發(fā)現(xiàn)了，其質(zhì)量大約是質(zhì)子的101倍（根據(jù)最新數(shù)據(jù)，這一數(shù)值應(yīng)是97 倍）。③

③ 前文提到，施溫格在1941年假設(shè)弱力的力粒子質(zhì)量是質(zhì)子的“幾百倍”，如此一來(lái)，他的預(yù)測(cè)與實(shí)測(cè)值也差了幾倍。

當(dāng)然，電弱理論還預(yù)測(cè)了希格斯玻色子的存在。鑒于通過希格斯機(jī)制預(yù)測(cè)的弱力載體質(zhì)量如此準(zhǔn)確，那么希格斯場(chǎng)（或是類似的什么東西）的存在似乎是“確信無(wú)疑的事”。然而，也有其他無(wú)須借助希格斯場(chǎng)的對(duì)稱性破缺理論，并且電弱理論也存在著一些難以解決的問題。這些問題往往會(huì)播下懷疑的種子，并逐漸侵蝕理論物理學(xué)家的信心。當(dāng)時(shí)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能說希格斯機(jī)制已被證實(shí)。

希格斯機(jī)制自然而然地嵌入電弱理論中，并使之重正化，一切看起來(lái)都是那么完美。但是這一機(jī)制要求存在一種新的量子場(chǎng)，它將遍布于整個(gè)空間之中。所以，一切的問題歸根結(jié)底就是：如果希格斯場(chǎng)真的存在，那么它的基本場(chǎng)粒子希格斯玻色子也應(yīng)該存在。

所以下一步當(dāng)然是尋找希格斯玻色子存在的證據(jù)，一場(chǎng)競(jìng)賽就此在芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和日內(nèi)瓦的歐洲核子研究組織之間展開。在1993年出版的一本書中，美國(guó)粒子物理學(xué)家利昂·萊德曼強(qiáng)調(diào)了（或許在你看來(lái)強(qiáng)調(diào)得有些過分）希格斯玻色子所起到的基本作用，并稱之為“上帝粒子”（God Particle）。

他給出這個(gè)名字的原因有二：“第一，出版者不讓我們將其命名為‘天殺的粒子’（Goddamn Particle），但是考慮到它惡毒的本性和消耗的經(jīng)費(fèi)，這個(gè)標(biāo)題真是再恰當(dāng)不過了。第二，這也與另外一本更為古老的書有關(guān)……”

本文經(jīng)授權(quán)摘選自《物質(zhì)是什么》（中信集團(tuán)出版社鸚鵡螺工作室2020年5月版）一書。