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推理。盡管電磁力和弱力看起來差異頗大，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1000萬分之一。

我們可以換一個(gè)角度來看這個(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)量來憑空捏造一些方程，那么這一理論就無法重正化。

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)果是無質(zhì)量的。弱力載體的質(zhì)量究竟從何而來呢？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，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并無不同，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，那么接下來就會(huì)有更多的晶體就會(huì)包裹上來，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，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)或是玻璃瓶內(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。

從某種意義上來說，他們需要找到某種東西，可以讓量子場(chǎng)中無質(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。南部陽一郎和英國理論物理學(xué)家杰弗里·戈德斯通（Jeffrey Goldstone）的論文以及美國物理學(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）、英國愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）、美國物理學(xué)家杰拉爾德·古拉爾尼克（Gerald Guralnik）以及卡爾·哈根（Carl Hagen）和英國倫敦帝國理工學(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（無論是物質(zhì)粒子還是力粒子）都是默認(rèn)的無質(zhì)量的二維粒子，并且都會(huì)以光速運(yùn)動(dòng)。

毫無疑問，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。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“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。

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一郎那里進(jìn)行同行評(píng)議。南部陽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)，它就是剩余下來的希格斯玻色子。

在英國，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，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，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“確信無疑的事”。然而，也有其他無須借助希格斯場(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，美國粒子物理學(xué)家利昂·萊德曼強(qiáng)調(diào)了（或許在你看來強(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。