第一性原理：第18章 希格斯場

第一性原理：21堂科學通識課

作者：[英]馬庫斯·喬恩

第18章　希格斯場

物質的基本構件沒有固有質量，而是通過與希格斯場的相互作用獲得了質量。

這個夏天我發現了一些完全沒用的東西。

                                            ——彼得·希格斯

它是一種充滿整個空間的無形液體，從出生到死亡的整個生命過程里，我們都一直浸沒在這種液體之中。然而，直到1964年，才有人開始注意到它的存在，而直到2012年，它的存在才得到了確切的證明。最終證明希格斯場存在的證據是場中的一個擾動，就像大海裡的一朵浪花，而這個擾動就是希格斯玻色子。

關於希格斯玻色子說來話長。它的故事始於20世紀上半葉，當時有實驗表明，物質的基本構件既可以表現出粒子的性質，也可以表現出波的性質。隨後，在20世紀20年代末，這兩種性質被量子場論統一起來。量子場論認為，整個空間中都瀰漫著具有能量的流體，這種流體就是場，而基本粒子只是場中蕩漾的漣漪（參見第7章）。

20世紀50年代，美國物理學家朱利安·施溫格(Julian Schwinger)將量子場論應用於電子，他提出的量子電動力學理論揭示了關於大自然基本作用力存在的根本原因。事實證明，人們經過200多年的實驗才搞清楚的這些神秘的電磁現象，只不過是電子波對稱性的一個微不足道的結果罷了。

所謂對稱性，是指在某些東西發生變化的情況下，有一些東西依然保持不變。假設你在一張台球桌上打台球。無論讓台球桌懸空到離地1米的高度，還是離地3米的高度，台球桌上所發生的現象都不會有任何不同。台球在球桌上無論是沿直線滾動，還是撞擊並彈開其他球，其行為都是受牛頓運動定律支配的，我們可以說牛頓運動定律在球桌高度發生變化時具有對稱性。在物理學中，球桌的高度稱為“規範”，因此我們可以認為牛頓運動定律在規範變換下是保持不變的，或者說是對稱的。我們也可以說，它是與規範無關的，或者說它具有“規範不變性”。

在量子場論中，電子可以用一個波函數表示，這個波函數包含了關於電子的一切可知信息。波函數有一個稱為“相位”的參數，它表示波峰在任意時刻所處的位置，這與上面例子中球桌的高度幾乎是等價的。至關重要的是，如果這個規範在空間各處發生均等的變化，則這些變化對電子的行為沒有任何影響。

1918年，德國數學家艾米·諾特(Emmy Noether)證明瞭一個強大的定理，這個定理表明如果存在像這樣的“全局”對稱性，那麼就必然存在一條守恆定律，即規定某個物理量必須保持不變（守恆）的定律。在電子的量子場論中，這一守恆定律體現為電子的電荷守恆，即電荷既不能被創造也不能被消滅。

台球桌的類比中蘊含著一個隱藏的假設條件，即球桌的所有部分都可以同時升起。這對於一個正常的台球桌來說當然是正常的，但假設有一張10光年寬的宇宙級台球桌（別擔心，這只是一個思想實驗！），那麼我們就不可能同時改變這個球桌的所有部分，因為根據愛因斯坦的理論，沒有任何物體能超過光速，這意味著球桌遠端對高度調整做出反應的時間要比球桌近端更晚。事實上，球桌遠端需要等待10年才能“注意到”球桌近端所發生的改變。因此，一般來說，當改變球桌的高度時，高度的提升需要在其表面傳播，導致對於不同位置和時間，球桌的高度是不同的。這是在愛因斯坦宇宙中可能發生的最好情況。

儘管如此，我們仍然希望物理學定律在任何地方都是一致的，這樣台球就會繼續遵循牛頓運動定律沿直線滾動。但是，由於球桌的表面已不再平坦，在這種情況下要想讓物理學定律保持不變，只有一種可能，即在任意位置和時間，台球都受到一個補償的力，這個力能精確地抵消地形的起伏變化。

當規範在不同位置和時間持續發生變化時，物理學定律依然維持不變的性質稱為“局域規範不變性”。在台球桌的例子中，只有在存在補償力的情況下，才能維持局域規範不變性。而在電子的例子中，電子波函數的相位在不同的位置和時間都在持續發生變化，而維持局域規範不變性的這種補償力不是別的，正是電磁力。

電磁場只是局域規範不變性所產生的必然結果，當電荷在時空中某一位置運動時，電磁場負責將這一消息傳播到其他位置，從而維持局域規範不變性，而負責在電磁場中傳播這個消息的就是“規範玻色子”：光子。值得注意的是，即使物理學家對電、磁和光子一無所知，只要知道電子以及局域規範原理，也可以推斷出上述所有這一切必然是存在的，因為只有這樣才能維持電子的局域規範不變性。

施溫格的發現引起了巨大的關注，以至於物理學家們不由得懷疑他是否偶然間觸碰到了一個普遍性原則。大自然維持局域規範不變性的需要，是否不僅能解釋電磁力的存在，而且還能解釋弱力、強力等其他基本作用力呢？曾幾何時，物理學家們一直對此保有極大的希望，但一個問題的存在讓這個希望破滅了。在某些情況下，量子電動力學方程的解會發生爆炸，從而得出毫無意義的結果。儘管物理學家們找到了一種方法來解決這個無限性問題，但這種方法只有在力的載體沒有質量的情況下才能成立。而對於弱力來說，人們已經知道它並不滿足這種條件。

在量子理論中，載力粒子是從真空中突然出現的。海森堡不確定性原理允許質能突然出現，只要這些質能夠及時消失即可，這有點像一個小伙子借了他父親的車在夜裡出去玩，只要第二天早上在他父親發現之前把車還回車庫即可。借來的質能越多，就必須越快地把這些質能還回去，因此它在消失前所能走過的距離就越短。承載電磁力的光子沒有靜止質量，因此其傳播距離是無限的，這也是電磁力具有無限作用範圍的原因。然而，弱力的作用範圍比原子核的大小還要小很多，因此弱力的載體一定具有很大的質量，至少在亞微觀尺度上是很大的。事實上，人們發現必須存在三種這樣的規範玻色子（相當於電磁場中的光子），它們被稱為W+、W-和Z0。

弱力的載體具有質量，這似乎杜絕了用量子場論解釋弱力的一切可能性。因此，到20世紀60年代初，大多數物理學家不得不放棄了整個理論，但愛丁堡大學的彼得·希格斯沒有放棄。希格斯堅持認為一定有辦法繞過這個障礙，他推測也許弱力的載體不具有固有質量——這樣便可以用量子場論來描述它們，但它們可以通過某種外部過程被賦予質量。

這個外部過程必然涉及一個迄今未被發現的、充滿整個空間的場。在宇宙大爆炸時，這個場需要處於關閉狀態，此時弱力的載體沒有質量，然後這個場以某種方式開啓並為它們賦予質量。這個場可以從對稱狀態切換到非對稱狀態，這一過程稱為“對稱性自發破缺”。這個名字聽起來有點拗口，但其思想本身卻非常簡單。

用筆尖直立著的鉛筆處於一種不穩定的平衡狀態，此時它是完全對稱的，但當它倒下時一定會倒向某個特定的方向，此時它自發地打破了對稱性。引力的作用方向是竪直向下的，而並不會偏向某個特定的方向，這個例子說明當基本定律具有對稱性時，

結果卻不具有對稱性。這就是希格斯所設想的東西，它後來被稱為“希格斯場”（見圖18-1）。

即便如此，依然存在一個大問題。英國物理學家傑弗里·戈德斯通(Jeffery Goldstone)發現，當量子場以這種方式自發地打破對稱性時，就會產生零質量的粒子。質量為零的粒子，例如光子，應該是很容易產生的，因此我們應該能夠在粒子實驗中觀測到它們的存在才對。然而，並沒有人實際觀測到這種“戈德斯通玻色子”。

此時，對於時年35歲的希格斯來說，可謂萬事俱備，只欠東風。用他的話來說：“這是我這輩子唯一真正原創的想法。”1964年7月，希格斯發現，如果有一個新的場充滿整個空間，並且發生對稱性破缺，那麼確實可以產生多餘的戈德斯通玻色子。然而，關鍵是，如果這個場在有規範玻色子存在的情況下發生對稱性破缺，奇跡就發生了。從結果上看，規範玻色子會“吃掉”戈德斯通玻色子，但這個吞噬的過程不僅導致了戈德斯通玻色子的消失，與此同時也讓W+、W-和Z0獲得了質量。

希格斯不僅一舉拯救了量子場論，而且還闡明瞭物質被賦予質量的機制。美國物理學家史蒂文·溫伯格(Steven Weinberg)和巴基斯坦物理學家阿卜杜勒·薩拉姆(Abdus Salam)於20世紀60年代提出了一個理論，該理論認為電磁力和弱力只是某種單一的“電弱力”的兩種不同形式，只有在基本物質粒子不具有固有質量的情況下，這種統一理論才有可能成立。希格斯則為此提供了一個外部機制，使這些物質粒子能夠通過與他嶄新且無所不在的場發生相互作用的方式來獲得質量。

實際上，還有另外五位物理學家也在同一時間提出了與希格斯相同的想法。但希格斯與這個“六人幫”中其他成員的決定性區別在於，只有他意識到他提出的新場的對稱性自發破缺總共產生了四種戈德斯通玻色子，而在為W+、W-和Z0玻色子賦予質量的過程中，有三種戈德斯通玻色子會被吃掉，最後還剩下一種。不尋常的是，它是一種有質量的戈德斯通玻色子，這種粒子後來被稱為“希格斯玻色子”。

此後的幾十年間，隨著大自然的所有構件以及基本作用力的載體——規範玻色子接連被發現，粒子物理學標準模型只缺少最後一塊拼圖，它就是希格斯玻色子。它成了物理學的聖杯，因為發現希格斯玻色子不僅可以證明神秘的希格斯場的存在，還可以證明物質被賦予質量的機制。

於是，科學家們耗資50億歐元，在法國和瑞士邊境的放牧草場下面建造了人類史上最大的科學儀器——大型強子對撞機(LHC)，它隸屬於位於瑞士日內瓦附近的歐洲核子研究中心(CERN)。大型強子對撞機的地下探測器有一座大教堂那麼大，它能讓質子以超乎尋常的速度在其中相互撞擊，而物理學家們則在撞擊所產生的亞原子碎片中尋找轉瞬即逝的希格斯玻色子的蛛絲馬跡。希格斯玻色子在產生後，其存在時間還不到100億億分之一秒。

2012年7月4日，當宣佈希格斯玻色子被發現的消息時，彼得·希格斯正與“六人幫”中的另一位成員，比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)一起坐在歐洲核子研究中心的禮堂里。消息一宣佈，周圍便爆發出熱烈的掌聲，人們紛紛簇擁到他的身邊向他表示祝賀並與他握手。此時此刻，淚水在希格斯的眼眶中打轉，經過48年之後，他的預言終於得到了證實。諷刺的是，希格斯早在幾十年前就已經離開了基礎物理學領域，因為他覺得基礎物理學實在太複雜了。

希格斯場是科學界中的一個全新概念。引力場的發生源是質量，電磁場的發生源是電荷，而希格斯場存在於空無一物的空間中，它沒有任何發生源。我們一生都浸沒在希格斯場中，但就像魚生活在水中而不自知一樣，我們也不會意識到自己時刻身處於這樣一種普遍存在的介質中。

如果沒有希格斯場，基本粒子就不會具有質量，構成你、恆星和星系的原子就不會存在（實際上，希格斯場只貢獻了你0.5%的質量，其餘的質量都是來自你體內以接近光速運動的誇克在愛因斯坦狹義相對論的支配下所產生的質量增長——但這0.5%非常關鍵）（參見第10章）。如果沒有希格斯場，承載弱力的W+、W-和Z0玻色子就不會具有質量，弱力本身也不會難以置信地微弱。正是因為弱力如此微弱，才讓太陽發光發熱的核反應的第一步進展得如此緩慢，同時也解釋了為什麼太陽需要100億年才能耗盡所有的氫燃料，以及為什麼像我們這樣的複雜生命有充足的時間演化出來。

同很多科學發現一樣，希格斯玻色子的發現及其對標準模型的完善也引發了一系列新的問題。希格斯場的起源是什麼？它是由什麼構成的？佔整個宇宙95%質能的暗物質和暗能量在哪裡？最後，讓我們用彼得·希格斯自己的話來作為本章的結尾：“讓我成名的那件事在我生命中只佔很小的一部分——也就是1964年夏天的三周時間而已。雖然我做的工作不多，但它引發的後果卻令我感到十分震驚。”