2011——“上帝粒子年”？
无功
据英国《每日邮报》12月8日报道，欧洲核子研究中心（CERN）表示，对被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子的搜寻行动取得重大突破，大型强子对撞机（LHC）或已捕捉到了首个希格斯玻色子的信号。
说起“质量”，朋友们也许会认为就是通常说的“重量”。其实质量是重量之源，但还不等于重量，否则只要登上月球，每个人都可以成功减肥到原体重的1/6。准确地说，重量是一定质量的物体在特定引力场（比如地球）中所产生的重力效应。不过在同一引力场中，不太准确地替换使用质量与重量这两个概念也未尝不可，反正在地球上你比我重一倍，咱俩一块登上月球你还是比我重一倍。
如果有爱刨根问底的孩子再追问一句：质量是重量之源，什么是质量之源呢？这就有点尴尬。在牛顿的质点动力学中，物体被视为没有大小的“质点”，它们的唯一属性就是质量，物体就是质量，质量就是物体，还能问什么质量之源？幼稚！可是科学就是在“幼稚”地追问中发展的，到上个世纪的六十年代，质量之源还真成了一个重大的物理学问题。
1900年，德国物理学家普朗克提出“量子”概念，量子物理由此诞生，到1920年代末，公理化的量子力学运动方程建构完成，物理学家就有了认识微观世界的理论武器。1930年代起，物理学中一门专门研究亚原子粒子的学科——粒子物理学诞生。约二千七百年前，古希腊哲学家和科学家德漠克利特就提出：大千世界，无非原子、虚空二物，原子构成了所有的有形物体，而虚空提供了物体的运动和变化的场所。粒子物理学就是要实现自德漠克利特以来人类刨根问底地了解世界的夙愿。
现在物理学家发现，物体确实是由原子构成的，但原子还不是终极之物。原子由带负电的电子和带正电的原子核构成，而原子核又由核子、即带正电的质子和不带电的中子构成。这还没完，1960年代，美国物理学家盖尔曼等发现，质子和中子还由更小的粒子——红、绿、兰三种“夸克”组成。夸克和电子，此类可以组成复合物（如核子或原子），又不由更小的粒子组成的粒子，就叫“基本粒子”。另外，在质子变成中子或中子变成质子的核子衰变中所产生的电子（与组成原子的电子同类，只是能量更大）和中微子，也属于基本粒子。这些基本粒子统称为“费米子”，这是由于这类粒子符合以意大利物理学家费米的名字命名的费米统计规律而得名的。费米子的特性是服从“泡利不相容原理”，简单地说就是，费米子是相互排斥的，两个费米子不能占据同一个空间。中世纪经院哲学不是有个论题叫“一个针尖上能站几个天使”吗？现在有答案了：如果天使是由费米子组成的，那一个针尖上就只能站一个天使。
物体搞清楚了，接下来就要研究物体间的相互作用。经典物理发现的作用力有两种——引力和电磁力。由于亚原子层次引力作用微乎其微，因此粒子物理学不研究引力。电磁现象大家都很熟悉——电动机、电灯、电话、无线电，光照也是一种电磁波，也属于电磁现象，但还不仅于此，比如你推一部小车，使它从静止状态变为运动状态，就可以理解为你手掌原子的核外电子与小车原子的核外电子的排斥作用。大家知道，电磁作用的原理是“同性相斥，异性相吸”，我要告诉大家的是这种作用并不是在构成物体的费米子之间直接进行的，而是通过传递光子进行的。相互作用的两个费米子就好比两个坐在轮椅上的篮球运动员，同性相斥的情况下它们互相传递一个光子篮球，反冲力使它俩互相远离；异性相吸的情况下它俩互相拽这个篮球，拉力使它们互相趋近。光子就是传递电磁相互作用信息的“信使粒子”。在粒子物理学中，光子也是一种不被其他粒子复合的基本粒子。怎么听起来怪怪的？光子不就是光线吗？整日那么多光子打在我的脸上怎么就不觉得疼呢？对，这是一种与构成你的费米子不同的粒子叫“玻色子”，因为符合以印度物理学家玻色命名的玻色统计规律而得名。玻色子的特点是不遵从不相容原理，就是说玻色子不像费米子那么小气，它们占据的空间其他粒子还可以来占据。如果天使是由玻色子构成的，则一个针尖上可以站无数个天使。充满玻色子的空间由于玻色子的“虚怀若谷”，也可以像德漠克利特那样称之为“虚空”。光子不仅要传递作用量大小的信息，还要传递“规范”信息（该远离还是趋近？），所以光子这个信使粒子也叫“规范玻色子”。
好，我们现在回到原子内部。在这里，除了正电粒子和负电粒子之间的电磁作用外，还有另外两种相互作用力。一种是管核子衰变的“弱相互作用力”，使质子变为中子或使中子变为质子。另一种是“强相互作用力”，管把夸克吸引在一起组成核子和把核子吸引在一起组成原子核。举一反三，弱力作用和强力作用也是通过传递规范玻色子实现的。现在质量问题出来了！
光子是一种没有静止质量，能量也很小的粒子，其传递的电磁作用力是一种“长程力”，这很合理。但弱力和强力都必须是一种“短程力”，就是说只能在短时间小范围（“双规”）内进行。传递弱力的玻色子必须寿命很短，短到核子还没有作出反应信使粒子就“湮灭”了，保证核子只有很小的概率发生衰变。否则不说别的，我们体内的核子时时刻刻发生衰变咱们就受不了，因为核子衰变会产生一种高能电子——贝塔射线，这种射线对人体有极大的杀伤力，居里夫人的早逝贝塔射线就是主要杀手。强力作用的范围也只能在原子核大小的极小的范围内进行，否则强大的吸引力把核外电子吸引到原子核造成“原子坍缩”，整个世界也就跟着灰飞烟灭！而能对弱力和强力实行“双规”的唯一办法是使传递这二种力的玻色子带有光子所没有的质量，而且还是很大的质量。然而物理学家在建立弱力和强力的数学模型时却发现：弱力玻色子和强力玻色子都必须是像光子一样的无质量的粒子才能成立，而这又与实验结果明显不符。现在手心是理论，手背是实验，如何取舍？唉，两难呐！
为什么理论上非得无质量呢？这跟“对称性”的概念有关。对称性是客观存在的一种普遍现象。自然界中对称产生美，比如人体就是左右对称的，看你一个侧面就可以画出你的整体画像，不对称就被叫做“歪瓜裂枣”。社会中对称产生和谐，比如上学读书，作为“同学”全班人具有对称性，你说“我爸是李刚”，他说“我爸是盖茨”，这个班集体就不会是和谐的。科学中对称产生规律，英国物理学家麦克斯韦在对称性的基础上建构出电磁统一动力方程，预言了电磁现象，才有了欧洲以电力使用为特征的第二次工业革命，否则我现在只能点着油灯用毛笔来写这篇文章，派快马送到北京。同样，信使粒子如果不具有无质量的对称性，我们就无法建构各种作用力的规律，也就无法利用这些规律来为人类的目的服务。
有没有可能理论上信使粒子无质量是对的，实验观测到的信使粒子有质量也是对的？嘿，这是强词夺理嘛！别急，还是有道理讲的。你们全班同学具有对称性不假，但大家总要毕业进入社会，从事不同的行业，成就、财富都会有差别甚至是巨大的差别，所以说同学这种对称性是必然会被打破的，物理学上这叫“对称性自发破缺”。人是进步的，生物是进化的，信使粒子就一定有一成不变的“先天本质”？ 宇宙大爆炸之初，世界多简单呐，只有离散的电子、光子、中微子、质子和中子，传递作用信息任务很简单，三种作用力还无明确分工。以后宇宙冷却，才形成了核子，之后原子、分子，作用力才有了分工。就像以前业务简单时，就一个邮电局，以后量大了，就分出了邮政局和电信局，再复杂一点电信中还分出了移动。对，现在看似不同的信使粒子原本都在同一个邮电局，具有精确的对称性，以后邮电局拆分了，才分配到了不同的单位，对称性才发生了自发破缺。
现在的关键是，建立一个基本粒子的“对称性自发破缺机制”。本文的主角闪亮登场。1964年，35岁的英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）在欧洲核子研究中心的《物理快报》（Physics Letters）上发表了《破坏了的对称性、无质量的粒子和规范场》等两篇论文，提出了 “希格斯机制”， 并预言了这种机制的一个产物——“希格斯玻色子”。根据希格斯的假设，空间弥漫着一个希格斯场，希格斯粒子是这个场的量子化激发态。在早期宇宙中，希格斯场是各向同性的，这也是标准模型中的规范玻色子严格对称的注脚。但是大爆炸之后，由于不确定性微扰，这种对称性很快地就自发破缺掉了，在时空上分化出了四个极化分量——两个带电的两个中性的。前三个分量与基本粒子发生耦合，使基本粒子获得质量和不同的电性，剩下一个电中性的分量就是希格斯玻色子。
1967年，美国物理学家温伯格和巴基斯坦物理学家萨拉姆用希格斯的对称性自发破缺机制成功地构造了一个电磁力与弱力统一的理论，这个理论被命名为“温伯格—萨拉姆模型”，在这个模型中，电弱玻色子场与希格斯场耦合，“吃掉”两个带电的分量和一个中性的分量，从而获得质量（约比质子质量大80~90倍），形成三种分别带正电、负电和中性的玻色子，命名为W+、W－和Z0玻色子，而不与希格拉场发生耦合的玻色子依然没有质量，这就是光子。所以三个弱力玻色子和光子本来都是一个班的同学，进入希格斯场这个社会后，由于融入（耦合）与不融入的区别，W和Z粒子为质量所累而步履蹒跚，在“双规”下传递短程的弱力作用，光子出污泥而不染保持无质量本色而秒行三十万里，传递长程的电磁作用，对称性就是这样自发破缺了。
电弱统一理论被视作与麦克斯韦统一电磁场理论同样科学奇迹，瑞典皇家科学院一激动就把1979年的诺贝尔物理学奖以“对基本粒子弱相互作用理论的贡献”的名义授予了格拉肖（电弱统一模型的最早提出者）、温伯格和萨拉姆。一向处事谨慎的诺奖委员会这次可是冒了个天大的风险——“温伯格—萨拉姆模型”预言的W和Z粒子还没有被实验证实呢！1983年，位于日内瓦的欧洲核子研究中心（CERN），在意大利物理学家鲁比亚领导下的100多位世界各国科学家协作，通过质子—反质子对撞机发现了这三种玻色子，诺委会的委员们这才如释负重，长吁了一口气。下一年，就神速地把1984年的诺贝尔物理学奖授予了鲁比亚，这大概也包括了感谢他对诺委会的救赎。
其实何止规范玻色子需要对称性破缺机制？宇宙大爆炸之初，世界就是一混沌的能量团，也需要一个对称性的破缺机制，分化成质量和电性各异的费米子，以构建千姿百态的宇宙万物。有希格斯机制为后盾，物理学家就有信心像化学元素表一样建立一个逻辑严整的基本粒子表，这就是“粒子物理的标准模型”。在这个模型中，包括三代夸克和三代轻子（电子及其中微子），以及它们的反粒子，总共48种费米子；此外还有三类信使粒子：传递电磁力的光子、传递弱力的W±和Z0粒子和传递强力的八种胶子，总共12种规范玻色子。合起来总共60个基本粒子，据此我们就可以解释天上地下，一切物质和一切运动。如果说宇宙是一座大厦，费米子就是砖块，玻色子就是混凝土。这是一个很漂亮的模型，具有优美的逻辑流形和完美的对称性。神奇的是，这个模型逻辑需要的所有粒子，全部都被观测验证，具有扎实的经验基础。从粒子加速器被发明以来，半个多世纪物理共同体积累下来数以万亿计的实验事例，居然全部符合标准模型，无一例实验反常！粒子物理的标准模型不愧是二十世纪物理学天空最耀眼的一颗明星！
且慢！我们说标准模型具有优美的对称性是排除了质量考虑的。考虑这一因素，似乎就不太雅观。同样是夸克，最大的和最小的居然有70000倍之差，同样是玻色子，光子0质量而弱力玻色子是比质子都要大近百倍的巨无霸，把姚明们和侏儒们参差地排成一个队列，能好看吗？为什么可以忽略质量呢？那不是还有希格斯嘛，希格斯机制把质量形成的秘密说出来，这一切就会变得无比优美。这就是标准模型的第61个基本粒子——希格斯玻色子。物理学家已经见到的那60个基本粒子可不能与这一个等量齐观，这一个希格斯玻色子可是全部标准模型大厦的基石，没有她，整个大厦就会轰然倒塌。可是，恰恰是这个最重要的希格斯正色子，是标准模型里唯一一个没被观测证实的基本粒子！该死的！
因此希格斯玻色子令人又爱又恨。爱的是她把握着一个宇宙的终极秘密，这可是无价的精神财富呐！恨的是她老那么遮遮掩掩，像一个绝色美女，只向你抛媚眼却不让人你亲热。1988年的诺奖得主美国物理学家莱德曼将她称为“一个无处不在的幽灵一样的大坏蛋”。为了寻找她必须建造巨无霸式的粒子对撞机，那巨额的投资连美国财政部长的手都要打哆嗦。因此只好各发达国家凑份子建造，多国科学家合作攻关。莱德曼（Leon Lederman）写过一本介绍希格斯机制的书，书名叫做《该死的粒子（goddamn particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。编辑觉得“goddamn”这种骂人的话出现在书名上也太有失斯文，不同意使用。莱德曼一气之下就把这个词的后四个字母划掉变成了“God”，于是出版时变成了《上帝粒子（God particle）——假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》。歪打正着，“上帝粒子”这个名词倒很传神——希格斯玻色子既不做宇宙大厦的砖块，也不做混凝土，但她管这些建筑材料的成型，是这座大厦的总设计师和总工程师。她挥动着上帝之手，指挥着宇宙威武雄壮的交响曲！
希格斯玻色子很迷人，但并非所有的物理学家都青睐她，宇宙学大师霍金就不看好，并且公开发表他的反对意见。在2002年9月的一次晚宴上，谈及霍金希格斯不无怨气地对一位记者说：“霍金由于其特殊的名望获得了本不该有的、顺手拈来的权威性，同时他与其他领域的理论家们交流起来很困难。”这事被媒体大肆炒作，希格斯未免尴尬，忙给霍金去信说明自己的本意。霍金表示对此并不介意。
霍金的不介意还有另一层意思，就是他不会因为希格斯的态度而改变观点。CERN于2008年9月启动的大型强子对撞机（LHC），其首要任务就是找寻希格斯粒子。世界科学家都为此激动不已。这一年已经79岁希格斯说，如果发现了希格斯玻色子，他将打开一瓶香槟，还说希望能用这一好消息来庆祝自己的80大寿。霍金在物理圈“嗜赌成性”是出了名的，在接受BBC电台采访时说他已出资100美元赌LHC不会发现希格斯玻色子。但是大师级人物改行做预测往往败绩居多，如前球王贝利，霍金在以往的物理打赌中似乎全无胜绩。
2011年，LHC追寻上帝粒子之旅进入第三个年头，有乐观者预言这一年将会有胜利的结果，这可是物理学史上里程碑式的大事件，因此2011年将会成为物理学的“上帝粒子年”！时间进入12月，眼见这个预言就要落空，近日欧洲核子研究中心（CERN）突然宣布：搜寻行动取得重大突破，大型强子对撞机（LHC）或已捕捉到了首个希格斯玻色子的信号。可是科学法庭跟社会法庭一样，判决要有完整的证据链，孤证不能成立。这个“信号”能否成为希格斯玻色子的出生证，还有赖于今后的重复实验和对比实验的反复证实，以及物理共同体对实验证据的理论研判和公认。于是时间在这里倒流，2011年是不是“上帝粒子年”，由今后的时间决定。我现在最头疼的问题是：已经准备的一瓶庆祝上帝粒子诞生的茅台，现在该不该喝？朋友们，给个意见吧！
20111212
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