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原子這個任性的傢伙，似乎想怎麼變就怎麼變。——D. H. 勞倫斯
大廳裡濟濟一堂，洋溢著歡樂的氣氛。這裡沒有觥籌交錯，沒有歌舞表演，也沒人準備在室外燃放煙花。人們聆聽臺上各位主角的發言，注視著大螢幕上奇怪的圖形、符號和數位，時不時爆發出一陣熱烈的掌聲。
或許會有人認為這是《駭客帝國》中的錫安，螢幕上流動的資料揭示著矩陣的奧秘，人們正向它的發現者、耄耋之年的墨菲斯致以崇高的敬意。但這裡其實是位於瑞士日內瓦的歐洲核子中心（CERN），時間是2012年7月4日，而滿頭白髮的老人名叫皮特•希格斯（Peter Higgs）。他不是尼布甲尼撒號的船長，而是英國愛丁堡大學的退休教授。
物理學家已經有很多年沒有像今天這樣興奮了，因為他們從資料中看到的是一種新發現的粒子——很可能就是大名鼎鼎的“上帝粒子”或希格斯玻色子。早在20世紀60年代，這種粒子的相關機制就已被希格斯和他的同行提出來，直到2012年7月4日，人們才確信在CERN的大型強子對撞機（LHC）上發現了它的蹤影。
這是一場48年的漫長等待。像很多做出重大發現的科學家一樣，希格斯本以為等待的時間會更長，“那時候我可能已經不在了”。
為什麼一個小小粒子讓這麼多才智不凡的人如此牽腸掛肚？若要說清其中緣由，我們也許得追溯到2600多年前的古希臘。
古希臘的火種
那是在西元前6世紀土耳其西海岸的城邦米利都，當時的人們已經掌握了測量土地、冶煉金屬、製造船舶等先進技術，同時又對變幻無常的天氣、波濤洶湧的大海和深不可測的星空迷惑不已。在迷信、神話和傳說的重重迷霧下，是米利都人點燃了第一隻理性的火把，照亮了前進的道路。他們認為，表面上紛亂如麻的現象背後，其實潛藏著一個簡單的秩序。米利都學派創始人泰勒斯提出，萬物的本原是水。西西里的恩培多克勒假設，萬物的本原是土、氣、火、水四種元素。色雷斯的德謨克利特的觀點則最接近現代科學的理解：萬物的本原是原子和虛空，原子不可分割，絕對的虛空是原子活動的場所。
在之後的歲月裡，複雜源於簡單的哲學與數學理論、實驗技術的發展共同促成了一個又一個重大發現。德謨克利特的原子論經過後人的補充和完善，逐漸成為一個血肉豐滿的科學理論。原子的地位如今已被基本粒子取代，原子論的升級版本叫做粒子物理的“標準模型”。
1897年，劍橋大學卡文迪許實驗室的湯姆遜（SirJoseph John Thomson）第一次發現了基本粒子：電子，並於1906年獲得了諾貝爾物理學獎。希格斯玻色子是標準模型中最後一個有待發現的基本粒子，它為電子等許多其它基本粒子賦予了品質。CERN的發言人羅爾夫•霍耶爾（Rolf-Dieter Heuer）說，希格斯玻色子的發現是理解自然之路上的一個里程碑。同時，愛丁堡大學在網站上宣佈，他們決定建造一所新的希格斯理論物理研究中心。
基本粒子的里程碑似乎與希格斯有著不解之緣。卡文迪許實驗室的創始人是英國理論物理學家詹姆斯•麥克斯韋（James Clerk Maxwell）。麥克斯韋1831年在愛丁堡出生，並在愛丁堡大學度過了4年學生生涯。麥克斯韋是“複雜源於簡單”思想的集大成者，他將導電的線圈、好玩的磁鐵和無處不在的光用同一組優美的數學方程聯繫起來。後來人們發現，這個方程的量子版本可以描述一種為電磁現象提供仲介的基本粒子：光子。而描述電子的數學方程則是1933年諾貝爾獎得主保羅•狄拉克（Paul Dirac）在1928年時提出的。一年之後，希格斯出生了。巧合的是，希格斯就讀的中學（CothamSchool）也是狄拉克的母校，當時的希格斯曾受到這位傑出校友的鼓舞。1997年，希格斯因自己的研究工作獲得了狄拉克獎。
理論家希格斯
希格斯是一位理論物理學家，他和實驗家的區別在於不用做實驗。當實驗家和數百人的團隊在巨大的實驗室裡因為一根電纜而忙得暈頭轉向時，幾個理論家卻可以坐在辦公室裡喝喝茶，聊聊天，發發呆，然後寫寫劃劃。1988年諾貝爾獎得主、實驗物理學家里昂•萊德曼（Leon Lederman）在《上帝粒子》一書中略帶嘲諷地說：“理論家面臨的唯一風險是當他們在查找計算錯誤時用鉛筆戳到自己的頭。”不過在理論家眼中，最大的風險不是自己提出了錯誤的假說，而是同行先自己一天提出正確的理論。
在美國物理學會的網站上，有一個慶祝學術期刊《物理評論快報》（PRL）誕生50周年的紀念頁面。1964年的欄目下並列出現了3篇論文。它們描述了類似的物理機制，是由6位理論家在先後四個月的時間裡分別寄出的。希格斯的寄出時間排在第二，但他的完成時間較早，因此獲得了首創權。2010年，這6位發現者共同獲得了美國物理學會頒發的“J.J.櫻井理論粒子物理學獎”，他們之中還有恩格勒特（Francois Englert）、布勞特（Robert Brout）、古拉爾尼克（Gerald Guralnik）、海根（C. R. Hagen）和基博爾（Tom Kibble）。
不過希格斯本人十分低調，面對媒體時他不願直呼那個粒子的學名，而是稱之為“以本人命名的玻色子”。論文發表數年以後，希格斯在一次學術會議上見到了其它幾位發現者。他表示當時心裡略有不安，因為覺得他們受到了不公正的對待。歷史雖然無情，但希格斯稱與其他發現者現在的關係很好。只可惜，布勞特已於2011年去世。
就差臨門一腳
相似的理論之所以會在同一時期出現，是因為當時的條件已經成熟，就差臨門一腳。現實世界的運行規律和《駭客帝國》中的矩陣程式不無共通之處。儘管矩陣中有日月星辰、高樓大廈和紅衣女郎，但所有現象都可以歸結為一串串由1和0表示的二進位資料，以及資料之間相互影響、發展變化的規則。
到20世紀中葉，科學家將當時已知的現實世界也還原成了幾十種基本粒子，以及粒子之間4種基本的相互作用：引力、電磁力、弱力和強力。於是，基本粒子也就分為兩大類，一類是電子、中微子、誇克等等，它們是構成世界的基本成分。而光子、規範玻色子和膠子在其中為引力之外的3種相互作用提供仲介。
但是，理論和實際的聯繫出了問題。1954年，理論家楊振寧和羅伯特•米爾斯（Robert Mills）對麥克斯韋方程進行了推廣，提出了楊-米爾斯方程。這套方程彰顯了理論界的一套普適價值，叫做“規範對稱性”，人們相信這套價值會讓理論的數學形式變得簡潔。然而，普世價值的簡單推廣卻產生了令人尷尬的後果，楊-米爾斯方程描述的基本粒子都沒有品質，如果讓這樣的粒子為相互作用提供仲介，普世價值就會要求狄拉克方程描述的電子、誇克都沒有品質。這就與實驗現象產生了嚴重對立。
60年代初，理論家南部陽一郎（YoichiroNambu）討論了超導理論中的“規範對稱性”和一種對稱性破缺機制。這種機制是說如果初始條件保持對稱，結果中的對稱性也可以被破壞，就像啤酒瓶裡落下的一顆石子，可以停在瓶底圓形凹槽的任何一個方向上。另一位理論家戈德斯通（Jeffrey Goldstone）將這個結果推廣到了更一般的量子理論中。
1962年底，凝聚態理論家菲力浦•安德森（PhilipAnderson）用對稱性破缺的方法為一種非相對論系統中的准粒子賦予了品質，論文於1963年4月在《物理評論》發表。在文章的末尾，安德森暗示類似的方法可以用在相對論性的基本粒子理論中。
希格斯機制
於是，希格斯等人吸取了前人的智慧，在1964年時提出一種新的量子場，叫做希格斯場。理論家認為場是一種比粒子更加簡單的概念，不同數量的粒子可以看作同一個場的不同激發態，粒子可以產生和湮滅，場卻永遠存在。如果希格斯場與那些需要品質的粒子保持密切聯繫，對稱性破缺機制就會在保持規範對稱性的同時，讓相應的粒子帶上品質，而另一些粒子則不受影響。英國物理學家大衛•米勒（David Miller）把這套理論比作充滿記者的房間。首相一到場就會被圍攏起來，導致行動遲緩，因此獲得了品質。而無名小輩進入房間則不受阻礙，仍然保持無品質狀態。這就是著名的希格斯機制。
希格斯機制提出以後，擺在理論家面前的難題就迎刃而解了。理論家從此獲得了一系列諾貝爾獎級別的研究成果。1979年的諾貝爾獎授予了阿布杜斯•薩拉姆（Abdus Slam）、謝爾敦•格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂芬•溫伯格（StevenWeinberg）。借助希格斯機制，他們取得了麥克斯韋式的成功，將看似不同的電磁力和弱力統一地描述成了一種電弱力。起初，對稱性沒有破缺，宇宙中只有幾種希格斯場激發的粒子和無品質的規範粒子。後來，由於希格斯場的對稱性發生破缺，這幾種粒子經過兼併和重組之後，就形成了幾種新的粒子：有品質的規範玻色子、有品質的希格斯玻色子和無品質的光子。
霍金賭輸了，還有誰
相比之下，實驗家面臨的境況更加複雜。1897年實驗家探測電子時，實驗裝置大都可以擺在桌面上，費用也不會太高。而僅僅過了100多年，CERN在1998-2008年間建造的LHC的周長就已達到27千米，預算更是高達75億歐元（中國科研經費對此亦有貢獻）。這是因為量子物理存在一個基本原理：探測的事物越細微，需要的能量就越高。於是，相應的加速器就得造得越大。
因此在最近的半個多世紀中，理論常常走在實驗的前面。理論家幾分鐘就能在黑板上完成的演算，實驗家往往需要等待許多年。先是等各種技術條件逐漸成熟，然後遊說政府和財團，期待他們慷慨解囊，實驗裝置逐步建設完成之後，再進行驗收、調試和小規模試驗，最後才能進入檢驗理論的大規模實驗環節。與此同時，像希格斯這樣的理論家也在等待實驗的最後一刻。如果老師講授希格斯機制時發現，下面有幾個研究生因為聽不懂而昏昏欲睡，就會開一個善意玩笑說：“LHC若發現了希格斯玻色子，希格斯就會獲得諾貝爾獎。為了獲獎，80多歲的希格斯老爺子每天都在鍛煉身體!”
CERN宣佈實驗結果之後，包括賭輸100美元的史蒂芬•霍金（Stephen Hawking）在內，許多的理論家都認為希格斯會獲得今年的諾貝爾物理學獎，不排除其他幾位健在的發現者也會獲獎。同樣研究理論物理學，霍金的專長是宇宙學，以及廣義相對論和量子理論的交叉領域。在此之前霍金曾經跟其它理論家打過4個賭 ，涉及內容都是自己的研究領域，結果全部賭輸。
不過，這一次霍金並不是唯一打賭的人。2009年，德國物理愛好者亞歷山大•溫茨克（Alexander Unzicker）也下了100美元的賭注。他認為希格斯玻色子不存在，並為此建立了“打賭希格斯”（bet on the higgs）網站。2011年，愛爾蘭一家博彩公司也開設了賭局，還為各種情況設置了賠率：如果在2012年發現希格斯玻色子，賠率是4:1；2013年是5:1；如果希格斯玻色子的品質低於130GeV，賠率是6:1。幸運的是，他們都賭輸了，某些人可能賠慘了。
專業人士並不認為希格斯玻色子的實驗探測已經畫上了圓滿的句號。相反，這只能算作一個不錯的開篇。希格斯機制和標準模型無法預言這種粒子的品質大小，而是預言它衰變成各種不同產物的比例。LHC只探測了其中2種產物的比例，其它產物由於產量太少，暫時還不能確定。因此，專業的說法相當保守。果殼網將CERN的結論作了形象的比喻：“有個東西，看起來像大象，聽起來像大象，摸起來也像大象，但我就是不知道它是不是大象。”
老對手的失落
這樣的結果令大西洋彼岸的美國科學家內心五味雜陳。因為從1980年代中期起，費米實驗室的Tevatron加速器就在試圖尋找希格斯粒子，結果一無所獲。2011年10月，由於預算不足，這台加速器被迫關閉。更令人遺憾的是，美國科學家本打算從1990年代初開始建造一個周長87千米的超導超大型加速器（SSC），結果在1993年同樣是預算原因而被迫放棄，只留下一條24千米長的隧道。“這本該是個在美國做出、並且已經做出的發現”，美國理論家溫伯格說，“美國國會選擇了放棄，沒有為拓展基本知識的邊界而做出努力，我們感到很遺憾。”
就在CERN召開發佈會的前兩天，已關閉的Tevatron加速器的科學家突然宣稱，根據他們的最新分析，Tevatron之前的資料中也包含了希格斯玻色子存在的證據。而且，這些證據所分析的是另外的衰變產物，由於能量原因，Tevatron對這些產物的探測比LHC更加靈敏。這自然有橫刀奪愛之嫌。1977年諾貝爾物理學獎得主、普林斯頓大學的菲力浦•安德森對此進行了嚴厲批評：“在這樣的時刻宣佈這個結果，費米實驗室的做法是不公道的。”
有趣的是，CERN選在7月4日這天召開發佈會也可能另有隱情。1984年的7月4日，CERN也曾做出了一項聲明，宣稱發現了標準模型預言的頂誇克，品質在40GeV左右。但是後來他們又發現自己的分析存在錯誤，包括費米實驗室在內的後續實驗逐步否定了這個結果，並最終把頂誇克的品質定在了173GeV。
還有很多餘地
希格斯玻色子的發現是科學奧德賽旅程中的又一個里程碑。但理論家和實驗家的工作還遠遠沒有結束。2004年諾貝爾物理學獎得主、麻省理工學院的弗蘭克•維爾切克（Frank Wilczek）說 ：“到目前為止，所有結果都與最簡單最經濟的標準模型版本相符，沒有任何奇特事物的跡象。但事情還有很多餘地，還有未知的領域有待探索。”
“滿足於希格斯玻色子的發現，並不能為如何超越標準模型尋找線索。”溫伯格的看法則更加悲觀 ：“如果這是今後幾十年中唯一的發現，前途就會非常暗淡。”
“複雜源於簡單”的理想遠沒有成為現實。標準模型需要20個輸入參數，在理論家看來還不夠簡潔。強力和電弱力還沒有納入更簡單的統一框架，更不用說困擾人們多年的萬有引力。已知的基本粒子和相互作用只能描述已知宇宙4%的物質，而剩下96%的物質是不可言狀的暗物質和暗能量。
我們的宇宙已經存在了137億年，希格斯玻色子讓我們等待了48年。還有多少謎團尚未發現？現實世界的終極奧秘究竟是什麼？多久之後才能揭開謎底？沒有答案。既然我們無法預測未來，不妨學習玩笑中的希格斯老爺子：每天鍛煉身體，等待下一個發現的來臨。 | 
發表於 2012-12-30 13:26:50
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