8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將今年物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯和比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒，以表彰他們對(duì)希格斯玻色子(又稱(chēng)“上帝粒子”)所做的預(yù)測(cè)。

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2012年7月4日歐洲核子研究中心稱(chēng)發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”

如果把物質(zhì)分割得越來(lái)越小，會(huì)發(fā)生什么？

最終，你會(huì)得到構(gòu)成物質(zhì)的分子或者原子。但這些東西還能進(jìn)一步分解成電子和原子核。而原子核又可以繼續(xù)被分割成構(gòu)成它們的質(zhì)子和中子。它們的內(nèi)部則是夸克。

到了這一步，你就已經(jīng)抵達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)模型（我們當(dāng)前的粒子物理學(xué)理論）之中，我們視為是基本的那一層面。不管你一開(kāi)始分割的是什么物質(zhì)，到了這個(gè)地步，你都會(huì)得到一大堆夸克和一大堆電子之類(lèi)的粒子。

夸克事實(shí)上還可以分成6種：構(gòu)成質(zhì)子和中子的是較輕的上夸克和下夸克，另外還有較重的奇夸克、粲夸克、底夸克和頂夸克。電子則屬于另外6種粒子構(gòu)成的另一個(gè)家族，即輕子：包括電子的兩種質(zhì)量更重的“表親”——μ子和τ子，以及與它們一一對(duì)應(yīng)的3種幾乎沒(méi)有質(zhì)量的中微子。所有這12種物質(zhì)粒子，被統(tǒng)稱(chēng)為“費(fèi)米子”，都各自擁有一種與它們完全相同、只是電荷相反的反物質(zhì)粒子。就是這樣了。物質(zhì)不可能再分割到比這些基本粒子更小了。

如此簡(jiǎn)潔的基本粒子組合，與實(shí)驗(yàn)事實(shí)完美吻合，但其中隱藏著一個(gè)令人費(fèi)解的難題。所有這些物質(zhì)粒子都有一個(gè)屬性，被稱(chēng)為“質(zhì)量”——這是一種抗拒被移來(lái)移去的屬性。不同粒子的質(zhì)量各不相同，從質(zhì)量最輕的電子中微子到質(zhì)量最重的頂夸克，跨越超過(guò)11個(gè)數(shù)量級(jí)之多。這些質(zhì)量來(lái)自何方，為什么又如此千差萬(wàn)別呢？

破缺的對(duì)稱(chēng)

在標(biāo)準(zhǔn)模型之中，構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子通過(guò)作用力發(fā)生相互作用，而作用力是由另一大類(lèi)被稱(chēng)為“玻色子”的粒子傳遞的。以電磁力為例，是它使得原子能夠形成，驅(qū)動(dòng)電流在我們的電器中奔騰，而傳遞電磁力的玻色子則是光子。光子與物質(zhì)的相互作用取決于電荷的多寡：電子（攜帶1個(gè)負(fù)電荷）感受到的電磁力，就要強(qiáng)于夸克（攜帶- 或者+ 個(gè)電荷）。不帶電荷的中微子，根本感受不到電磁力。

夸克還擁有各自的“色荷”，被稱(chēng)為膠子的粒子依據(jù)色荷產(chǎn)生強(qiáng)核力。這種力要比電磁力強(qiáng)得多，但奇怪的是，膠子本身也攜帶色荷，因而會(huì)彼此粘黏在一起。于是，我們從未見(jiàn)到過(guò)夸克和膠子以游離態(tài)的形式自由自在地漫游，只能在質(zhì)子和中子之類(lèi)的粒子內(nèi)部才能看到它們——強(qiáng)核力的作用范圍也不會(huì)超出亞原子尺度的范疇。

至于標(biāo)準(zhǔn)模型中的第三種作用力，弱核力的強(qiáng)度相當(dāng)弱，但如果沒(méi)有它，驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)和其他恒星的放射性衰變就不會(huì)發(fā)生。這種力之所以微弱，大約是因?yàn)閿y帶這種力的粒子——W玻色子和Z玻色子——質(zhì)量幾乎是質(zhì)子的100倍。創(chuàng)造出這樣的粒子需要大量能量。在通常條件下，如果可以的話，物質(zhì)粒子更愿意交換沒(méi)有質(zhì)量的光子來(lái)發(fā)生相互作用。

在極高的能量下，比如在宇宙誕生的最初一瞬間，或者粒子加速器的對(duì)撞當(dāng)中，這些差異就消失了。電磁力和弱核力，在日常生活中相差如此之巨的兩種作用力，變成了統(tǒng)一的“弱電力”。

弱電力分裂成電磁力和弱核力的過(guò)程，被稱(chēng)為弱電對(duì)稱(chēng)破缺，必定發(fā)生在宇宙早期的某一時(shí)刻。不管是什么導(dǎo)致了這一過(guò)程的發(fā)生，它與質(zhì)量之謎都有著明顯的關(guān)聯(lián)。畢竟，通過(guò)這一機(jī)制，W玻色子和Z玻色子獲得了質(zhì)量。希格斯玻色子最初就是提出來(lái)解釋這個(gè)對(duì)稱(chēng)為什么會(huì)破缺的。

概念的誕生

對(duì)稱(chēng)破缺并不僅限于奇異的作用力。日常生活中我們都會(huì)遇到一個(gè)例子，那就是液體冷卻后變成固體。對(duì)于液體來(lái)說(shuō)，從所有方向上看過(guò)去，它都是一樣的。而對(duì)于固體來(lái)說(shuō)，沿著不同的軸向看過(guò)去，它的樣子會(huì)有明顯的區(qū)別。在這個(gè)過(guò)程中，前面這種廣義上的對(duì)稱(chēng)狀態(tài)被后面這種不太對(duì)稱(chēng)的狀態(tài)取代了。

上世紀(jì)60年代，粒子理論學(xué)家開(kāi)始研究，能不能發(fā)展出一些工具來(lái)描述這種對(duì)稱(chēng)破缺，以便應(yīng)用于不斷冷卻的宇宙。這絕非易事。固體或液體之中分子的相互作用，可以通過(guò)一套固定的參照坐標(biāo)系來(lái)定義，然而由于愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論，在宇宙之中你找不到這樣一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的參照系。

1964年，比利時(shí)理論學(xué)家羅伯特·布繞特（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒（Fran ois Englert）提出了量子場(chǎng)方程，這種場(chǎng)能夠彌漫于整個(gè)宇宙，在符合相對(duì)論的前提下產(chǎn)生弱電對(duì)稱(chēng)破缺。英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）提出了同樣的方程，并且指出這個(gè)場(chǎng)中的漣漪會(huì)表現(xiàn)為一種新的粒子。同年稍晚些時(shí)候，杰拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾·哈庚（Carl Hagen）和湯姆·基博爾（Tom Kibble）將這些概念整合成了一種更為現(xiàn)實(shí)的理論——這就是標(biāo)準(zhǔn)模型的前身。

后來(lái)被稱(chēng)為希格斯場(chǎng)的這個(gè)東西，它的中心思想就在于：即使處于最低能的狀態(tài)，空間也絕非空無(wú)一物。在空間中穿行的粒子或多或少會(huì)與這個(gè)場(chǎng)發(fā)生作用，這種作用使粒子在運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生了一種“粘黏”的特性，也就是質(zhì)量。W玻色子和Z玻色子通過(guò)與這個(gè)場(chǎng)的某種相互作用獲得了它們的質(zhì)量，費(fèi)米子則通過(guò)另外一種相互作用獲得了質(zhì)量。由于希格斯場(chǎng)不攜帶凈的電荷或者色荷，光子和膠子根本不與它發(fā)生作用，因此仍然沒(méi)有質(zhì)量。