“上帝粒子”與終極真理

| 文 ·崔人元

即使這回找到的真是“上帝粒子”，也不會(huì)像上帝一樣是全能的，“標(biāo)準(zhǔn)模型”只是人類認(rèn)識(shí)宇宙的偉大進(jìn)步，人類對(duì)宇宙的終極真理的認(rèn)識(shí)，還有很長(zhǎng)的路要走

黑格斯玻色子的示意圖

2012年7月，有5個(gè)周一、5個(gè)周二和5個(gè)周日，你沒有注意到吧？這種現(xiàn)象每823年才發(fā)生一次。7月16日，月亮、金星和木星在天空形成笑臉；7月25日，火土合月。天象大吉呀！你在7月可有喜了？

對(duì)于想弄清宇宙終極真理的科學(xué)界來說，喜報(bào)頻傳。7月3日和4日，美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和歐洲核研究組織相繼十分高調(diào)地宣布，發(fā)現(xiàn)了一種亞原子粒子，極可能是有“上帝粒子”之稱的“黑格斯玻色子（Higgs boson）”。

你在普遍奉行庸俗實(shí)用主義的當(dāng)下中國(guó)，盡可理直氣壯地問：黑格斯玻色子有什么用？答：除了支持物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）”理論，現(xiàn)實(shí)中尚無用——但無用之用，多是大用。此時(shí)此刻，正如彼時(shí)刻——1897年，湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子，其實(shí)在現(xiàn)實(shí)中也是無用之用，而電子已經(jīng)與今日人們的生活密不可分了。

發(fā)現(xiàn)“基本粒子”的歷程

我們所生存的這個(gè)宇宙，是大約137億年前從一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的“大爆炸”而“無中生有”地產(chǎn)生的。而宇宙萬(wàn)物是由數(shù)種相同的微小粒子構(gòu)成的，認(rèn)識(shí)這些粒子及其構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的機(jī)制，具有重要的科學(xué)意義。

黑格斯

科學(xué)家們?cè)瓉碚J(rèn)為原子是構(gòu)成物質(zhì)世界的最小粒子，而電子的發(fā)現(xiàn)打破了原子“不可分”的觀念，又打破了物質(zhì)結(jié)構(gòu)的“終極”觀念，科學(xué)家們面臨一個(gè)陌生的美麗新世界?？茖W(xué)家提出“基本粒子”概念，指構(gòu)成物質(zhì)的最基本、最小單位的粒子，開始以為是亞原子結(jié)構(gòu)，但后來認(rèn)識(shí)到“基本粒子”也有能再細(xì)分的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，即基本粒子的定義隨著人類的認(rèn)識(shí)而有所變化。質(zhì)子、中子的大小只有原子的1/100000，而輕子和夸克的大小還不到質(zhì)子、中子的1/10000，在現(xiàn)有最高倍的電子顯微鏡下也不能觀察到。

發(fā)現(xiàn)電子不久，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了放射性；上世紀(jì)20年代，利用放射性射線這把“刀”切割原子，發(fā)現(xiàn)其由原子核和電子構(gòu)成；上世紀(jì)30年代，用放射性射線轟擊原子核，又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子組成。約在同期，還發(fā)現(xiàn)原子核的弱衰變中一定伴有不帶電的中微子。上世紀(jì)40到60年代，用外層空間高能的宇宙射線和人造高能加速器，發(fā)現(xiàn)了多種亞原子結(jié)構(gòu)的粒子?？茖W(xué)家們把所認(rèn)識(shí)到的粒子分為輕子（lepton）和強(qiáng)子（hadron）兩類。

至今實(shí)驗(yàn)上還沒有發(fā)現(xiàn)輕子有任何結(jié)構(gòu)，所以常被認(rèn)為是最基本的粒子之一。除了電子e-，1953年，發(fā)現(xiàn)電子中微子 e；1962年，發(fā)現(xiàn)μ子μ-和μ子中微子 μ，且中微子有不同類型；1975年，發(fā)現(xiàn)了τ子τ-；2000年，發(fā)現(xiàn)τ子中微子 τ。即“標(biāo)準(zhǔn)模型”中的12種基本輕子都已在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了：3種帶一個(gè)單位負(fù)電荷的粒子e-、μ-、τ-及與之對(duì)應(yīng)的3種不帶電的中微子 e、 μ、 τ，加上這6種粒子各自的反粒子。

上世紀(jì)60年代，蓋爾曼和茨威格提出，強(qiáng)子是由更基本的粒子“夸克”（quark，此詞來自喬伊斯小說《為芬尼根守靈》中的詩(shī)句）組成的。夸克帶有分?jǐn)?shù)電荷，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。最初提出有3種（稱作“味”）夸克，分別是上夸克u、下夸克d和奇異夸克s。上世紀(jì)70年代，發(fā)現(xiàn)J/ψ和Υ粒子，又引入粲夸克c和底夸克b。1994年發(fā)現(xiàn)頂夸克t，許多人認(rèn)為這是最后一種夸克。這6味夸克也各有相應(yīng)的反夸克。強(qiáng)子包括重子（baryon）和介子（meson）；在夸克模型中，重子即是由3個(gè)夸克組成的復(fù)合粒子或3個(gè)反夸克組成反重子，介子是由1個(gè)夸克和1個(gè)反夸克組成的束縛態(tài)，這一對(duì)夸克和反夸克可以是不同味的。

夸克和輕子兩個(gè)家族可分為3代。第1代的粒子質(zhì)量最輕，而第3代的粒子最重?，F(xiàn)存的物質(zhì)主要是由第1代的基本粒子組成，而第2、3代粒子大多已衰變成為第1代粒子。輕子和夸克是科學(xué)家們迄今認(rèn)識(shí)的物質(zhì)最小單元的最前沿。

四種力及“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論

構(gòu)成物質(zhì)的微粒之所以能聚集到一起，是因?yàn)槲⒘Ｖg有相互作用力“拉聚”它們。牛頓首先發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力；科學(xué)家們后來又發(fā)現(xiàn)了電磁作用力，而放射性與電磁力和強(qiáng)作用力、弱作用力都有關(guān)。即物質(zhì)間已知的基本相互作用力有四種：萬(wàn)有引力、強(qiáng)作用力、弱作用力和電磁作用力。引力和電磁力，憑著肉眼的經(jīng)驗(yàn)也能察覺，即它們?cè)谌粘３叨壬线€有明顯不為0的強(qiáng)度。強(qiáng)作用和弱作用只在原子核的尺度內(nèi)，才有明顯不為0的強(qiáng)度，超出微小的距離則速趨于0；強(qiáng)作用的力度又比弱作用大得多。輕子是只參與弱相互作用、電磁力和引力作用，而不參與強(qiáng)相互作用的粒子；強(qiáng)子是所有受到強(qiáng)作用力影響的亞原子粒子。量子物理學(xué)認(rèn)為，粒子之間的基本相互作用是通過“交換”某種粒子來傳遞的，即基本相互作用力都是由媒介子（mediator）傳遞的。

由上可知宇宙間的基本粒子有：輕子、夸克和媒介子。量子物理學(xué)里，所有這些粒子都有標(biāo)定各自基本特性的四種量子屬性：質(zhì)量、能量、磁矩和自旋。按這些粒子在高密度或低溫度時(shí)量子屬性（主要是自旋）的不同，在量子物理學(xué)中又分成兩大類：一類是以費(fèi)米的名字命名的“費(fèi)米子（fermion）”，另一類是以玻色的名字命名的“玻色子（boson）”。費(fèi)米子的自旋為半整數(shù)，費(fèi)米子遵循費(fèi)米—狄拉克統(tǒng)計(jì)規(guī)律和泡利不相容原理，即沒有任何兩個(gè)費(fèi)米子能有同樣的量子態(tài)，即在同一時(shí)間同一地點(diǎn)不可能有特性（電荷、動(dòng)量和自旋朝向等）完全相同的費(fèi)米子，就像飛機(jī)上同一個(gè)座位不能同時(shí)坐著兩個(gè)孿生乘客。玻色子的自旋為0或整數(shù)，由玻色子或偶數(shù)個(gè)費(fèi)米子組成的復(fù)合粒子的自旋也是0或整數(shù)（即也是玻色子），玻色子遵從玻色—愛因斯坦統(tǒng)計(jì)規(guī)律，但不遵守泡利不相容原理，即一個(gè)量子態(tài)可以容納無窮多個(gè)玻色子，所以低溫時(shí)可出現(xiàn)玻色—愛因斯坦凝聚現(xiàn)象。在形成宇宙萬(wàn)物中，費(fèi)米子和玻色子的“用途”是：費(fèi)米子是構(gòu)成物質(zhì)的粒子，玻色子是傳遞作用力的粒子（又統(tǒng)稱為規(guī)范玻色子），或說費(fèi)米子通過玻色子的聯(lián)結(jié)作用，而形成了物質(zhì)世界。

楊振寧

美國(guó)科學(xué)家費(fèi)米

愛因斯坦的相對(duì)論解決了重力問題之后，理論物理學(xué)家開始嘗試建立統(tǒng)一的模型，以解釋通強(qiáng)作用、弱作用、電磁作用三種力相互作用的所有粒子?？茖W(xué)家們較早認(rèn)識(shí)到，電磁力和強(qiáng)作用力在相對(duì)論變換下都具有“矢量（軸矢量）”的性質(zhì)；1956年，李政道、楊振寧提出宇稱不守恒，開辟了認(rèn)識(shí)弱作用也有矢量（軸矢量）性的正確道路。強(qiáng)作用、弱作用、電磁作用三種作用力都有這種性質(zhì)，保證了它們可能成為與時(shí)空聯(lián)系起來的規(guī)范相互作用，這為后來建立標(biāo)準(zhǔn)模型起了重要的作用。而1954年，楊振寧和米爾斯提出“楊—米爾斯理論”，為現(xiàn)代規(guī)范場(chǎng)理論——非阿貝爾規(guī)范理論奠基。1962年，格拉肖在楊—米爾斯理論基礎(chǔ)上初步提出弱作用和電磁作用的統(tǒng)一模型。1964年，黑格斯機(jī)制（自發(fā)破缺機(jī)制）在理論上成功地解決了規(guī)范場(chǎng)量子的質(zhì)量問題。為溫伯格和薩拉姆的弱電統(tǒng)一模型的提供了重要的基礎(chǔ)理論。1968年，溫伯格和薩拉姆在黑格斯機(jī)制和格拉肖的基礎(chǔ)上完善了電弱統(tǒng)一理論，這是后來標(biāo)準(zhǔn)模型的重要基礎(chǔ)。1972年，特霍夫和威特曼證明具有自發(fā)破缺的規(guī)范場(chǎng)論是可重整的，可重整是后來建立標(biāo)準(zhǔn)模型的重要原則。1973年維爾切克、格羅斯和波利策提出一種關(guān)于夸克的漸近自由理論，解釋了質(zhì)子和中子的成分夸克為何從來都不會(huì)分離，這導(dǎo)致了量子色動(dòng)力學(xué)的誕生，量子色動(dòng)力學(xué)也是標(biāo)準(zhǔn)模型的重要基礎(chǔ)。

1975年，格拉肖等在前述科學(xué)探索的基礎(chǔ)上，把弱作用、電磁作用、強(qiáng)作用三種作用力統(tǒng)一起來建立了標(biāo)準(zhǔn)模型。由于引力的強(qiáng)度很弱，在構(gòu)成日常尺度物體時(shí)可完全忽略，所以，標(biāo)準(zhǔn)模型在四種基本相互作用力中只涉及強(qiáng)作用、弱作用和電磁作用三種力，讓這三種基本相互作用“原初性”地作用在夸克和輕子之間，其相互作用的形式都由具體的規(guī)范對(duì)稱性規(guī)定，其中的強(qiáng)作用、弱作用還能在各自的量子（規(guī)范場(chǎng)粒子）之間作用，因而能成功地把它們相對(duì)統(tǒng)一起來，用以解釋組成宇宙萬(wàn)物的最基本粒子及其間的交互作用力。標(biāo)準(zhǔn)模型所涉及的是極其微觀的物質(zhì)世界規(guī)律理論，在這個(gè)世界中，所有物質(zhì)單元都具有粒子及波動(dòng)二相性，且符合20世紀(jì)前期建立的量子力學(xué)和狹義相對(duì)論兩個(gè)理論體系中的量子化和相對(duì)論性規(guī)律。量子論和相對(duì)論的結(jié)合推動(dòng)了量子場(chǎng)論的建立，量子場(chǎng)論是粒子物理的主要理論工具，也是標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)理論。標(biāo)準(zhǔn)模型中，對(duì)應(yīng)萬(wàn)有引力、強(qiáng)作用力、弱作用力和電磁作用力的媒介子分別是：引力子（尚未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)引力子）g、介子或膠子（gloun）、玻色子（如W±、Z0）和光子γ。

黑格斯玻色子為什么是“上帝粒子”

有多位物理學(xué)家在探索標(biāo)準(zhǔn)模型理論的過程中獲得了諾貝爾獎(jiǎng)。但在建立標(biāo)準(zhǔn)模型的過程中，有一個(gè)“攔路虎”，不去除則后邊一切都免談——自從1666年蘋果砸中牛頓，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力之后，物理學(xué)家就在尋找什么是質(zhì)量？質(zhì)量從何而來？輕子、夸克及傳遞的弱作用規(guī)范粒子都是具有靜質(zhì)量的量子，但用一般方法“產(chǎn)生”質(zhì)量，規(guī)范場(chǎng)粒子的規(guī)范性質(zhì)，會(huì)破壞色荷、電荷或時(shí)空的對(duì)稱性（洛侖茲不變性）?；蛘哒f，統(tǒng)一描述電磁作用和弱作用的對(duì)稱性必須是自發(fā)破缺的，否則所有粒子都將沒有質(zhì)量。自發(fā)破缺就是某一個(gè)場(chǎng)在能量的最低態(tài)（即真空態(tài)）不具有這種對(duì)稱性。

1964年，英國(guó)物理學(xué)家黑格斯（今年83歲）提出，存在一個(gè)不帶色荷和電荷的標(biāo)量粒子場(chǎng)（稱黑格斯場(chǎng)），能夠在真空態(tài)具有非0的取值（即真空期望值）實(shí)現(xiàn)電弱對(duì)稱的自發(fā)破缺——電磁作用和弱作用在能量低于一定條件后將呈現(xiàn)為不同的相互作用；進(jìn)而預(yù)言存在黑格斯玻色子，黑格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在黑格斯玻色子構(gòu)成的場(chǎng)中，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。即是說，黑格斯場(chǎng)造成物理真空的對(duì)稱性破壞，而實(shí)現(xiàn)規(guī)范粒子質(zhì)量的“產(chǎn)生”。

印度科學(xué)家玻色

通俗地說，黑格斯提出，在宇宙大爆炸中，黑格斯玻色子使粒子得到質(zhì)量（萬(wàn)有引力則將質(zhì)量變成重量），使星辰得以誕生。如果沒有質(zhì)量，粒子只會(huì)以光速亂竄，無法結(jié)合起來成為物質(zhì)世界。黑格斯假定宇宙間存在一片波浪場(chǎng)，無數(shù)的黑格斯玻色子減慢了粒子的飛行，就像蜜糖粘住蒼蠅一樣，并使粒子獲得質(zhì)量。越容易碰撞黑格斯玻色子的粒子，越難以被加速。黑格斯粒子具有質(zhì)量，在宇宙創(chuàng)生之初完成使命之后即衰變了。黑格斯理論被視為了解宇宙的關(guān)鍵。

標(biāo)準(zhǔn)模型理論認(rèn)為的基本粒子可以分為輕子、夸克、規(guī)范玻色子和黑格斯玻色子四大類，所有的粒子在強(qiáng)作用、弱作用和電磁作用三種力的框架內(nèi)相互作用，統(tǒng)一在標(biāo)準(zhǔn)模型之下。這個(gè)理論看似完美和諧，其預(yù)言的62種基本粒子中，迄今已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)證實(shí)了61種，但第62種即黑格斯玻色子，雖然早幾年前就有消息說在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了，但至今還未最終確證其是否存在，這也成為標(biāo)準(zhǔn)模型的命門。

黑格斯堅(jiān)信有黑格斯玻色子存在，但當(dāng)別人提到“黑格斯玻色子”時(shí)，黑格斯總是誠(chéng)惶誠(chéng)恐，因?yàn)樗X得“不配用自己的名字”命名這種粒子；而且對(duì)“上帝粒子”的外號(hào)更加反感，因?yàn)楹诟袼箞?jiān)稱自己是無神論者。這個(gè)外號(hào)來自諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼在1993年的科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》，萊德曼后來說自己本來叫它“Goddamn particle（××粒子）”，但書商覺得三俗，改成了“God particle”。這本書中的結(jié)尾表達(dá)了物理學(xué)家們對(duì)找到“上帝粒子”的期望：“天空中出現(xiàn)了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調(diào)彌撒曲莊嚴(yán)、高潮的和弦配樂下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛獨(dú)奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地變成了上帝的臉，微笑著，但帶著極度甜蜜的悲傷表情?！?/p>

霍金打賭100美元，懷疑有黑格斯玻色子的存在，不過這次他很可能要輸了——他也不是頭一次在科學(xué)打賭中輸了?；艚鹪谄渲鳌洞笤O(shè)計(jì)》中說，宇宙創(chuàng)生之初，至少人格（或神格）化的上帝沒有起作用。而我從佛教的經(jīng)典看，如果實(shí)驗(yàn)證明存在黑格斯玻色子，也不過是又一次證明了佛陀關(guān)于宇宙創(chuàng)生的說法——佛教也是無神論的宗教。本文講科學(xué)，文字又長(zhǎng)又不輕松，此話題就按下不表也。

未來之路

不管黑格斯玻色子是否存在，標(biāo)準(zhǔn)模型都是物理學(xué)取得的最重大成就之一。

如果存在黑格斯玻色子，標(biāo)準(zhǔn)模型也只能解釋4%的宇宙，占宇宙質(zhì)量96%的暗物質(zhì)仍然沒有得到解釋（近來有科學(xué)家認(rèn)為，黑格斯玻色子可能有多種，黑格斯玻色子就是暗物質(zhì)）。而且，標(biāo)準(zhǔn)模型未包括引力，標(biāo)準(zhǔn)模型能否成為真正的統(tǒng)一理論，還有待于科學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展。有理論認(rèn)為標(biāo)準(zhǔn)模型的四類粒子之外可能存在質(zhì)量非常大的超粒子和尚未預(yù)言出的新粒子。如果存在黑格斯玻色子，標(biāo)準(zhǔn)模型內(nèi)還有一些問題也解釋不了：例如，根據(jù)量子原理，黑格斯玻色子應(yīng)該會(huì)表現(xiàn)出能量的不確定；標(biāo)準(zhǔn)模型“馴服”不了黑格斯玻色子。

人類要認(rèn)識(shí)宇宙終極真理，還有很多路要走?？茖W(xué)家們已在標(biāo)準(zhǔn)模型之后提出了不同的理論，進(jìn)行了不同的探索。馬克思說：“在科學(xué)上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦，沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達(dá)到光輝的頂點(diǎn)?！?/p>