走近諾貝爾獎（五）揭示質(zhì)量來源之謎

楊先碧

眾所周知，我們自己和周圍的物質(zhì)都是真實存在的，它們都具有質(zhì)量。然而，這個我們所熟知的現(xiàn)象以前卻一度困擾著科學家們，因為科學家們在很長一段時間內(nèi)都不知道物質(zhì)為何具有質(zhì)量。這個謎底終于在1964年被比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒、英國理論物理學家彼得·希格斯等人揭開了。他們認為，有一種玻色子賦予了其他基本粒子以慣性，從而讓物質(zhì)具有了質(zhì)量。然而，為了驗證他們的這一猜想，則整整花了將近50年的時間。直到近幾年，物理學家才通過尖端科學儀器找到了希格斯玻色子。希格斯等人也因此在提出猜想將近50年后，獲得了一個“遲到”的大獎——“2013年諾貝爾物理學獎”。

質(zhì)量從何而來

物質(zhì)具有質(zhì)量似乎是天經(jīng)地義的事情，但是，至于物質(zhì)為何會具有質(zhì)量，則是一個十分重大的科學問題。直到進入20世紀以后，科學家才發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)是由原子組成的，而原子則是由一些更基本的粒子組成。在粒子物理學里，標準模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。標準模型中的粒子可分為三大類共62種，分別是12種輕子、36種夸克和14種玻色子。

在希格斯玻色子沒有提出之前，物理學的標準模型中只有61種基本粒子，科學家不知道這些基本粒子為何會讓物質(zhì)具有質(zhì)量，盡管許多基本粒子的質(zhì)量已經(jīng)被測量出來了。更讓人困惑的事情是由楊振寧引發(fā)的。1954年，當時的旅美物理學家楊振寧與同事米爾斯一起，提出了楊-米爾斯理論。按照這個理論，標準模型中的矢量玻色子是沒有質(zhì)量的。然而，根據(jù)當時的一些實驗結(jié)果進行推算，矢量玻色子卻是有質(zhì)量的。

在理論和實驗產(chǎn)生矛盾的情況下，如果實驗結(jié)果沒有誤差的話，那么肯定是理論存在一定的問題，也就是還不夠完善。也正是如此，楊-米爾斯理論提出后，在很長時間內(nèi)，一直沒有得到物理學界的重視。直到10年后希格斯等人發(fā)現(xiàn)了可以讓矢量玻色子產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子，這個理論才得以重視。在20世紀60年代初，不少理論物理學家研究弱力、強力和電磁力統(tǒng)一理論的時候，也遇到了類似楊振寧的困境。按照當時的物理理論，傳遞作用力的粒子只能是沒有質(zhì)量的粒子，這也意味著被傳遞的作用力是長程力（長程力是指作用強度隨距離的增加而減少。如靜電力、萬有引力等）。按照我們的常識，光波似乎符合這樣的結(jié)論，因為我們感受不到光子的質(zhì)量，盡管光子也是有質(zhì)量的。然而，按照這些理論，電子、質(zhì)子也都沒有質(zhì)量，這就導致了這種說法：所有物質(zhì)都是沒有質(zhì)量的。

誰發(fā)現(xiàn)物質(zhì)有了質(zhì)量

按照理論物理學家的研究，我們似乎生活在一個沒有質(zhì)量的虛幻空間中，但事實上，我們生活的世界明明是具有質(zhì)量的。那么，為什么那些理論物理學家卻讓世界失去了質(zhì)量呢？ 對于20世紀50年代的物理學家來說，楊振寧等人的物理理論是無懈可擊的。那么，問題究竟出在哪里呢？許多科學家開始研究這個問題。因此，從某種意義上來說，楊振寧等人促成了希格斯等人獲得2013年諾貝爾科學獎。當然，希格斯等人也令楊振寧等人的理論獲得了重視。

1964年，恩格勒和布魯特發(fā)表論文稱，是一種特殊的場使基本粒子產(chǎn)生慣性而擁有了質(zhì)量。他們進一步預言，產(chǎn)生這種場的粒子是一種玻色子。當年，希格斯也發(fā)表了類似的論文來闡述物質(zhì)獲得質(zhì)量的機制。按照當時的發(fā)表順序，恩格勒和布魯特在1964年8月發(fā)表了相關(guān)論文，而希格斯在1964年9月發(fā)表了相關(guān)論文?？墒牵谶@之前，人們只知道希格斯，如果不是今年諾貝爾獎的公布，公眾可能很難知曉恩格勒的名字，更不用說布魯特了。

那么，為何希格斯獲得了新粒子的命名且名揚天下，而恩格勒和布魯特卻一直寂寂無名呢？按照科學界的規(guī)則，新發(fā)現(xiàn)的命名如果不是多人聯(lián)名，那就按照最先發(fā)現(xiàn)者的名字給予命名。但是，這個發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)了一點意外。原來，在理論物理學界頗有影響的美國物理學家史蒂文·溫伯格在一篇論文中引用錯了兩組科學家發(fā)表論文的順序，這就導致其他研究人員誤以為希格斯是最早的提出者。因此，讓物質(zhì)擁有質(zhì)量的“玻色子”最終以“希格斯”的名字命名。

“希格斯玻色子”產(chǎn)生的場（也被命名為“希格斯場”）就像電場、磁場、引力場那樣可以對其他物質(zhì)產(chǎn)生作用。按照希格斯等人的理論，“希格斯玻色子”在宇宙中廣泛存在，是所有物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在“希格斯場”中游弋并產(chǎn)生慣性，進而形成質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界。

1988年，諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼曾經(jīng)以“上帝粒子”來稱呼“希格斯玻色子”，因為在西方的一些宗教理論中，上帝創(chuàng)造了萬物。而“希格斯粒子”賦予了萬物以質(zhì)量，它就像上帝一樣偉大。如果宇宙中的“希格斯粒子”突然消失，整個宇宙將分崩離析，成為難以聚積起來的“一盤散沙”。對于“希格斯玻色子”的名字，據(jù)說希格斯本人表示謙遜，自認不配。他堅稱自己是無神論者，更是反對“上帝粒子”的叫法?，F(xiàn)在，“希格斯粒子”已成為整個粒子物理學界研究的中心，萊德曼則更形象地將其稱為“指揮著宇宙交響曲的粒子”。

實驗驗證希格斯玻色子的存在

在“希格斯粒子”相關(guān)理論的傳播過程中，恩格勒被埋沒了，比恩格勒更“冤”的是布魯特。他已經(jīng)于2011年5月去世。他不僅未能見證希格斯玻色子獲得實驗證實，也未能領(lǐng)取諾貝爾獎，因為諾貝爾獎不授予過世的科學家。這不能不說是一種遺憾?；蛟S有人會問，“希格斯玻色子”早在1964年就由3位科學家提出來了，為何諾貝爾評獎委員會要在將近50年后才頒獎呢？以后豈不是活得更長的科學家才能獲得諾貝爾科學獎？

這倒不怪諾貝爾評獎委員會。因為諾貝爾評獎委員會有一個不成文的慣例，科學獎如果要頒發(fā)給理論科學家，只能頒發(fā)給那些獲得實驗驗證的科學理論。比如，愛因斯坦是舉世公認的偉大的理論物理學家，他因相對論而名揚天下，然而，他獲得1921年諾貝爾物理學獎不是因為他提出了“相對論”，而是因為他發(fā)現(xiàn)了光電效應。后者顯然沒有前者重要，但是卻是實驗可以驗證的。又比如，霍金是舉世公認的重要的理論物理學家，但是學界都知道他不可能獲得諾貝爾獎，因為他的理論超前得快接近“科幻”了，很難被現(xiàn)在的技術(shù)手段所驗證。

我們把話題再拉回到希格斯玻色子。希格斯玻色子是一種自旋為0的玻色子。所謂玻色子，就是一些自旋為0或正整數(shù)的粒子，比如光子、中子、質(zhì)子、電子等。當粒子（比如希格斯玻色子）自旋為0時，它圍繞粒子中心無論怎么自旋，都可以和原來的粒子重合。也就是說，希格斯玻色子從各個角度看都是一樣的，這個特性也導致了要探測和捕獲它都是一件十分困難的事情。

然而，科學家沒有放棄捕獲希格斯粒子的努力。就在布魯特逝世的2011年，歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機（LHC），已經(jīng)對捕獲希格斯粒子進行了不少實驗。2012年初，研究人員根據(jù)實驗數(shù)據(jù)推算希格斯粒子的質(zhì)量。2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種獨特的亞原子粒子，它很可能就是希格斯粒子。當時希格斯在接受采訪時說，那“真是難以置信”的結(jié)果，因為希格斯本人深知希格斯粒子個性獨特，很難把它們捕捉到。

不過，其他物理學家卻比希格斯有信心多了，大家一致認為這次是真的。逢賭必輸?shù)幕艚鹪?jīng)和人打賭，歐洲核子研究中心找不到希格斯粒子。賭注是100美元。在2012年7月，盡管歐洲核子研究中心還沒有最終確認，但是霍金已經(jīng)通過閱讀相關(guān)論文認為希格斯粒子已經(jīng)找到了，他為此付出了100元“賭資”。當時霍金還預言，希格斯很快就可獲得諾貝爾物理學獎了。（這次霍金賭贏了）

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞，先前探測到的新粒子的確是希格斯玻色子。正是這最終的確認，讓希格斯和恩格勒等人將近50年前的理論研究獲得了實驗的證實，他們獲得諾貝爾獎也算是眾望所歸。甚至有媒體和研究人員此前放出“狠話”：要是2013年的諾貝爾物理學獎不頒給希格斯，那就將是一大丑聞。

2013年諾貝爾物理學獎獲獎者簡介

弗朗索瓦·恩格勒，比利時理論物理學家，1932年出生，1959年，恩格勒從布魯塞爾自由大學畢業(yè)并獲得博士學位。他在粒子物理學方面做出重要貢獻。曾多年擔任布魯塞爾自由大學教授。

彼得·希格斯，英國物理學家，1929年出生，以“希格斯機制”與“希格斯粒子”而聞名于世。1960年到1996年期間曾任愛丁堡大學教授。