“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)者：彼得?希格斯

劉創(chuàng)

2024年4月8日，英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯（Peter Higgs）于家中安靜離世，享年九十五歲。作為一位理論物理學(xué)家，他最大的學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)是成功預(yù)測了希格斯玻色子即“上帝粒子”的存在，他也因此廣為人知。2012年，歐洲核子研究組織的科學(xué)家使用大型強(qiáng)子對撞機(jī)終于發(fā)現(xiàn)了它。次年，希格斯獲得諾貝爾物理學(xué)獎，成為世界上成果完成后最短時間獲諾獎的人。

1929年5月29日，彼得·希格斯出生在英格蘭泰恩河畔的紐卡斯?fàn)?，他和家人與其他原住民一樣被習(xí)慣性稱為“高地人”。他的父親是BBC（英國廣播公司）的音效工程師，有著穩(wěn)定而豐厚的薪水，這讓希格斯的童年充滿了家庭的溫暖，并且得到了良好的教育。

來自北大西洋和墨西哥灣的暖流讓這個城市濕潤宜人，但希格斯很小的時候就得了嚴(yán)重的氣喘病，不得不經(jīng)常帶著藥片和氣霧劑上學(xué)。而這些東西又時常被同學(xué)們搶走當(dāng)作課間的玩具，這成為他童年的陰影。

幸好后來父親工作調(diào)動，全家在第二次世界大戰(zhàn)期間搬離泰恩河畔的紐卡斯?fàn)?，他也因此沒有繼續(xù)在學(xué)校接受教育。希格斯的父親后來居住在貝德福德，希格斯與母親則留在布里斯托爾。希格斯就讀于布里斯托爾著名的科瑟姆文法學(xué)校，著名物理學(xué)家保羅·狄拉克曾早他三十年在此學(xué)習(xí)。希格斯曾經(jīng)在學(xué)校的榮譽(yù)板上看到過保羅·狄拉克的名字，出于好奇，他很想了解這位物理學(xué)家做出過什么貢獻(xiàn)。于是，希格斯對物理產(chǎn)生了興趣。

十七歲時，希格斯來到倫敦上學(xué)，直到多年以后在倫敦國王學(xué)院獲得物理學(xué)位。畢業(yè)后的他拒絕回家鄉(xiāng)紐卡斯?fàn)枺驗(yàn)閭惗氐臍夂蛑魏昧怂臍獯?，而且還讓他不必面對同學(xué)霸凌的痛苦回憶。他留在了愛丁堡大學(xué)任研究員，并在此任教長達(dá)十六年之久。

“我覺得當(dāng)時他們根本就沒看懂”

就是在愛丁堡大學(xué)任教期間，希格斯對“質(zhì)量”產(chǎn)生了深厚的興趣并有了自成體系的獨(dú)到見解。在長期的摸索中，他發(fā)現(xiàn)了后來被他冠名希格斯場（Higgs Field）的粒子場并提出一個理論：

億年之前的那場宇宙大爆炸剛剛發(fā)生的瞬間，所有物質(zhì)的粒子都是不具有質(zhì)量的，但是就在爆炸發(fā)生的千分之一秒后，所有的物質(zhì)都具有了質(zhì)量，這就是“場效應(yīng)”，而這個場，就是“希格斯場”，因這個場的存在，必然也存在構(gòu)成場的粒子，即希格斯玻色子。

希格斯為自己的這一理論成果雀躍不已，并著手寫了一篇論文。之后，他把這篇論文寄給了當(dāng)時極具權(quán)威的《物理快報》，卻被編輯以不宜發(fā)表為由拒絕了。在對自己的論文略做修改后，希格斯把它投給了《物理快報》的對手雜志《物理評論快報》。本來他并沒抱什么希望，但《物理評論快報》很快就將論文一字未改地刊登出來，從此，希格斯有關(guān)玻色子的設(shè)想開始公布于世。

顯然，希格斯對被《物理快報》的退稿一直耿耿于懷。在后來的多次演講中，他都提到這件事，并恨恨地稱：“我覺得當(dāng)時他們根本就沒看懂！”畢竟一個新事物被公眾認(rèn)可是需要時間的，“沒看懂”的不只是《物理快報》，甚至當(dāng)這種“理論上存在”的粒子漸漸被學(xué)界認(rèn)可后，當(dāng)時的英國科學(xué)部部長還是不得不以舉辦競賽的形式，試圖通過最通俗的“人話”去解釋該理論的核心內(nèi)容。

1993年，競賽開始了。為了能淺顯地說清幾乎所有粒子學(xué)家都在盡力尋找的希格斯粒子到底是什么，英國科學(xué)大臣威廉·瓦德格雷夫個人出資（獎品是一瓶他本人珍藏多年的香檳酒），向全社會征集對希格斯粒子的“小學(xué)生理解能力”的解釋。最終，倫敦大學(xué)的粒子物理學(xué)家大衛(wèi)·米勒贏得了這瓶香檳。

米勒是這樣描述的：一個雞尾酒會上，大家都在自由地交談，此時的所有人就是分布在空間中的希格斯場。這時一個酒童進(jìn)入了酒會，沒有人會注意一個酒童，于是他可以自由地在酒會上到處行走并隨意改變行動軌跡。而這名酒童在酒會上的運(yùn)動就是一個無質(zhì)量的粒子。但假如一位名人（比如愛因斯坦）來到酒會，就勢必會引起轟動，酒會上的所有人都會立即注意到他并圍攏過來，于是受到干擾的他就只能緩慢地移動，并且很難自主改變方向。此時愛因斯坦就是一個有質(zhì)量的粒子。理解了這一點(diǎn)后，可以再假設(shè)一個場景：愛因斯坦并沒有進(jìn)入酒會現(xiàn)場，而是在門口和某人簡單交談了一會兒就走開了。那么，這個與之交談的人返回酒會后就會把這個消息講給其他人聽，而聽到消息的人總有一個會把這條消息繼續(xù)傳播下去。如此一來，雖然每個人聽到這個消息并傳播給他人之后就又回到了自由交談的狀態(tài)，但是這條消息會持續(xù)地傳播下去，這些人在傳播消息的時候，就是一個希格斯粒子，而那些傳播這個消息的人，本不相識，卻因這條消息的傳播而微妙地形成了一個團(tuán)體，這就是希格斯場。

這是一個對電磁相互作用非常成功的描述，希格斯粒子終于得以深入人心，雖然沒有人親眼所見，卻被無數(shù)個“傳播消息”的物理學(xué)家從理論上證實(shí)，人們只差最后一個與之見面的機(jī)會罷了，業(yè)內(nèi)人稱，“與‘上帝粒子的相見，只差一個酒會”。從此，希格斯粒子和希格斯機(jī)制，如同楊-米爾斯方程和夸克模型一樣，成為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的第三塊基石。

曾贏霍金一百美元

2012年7月4日對量子物理界來說是堪稱偉大的一天。這一天，困擾整個物理學(xué)界的“上帝粒子”（又稱希格斯玻色子）被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。歐洲核子研究組織將這個極度恐懼社交的男人推到前臺，跟所有的科學(xué)家一樣，希格斯對閃光燈和記者的提問有一種天然的恐懼感，在整個發(fā)布會中，他都像個因?yàn)闆]有完成作業(yè)而被罰站的小學(xué)生一樣，面對記者的提問，顯得局促而慌張，采訪對答也顯得干癟生澀。當(dāng)記者問：“您是否覺得您提出的理論像一個科幻小說的某一章？”他答：“你要覺得是，就繼續(xù)這么覺得吧?！庇浾咴賳枺骸斑@項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的意義是什么？是否能推動世界的發(fā)展？”希格斯搓著手指靦腆地低下頭，干脆地答道：“我不知道。”記者很明顯是想緩和一下他的緊張和尷尬，于是請他“露一下頭，我想明天的頭版頭條上就用這樣一個標(biāo)題——‘上帝粒子露頭了”。然后，希格斯居然真的退回到采訪臺后面的海藍(lán)色幕布后，從幕布中間只探出頭來……

我們知道，世間萬物都是由分子和原子構(gòu)成的，原子又由原子核以及繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，而原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，質(zhì)子和中子由夸克和膠子構(gòu)成，因此夸克、膠子和電子被稱為構(gòu)成物質(zhì)的最基本粒子。但是希格斯卻認(rèn)為，宇宙遍布著一種特別的、能夠與某些基本粒子相互作用的量子場，這種相互作用的一個必然副產(chǎn)品就是此外更深層次的粒子結(jié)構(gòu)一直未被發(fā)現(xiàn)，而這種未被證明的粒子被他稱作希格斯粒子，并宣稱這是物質(zhì)“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論中最后一種未被發(fā)現(xiàn)的基本粒子，這套“全由他一時興起憑空造出來的物質(zhì)本源理論”則被稱作“Higgs機(jī)制”（希格斯機(jī)制）。

幾乎所有的科學(xué)家都認(rèn)為這種基本粒子源于希格斯的狂想，因?yàn)榘催@套理論推演下去的結(jié)果，希格斯粒子應(yīng)該完全沒有質(zhì)量，而這在自然界是不可想象的，因?yàn)榛玖Ｗ佑辛速|(zhì)量才產(chǎn)生引力和磁場，才會有元素、生命、恒星、行星、星系以及整個宇宙。最重要的一點(diǎn)是，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一直未能在實(shí)驗(yàn)上捕捉到它。但是希格斯做到了。從單純的物理學(xué)角度上來說，希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)，是解決物理學(xué)最根本的關(guān)于“質(zhì)量起源”謎團(tuán)的關(guān)鍵。

在希格斯粒子尚未經(jīng)實(shí)驗(yàn)獲得之前，一切關(guān)于“希格斯玻色子是物質(zhì)質(zhì)量之源”的討論都只是一種假說。斯蒂芬·霍金認(rèn)為宇宙的出現(xiàn)來源于黑洞輻射，而彼得·希格斯的宇宙則源于“上帝粒子”假說，這是當(dāng)時世界上影響最大的兩種宇宙出現(xiàn)的理論，而讓霍金不能容忍的恰恰就在這里，希格斯居然“擅自動用了‘上帝這個名詞”；同樣地，霍金主張的黑洞，人的肉眼也看不到。

坐在輪椅上通過電子儀器說話的霍金與本是無神論者卻被強(qiáng)迫使用“上帝粒子”來命名自己的科學(xué)成果的希格斯，不僅個性不同，兩人在學(xué)術(shù)體系和研究方向上也算得上是死對頭。霍金幾乎在所有的公開場合宣稱“首先要證明上帝，再來想辦法證明上帝粒子”，是少數(shù)懷疑希格斯玻色子是否存在的科學(xué)家之一。他聲稱，自己是個眼見為實(shí)的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，而希格斯只是一個以符號推演和僅靠奇思妙想支撐學(xué)術(shù)架構(gòu)的“幻想物理學(xué)家”。對此，希格斯則反唇相譏：“如此說來，愛因斯坦也是幻想物理學(xué)家嘍？”

霍金甚至開玩笑地說，如果歐洲核子研究組織大力支持用巨資興建的粒子對撞機(jī)幫助希格斯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，最終卻竹籃打水沒能發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”的話，“這會是個好消息，是個至少令我本人興奮異常的事件”；而希格斯則認(rèn)為霍金的研究方法“從根兒上就錯了，是歪路上的歪理邪說”。

于是，一場以一百美元為賭注的賭局開始了——

霍金在一次會議上公開與美國密歇根大學(xué)的凱恩教授打賭，愿意以一百美元為賭注，猜歐洲核子研究組織的對撞機(jī)“撞不出任何東西”，“希格斯玻色子根本就不存在”。而希格斯則對此次對撞試驗(yàn)信心滿滿，多次宣稱“霍金輸定了，我將拿到那一百美元的鈔票，并希望霍金的身體條件允許，能在那張鈔票上簽上自己的名字”。這一對賭，被當(dāng)時的物理學(xué)界戲稱為“百元美鈔之戰(zhàn)”。

在這場關(guān)于一百美元的“豪賭”現(xiàn)場，對撞機(jī)停下之后，歐洲核子研究組織欣然宣布發(fā)現(xiàn)了與希格斯玻色子特性幾乎完全一致的新粒子。希格斯本人當(dāng)天在日內(nèi)瓦出席了該項(xiàng)試驗(yàn)的研討會。研討會結(jié)束之前，他喜形于色地對身邊的人說，自己已經(jīng)打算回家好好慶祝一番：“我剛給家里打了電話，要家人在冰箱中放一些香檳?！毕８袼寡a(bǔ)充說：“今天的試驗(yàn)結(jié)果證明，我不只是個幻想物理學(xué)家，試驗(yàn)的進(jìn)行和結(jié)果讓我震驚和喜悅……我沒想到自己能在有生之年看到這一切的發(fā)生。”

霍金則大度地對此結(jié)果表示祝賀，并說這是希格斯的勝利，也是自己的勝利，因?yàn)椤拔液拖８袼挂粯樱际怯?，這是英國整個民族的勝利”。他在接受英國廣播公司的記者采訪時，面對鏡頭笑得很是欣慰：“聽說希格斯的父親就在這家傳媒公司任職一生，當(dāng)然了，除開這一點(diǎn)，今天的試驗(yàn)是一個重要的發(fā)現(xiàn)，應(yīng)該能帶給彼得·希格斯一個諾貝爾獎。”

在大度地承認(rèn)世界應(yīng)給希格斯一個諾貝爾獎的同時，霍金也不失風(fēng)度地說到了自己的小遺憾：“我曾固執(zhí)地認(rèn)為希格斯玻色子不會被找到，看來我剛剛輸給他一百美元。”

就是這樣一個喜歡獨(dú)處的固執(zhí)而又不喜社交的老頭，在一場關(guān)于“上帝粒子”是不是存在的賭博中贏了世界上最偉大的科學(xué)家霍金一百美元，這個“等待四十八年的玻色子終于被證實(shí)”之后又“光速般獲得諾貝爾獎”，填補(bǔ)了粒子物理學(xué)界的空白，甚至顛覆了整個物理世界的認(rèn)知體系。

希格斯因而成為世界上成果完成后最短時間獲諾獎的人，頒獎理由是：他首先在理論上發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的機(jī)制，而又用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了這種粒子的存在。希格斯玻色子是希格斯場的一種基本粒子，它不帶電荷、色荷，極不穩(wěn)定，生成后會立刻衰變。該粒子被證實(shí)，對揭開物質(zhì)質(zhì)量起源之謎有極為重大的意義。

“因?yàn)槲以缫蚜?xí)慣孤獨(dú)”

雖然這次對撞試驗(yàn)成功了，但希格斯顯然并不開心。一夜之間，他從一個備受打擊的“幻想物理學(xué)家”變成了諾貝爾獎得主，成了萬眾矚目的偶像和“最杰出的科學(xué)家”，他幾乎蒙了。更大的困擾是這些紛至沓來的榮耀把一向深居簡出的希格斯推到幕前，連出門買個菜都被記者們蜂擁著，這讓他極其不適——他是個不愛社交的人，以至于當(dāng)他得知自己拿到了諾貝爾獎之后，立即讓家人在愛丁堡鄉(xiāng)下買了個小農(nóng)房，并在一個深夜，悄悄地舉家搬遷。

“這樣就沒人會打擾到我了?！币?，在此之前，他在愛丁堡的家里沒有電視、電腦，雖然裝了電話，但他幾乎不用，實(shí)在迫不得已時，他也是安排秘書接聽。除了定期去學(xué)校上課，他手邊能獲取外界信息的渠道只是幾份報紙和十余種物理學(xué)雜志。他的秘書說，他是那種一頭扎進(jìn)數(shù)字堆里就可以不眠不食的學(xué)術(shù)狂人，哪怕是在街上見到陌生路人都會臉紅害羞，為了逃避記者的圍追堵截，他甚至不穿皮鞋只穿系鞋帶的運(yùn)動鞋，“這樣在落荒而逃時就不會跑丟了我的鞋?！系哿Ｗ拥陌l(fā)現(xiàn)毀了我的生活，因?yàn)槲以缫蚜?xí)慣孤獨(dú)”。

事實(shí)也是如此，希格斯一生從不追求時尚的東西，一件馬甲可以穿十幾年，他過得枯燥乏味，甚至了無生氣，還在上學(xué)的時候，同學(xué)們送給他的外號就是“老頑固”，而倔強(qiáng)的他之所以選擇同時代的人都拒絕選擇的物理學(xué)，也是因?yàn)椤皠e人都認(rèn)為這種研究毫無前途可言。那么好吧，就它了，我本來就是個沒有前途的人”。而與女孩子交往更是想都別想，他的初中校友，同樣身為物理學(xué)家的邁克爾·菲希爾回憶說，希格斯唯一的愛好就是在假期去世界各地旅游，當(dāng)年他們一道旅游的時候，每到一地，他都想辦法給希格斯介紹“各種口味的女朋友，甚至包括自己的親戚，但是希格斯顯然對此雖然興趣很大但手段低劣，因?yàn)樗淮我矝]有成功過”。

2024年4月8日，這個孤單的老人離開了這個世界，沒有留下任何遺言。但他的貢獻(xiàn)就像他所預(yù)言的希格斯玻色子，已經(jīng)成為照亮科學(xué)殿堂的一顆永恒明星，熠熠生輝。