——读巴戈特《希格斯》一书有感

几个月前和上海科技教育出版社的朋友聊天的时候，就知道他们正在组织翻译一本书，介绍“上帝粒子”——希格斯玻色子的发明与发现，希望能够在8月份的上海书展上亮相，并赌一把今年10月份将要颁布的诺贝尔物理奖。这次，出版社做得非常漂亮。在2013年诺贝尔物理奖成为人们热议的话题的时候，有好奇心的人们可以在第一时间深度阅读《希格斯：“上帝粒子”的发现与发明》一书，加深对希格斯玻色子的认识，满足自己的探究欲望。

本书的作者借助理论物理学家的发现和实验物理学家的创造发明这两条线索，回顾了人类对基本粒子的认识历程，展示了科学家们感人至深的探索精神。不过，虽然这是一本科普读物，但还是非常深奥的，即便高中知识水平的人要流畅地阅读这本书也会有不少困难。我虽然学的是物理专业，能够理解书中所讲的各种事件的价值和意义，但对其中介绍的相关理论也只能理解一些皮毛。下面试图用较为通俗的语言来介绍这一小粒子的大作用。

一、物质的基本成分

估计每一个人都会有这样的哲学思考：这个世界是由什么组成的？看似简单的问题考验着人们的智力，千百年来，人们对此给予了一个又一个的解答，每次都似乎已经找到了答案，但新的实验结果又将这一问题再次抛了回来。

在2500年前，无论是古希腊的哲学家还是中国的先哲，都已经对物质的组成有过探讨。古希腊哲学家认为世界万物是由土、气、火、水组成的，我国的先哲也提出世界的万物是由金、木、水、火、土组成的。特别是古希腊哲学家留基伯和他的学生德谟克利特提出的世界是由微小的、不可分割的而且不可毁灭的物质粒子（原子）构成的观点，对后世人类的影响还是巨大的。

德谟克利特所说的“原子”，与我们今天在化学或者物理课堂上所讲的原子并不是同一个概念。今天我们所说的原子的概念，最初是由英国化学家约翰·道尔顿于1803年提出的。他所发表的“原子说”，提出所有物质都是由原子构成的，原子是组成物质的基本成分。

但这样的论断没能坚持一个世纪。1897年，英国物理学家汤姆孙发现了电子，使人们意识到原子并不是组成物质的基本成分。进入20世纪之后，人们又发现原子有一个核，核外绝大部分是空的，电子绕核做高速的旋转。紧接着，就是质子和中子被发现，人们意识到原子核也是有结构的。

到20世纪30年代中期，人们发现将质子、中子和电子作为组成物质的基本成分，似乎是一个非常完美的结果。但有一件事情一直困扰着物理学家，那就是存在着一些具有放射性的元素，它可以自发地发生衰变，在衰变的过程中，有一些能量“失踪”了。也是在1930年的时候，泡利意识到这一“失踪”的能量，是被一个尚未观察到的、更小的不带电的粒子（现在知道它即“中微子”）带走了。到了1956年，中微子第一次在实验中被发现了。

1932年，科学家又有了新的发现。在观察宇宙高能射线与地球表面物质撞击所产生的物质中，人们发现了一种新粒子，它带电，但质量比电子要大约200倍，被质子要小10倍，这种新的粒子被称之为“μ介子”。1947年，另外一种新粒子“π介子”被发现。一时间，发现新粒子之门洞开。新的粒子层出不穷地被发现，以至于大物理学家费米也说：“假如我能记住这些粒子的名称，那么我就早成为植物学家了。”

这么多新的粒子陆续被发现，它们之间哪些是基本的，又存在怎样的关系？物理学家就像植物学家那样，努力在这杂乱无章中理出头绪，以便确定哪些是组成物质的基本成分。到了上世纪60年代的时候，物理学家基本建立起了这样一个标准模型：宇宙由62种不可再分的基本粒子构成，分为两大类：构成物质“实体”的费米子和传递基本相互作用的玻色子。基本粒子通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子，进而构成物质世界。

当时，还有几个基本粒子没有被发现，但已经通过这个标准模型理论做出了预言。根据这个预言，实验物理学家通过粒子加速器和对撞机等大型试验设备进行寻找，陆续找到了预言中的其他几个粒子，测量得到的结果和理论物理学家的语言完全吻合。只有一个粒子始终没有找到，那就是希格斯玻色子，也就是我们所说的“上帝粒子”。

二、质量的新概念

相信每个人对质量这个概念都不陌生。但你能给质量下一个确切的定义吗？

在物理学中，是这样定义质量的：物体中所含物质的多少叫质量。那么物质又是什么呢？在化学中又有这样的界定：物质的基本成分是元素，分子、原子、离子是构成物质最基本的微粒。

看了上述的定义，结合物理学家对组成物质的基本成分的标准模型的建立，我们立刻就会明白，宇宙这62中基本粒子，才是组成物质的基本成分。

物质世界是有质量的。实验结果也清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有质量的，但按照标准模型理论，组成宇宙的这些基本粒子是没有质量的。那么，物质的质量来自何处？

1964年，希格斯等六人提出了“希格斯机制”的概念，在理论上解决了这个问题。希格斯等人认为宇宙间遍布了一种看不见的能量场（现在称之为“希格斯场”），基本粒子在与希格斯场的相互作用下获得了质量，而形成希格斯场的就是一种基本粒子，被命名为希格斯粒子。

为什么基本粒子在与希格斯场发生相互作用时会获得能量呢？英国人曾创作过一幅漫画，风趣地做出了解释——假设基本粒子是撒切尔夫人，英国保守党党员是希格斯场，党员原本均匀分布在房间内等待首相，撒切尔夫人一入场就有人围上来交谈，她继续朝前走，前一拨谈话者散去后一拨谈话者又上前，她因此不断放慢脚步（质量大了，行动起来就不便了）——“基本粒子”便这样与“希格斯场”发生作用而获得了质量，获得了惯性。

可以再做一个比喻：基本粒子在希格斯场中运动，就像在糖浆中穿行，因受到阻力而变得凝滞，粒子由此获得质量。如果没有希格斯粒子，宇宙中的所有粒子都将以光速运动。在这么快的速度下运行，粒子将无法结合到一起，就不会产生原子、分子、DNA、蛋白质等，也不会有其他任何物质，宇宙将会是一片虚无。

几十年来，科学家一直在寻找这种神秘的粒子，花费了数十亿美元才终于发现了它的蛛丝马迹。而在2000年，斯蒂芬·霍金还和美国物理学家凯恩打赌，认为“上帝粒子”不可能存在，赌注100美元。

让霍金输了100美元赌约、也让希格斯本人足足等了48年的希格斯玻色子，之所以如此重要，是因为找到了它，就意味着标准模型理论的正确；找到了它，意味着希格斯场的存在，也意味着基本粒子的质量有了着落。

现在我们知道了，原子核中的质子和中子并非基本粒子，它们是由三个带分数电荷的夸克组成的。但夸克的质量是非常小的，仅占到质子或中子质量的1%。这些夸克之所以可以凝聚在一起，是因为另外一种粒子——胶子对他们的束缚，质子和中子99%的质量就来自胶子所携带的能量。

在标准模型中，我们现有的质量的概念已经不存在了，取而代之的是能量。即质量完全是由发生在基本量子场及其粒子之间相互作用的能量构成的。

三、探索发现的艰辛

汤姆孙发现电子，使人们意识到原子还是有结构的，它并非是组成物质的基本粒子。那它又是怎样组成的呢？为了搞清这个问题，物理学家们想到了当时已经发现的天然放射性元素所放出来的α、β射线，想到可以利用它作为炮弹，去轰击现有的物质，通过记录轰击之后射线路径的变化、生成物的特点，来判断原子的结构，以及原子内部的可能组成。原子的核式结构模型以及质子、中子等，就是依据这样的思路依次被发现的。

但天然放射性物质放出来的射线有几大缺点：第一是这样的物质提取困难，当年居里夫人为了获得一克的镭，就费了不少周折；第二是放射性辐射对身体的危害性大；第三是射线的能量比较小，轰击物质的原子所产生的效应有限，绝大多数的基本粒子用这种方式根本无法获得。

物理学家首先想到了从宇宙辐射到地球上的宇宙射线。地球上的每时每刻，都受到大量的宇宙射线的辐射，其中有相当的射线具有很高的能量。如果将观察的器材架设到高山之上进行观察，很有可能观察到它们在击中物质之后的生成物。从上世纪30年代开始到50年代，就有一批基本粒子是通过这样的方式得到的。

但这样的实验也有明显的缺点。首先是宇宙高能射线的随机性很强，并不是你想要就能得到的；其次是实验重复验证很不容易，观察得到的结果会让人产生怀疑；第三是大部分情况下是被动等待，不适合有目的地寻找特定的粒子。

物理学家发现，要改变这种状况，必须要建立大型的高能粒子源，可以根据需要来设定发射粒子能量的大小，通过主动控制的方式来有目的地寻找所需要的基本粒子。于是有了上世纪90年代的LEP对撞机，以及紧随其后的美国费米实验室的Tevatron对撞机，通过这些设备，人们获得了大多数基本粒子的信息，也模模糊糊地看到了希格斯的娇容，但又都与希格斯粒子擦肩而过。

美国希望在这个领域确立自己的话语权，开始建造超级超导对撞机SSC，里根、小布什两届政府都给予了大力的支持，但到了克林顿政府的时候，国际空间站项目上台，拮据的经费让SSC难以继续维持，在耗费了20亿美元之后停工了，已经挖好的地洞也被填平。

好在欧洲人坚持了下来，建造出的LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器，造价高达100亿美元，其目标之一就是要寻找希格斯粒子。从2009年开始运行开始，该装置展示出了自身强大的功能，不仅再现了其他基本粒子的特征，而且很快找寻到了希格斯粒子的踪迹。到2012年的7月4日，希格斯粒子最终被确认！

本书的翻译者邢志忠在他的博文中讲了这样一个故事：

2002年12月12日，美国防长拉姆斯菲尔德在国防部新闻吹风会上，在回答为什么找不到伊拉克的大规模杀伤性武器时，说了一段有趣而有哲理的话：

我们知道

有些事情属于已知的已知，

我们知道我们已经理解了它们。

我们也知道

有些事情属于已知的未知，

就是说，我们知道我们还不清楚它们的来龙去脉。

但是有些事情属于未知的未知，

我们根本就不知道

我们对它们一无所知。

今天再来看希格斯粒子，它属于那一类呢？

《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》  [英]吉姆·巴戈特/著  邢志忠/译  上海科技教育出版社  2013.8