以本人命名的玻色子——希格斯主题变奏曲

大厅里挤满了人，充满了欢乐。没有歌舞，也没有人会在外面放烟花。人们在舞台上听着主要演员的演讲，看着大屏幕上奇怪的数字、符号和数字。不时爆发出一阵热烈的掌声。

有些人可能认为这是《黑客帝国》中的锡安。屏幕上流动的数据揭示了矩阵的奥秘。人们对它的发现者，80多岁的墨菲斯给予了高度的尊重。但这实际上是2012年7月4日在瑞士日内瓦的欧洲核中心。这位白发老人名叫彼得·希格斯。他不是尼布甲尼撒号的船长，而是爱丁堡大学的退休教授。

物理学家已经很多年没有像今天这样兴奋了，因为他们从数据中看到的是一个新发现的粒子——可能是著名的“上帝粒子”或希格斯玻色子。早在20世纪60年代，希格斯和他的同事就提出了这种粒子的机制。直到2012年7月4日，人们才确信它是在欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机(LHC)上发现的。

这是48年的漫长等待。像许多有重大发现的科学家一样，希格斯认为等待的时间会更长，“那时我可能还不在这里。”

为什么一个小粒子会让这么多有才华的人如此关注？为了解释为什么，我们可能要追溯到2600多年前的古希腊。

古希腊的火种于公元前6世纪在土耳其西海岸的城邦米利都点燃。那时，人们已经掌握了先进的技术，如测量土地、冶炼金属和造船。与此同时，他们被多变的天气、波涛汹涌的大海和深不可测的星空所迷惑。在迷信、神话和传说的迷雾中，是米利都点燃了第一个理性火炬，照亮了前进的道路。他们认为在看似混乱的现象背后隐藏着一个简单的秩序。米利都学派的创始人泰勒斯指出，万物的起源是水。西西里的恩培多克勒假设所有事物的起源都是地球、空气、火和水。色雷斯的德谟克利特的观点最接近现代科学的理解:万物的起源是原子和虚空，原子是不可分割的，绝对的虚空是原子运动的地方。

在接下来的几年里，复杂性起源于简单哲学、数学理论和实验技术的发展，它们促成了一个又一个重要的发现。德谟克里特斯的原子理论经过后世的补充和完善，已逐渐成为一种有血有肉的科学理论。原子状态现在已经被基本粒子所取代，原子主义的升级版被称为粒子物理的“标准模型”。

1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的约瑟夫·约翰·汤姆森爵士首次发现了基本粒子:电子，并于1906年获得诺贝尔物理学奖。希格斯玻色子是标准模型中发现的最后一个基本粒子。它赋予许多其他基本粒子质量，如电子。欧洲粒子物理研究所发言人罗尔夫-迪特·豪雅说，希格斯玻色子的发现是理解自然的一个里程碑。与此同时，爱丁堡大学在其网站上宣布，他们已经决定建立一个新的希格斯理论物理中心。

基本粒子的里程碑似乎与希格斯密切相关。卡文迪什实验室的创始人是英国理论物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦1831年出生于爱丁堡，在爱丁堡大学学习了四年。麦克斯韦是“复杂性来自简单”这一思想的大师。他将导电线圈、有趣的磁铁和无处不在的光与一套美丽的数学方程联系起来。后来，人们发现这个方程的量子版本可以描述一种调节电磁现象的基本粒子:光子。描述电子的数学方程是由1933年诺贝尔奖获得者保罗·狄拉克在1928年提出的。一年后，希格斯诞生了。巧合的是，希格斯就读的高中也是狄拉克的母校，希格斯受到这位杰出校友的鼓励。1997年，希格斯因其研究工作获得了狄拉克奖。

理论家希格斯是理论物理学家。他和实验者的区别在于他不需要做实验。当实验者和数百人的团队被一个巨大实验室的电缆淹没时，几个理论家可以坐在办公室里喝茶、聊天、发呆，然后写作和画画。1988年诺贝尔奖得主、实验物理学家利昂·莱德曼在他的著作《上帝的粒子》中略带讽刺地说:“理论家面临的唯一风险是在寻找计算错误时用铅笔戳他们的脑袋。”然而，在理论家眼中，最大的风险不是他们提出了错误的假设，而是他们的同行有一天会首先提出正确的理论。

在美国物理学会的网站上，有一个庆祝学术期刊《物理评论快报》(PRL)诞生50周年的纪念页面。1964年，三篇论文同时出现在专栏下面。他们描述了相似的物理机制，这是由六个理论家在四个月内发出的。希格斯在邮寄时间上名列第二，但他完成得更早，所以他获得了主动权。2010年，六位发现者共同获得了美国物理学会颁发的“理论粒子物理学樱井奖”。其中有恩格尔特、布劳特、古尔拉尼克、哈根和汤姆·基布尔。

然而，希格斯自己非常低调。面对媒体，他不想直接称呼粒子的学名。相反，他称它为以自己名字命名的玻色子。论文发表几年后，希格斯在一次学术会议上遇到了其他几位发现者。他说他当时感到有点不安，因为他觉得他们受到了不公平的待遇。尽管历史是无情的，但希格斯说他与其他发现者有着良好的关系。不幸的是，布劳特在2011年去世了。

相似理论同时产生的原因是当时的条件已经成熟，离临门只有一英尺。现实世界的操作规则与矩阵中的矩阵程序有一些共同之处。尽管矩阵中有太阳、月亮、星星、高层建筑和红色的女人，但所有现象都可以归因于一系列由1和0表示的二元数据，以及数据之间相互影响、发展和变化的规律。

到20世纪中叶，科学家已经将当时已知的真实世界简化为几十个基本粒子和粒子之间的四种基本相互作用:重力、电磁力、弱力和强力。因此，基本粒子也分为两类，一类是电子、中微子、夸克等，它们是世界的基本组成部分。除了重力之外，光子、规范玻色子和胶子还调节三种相互作用。

然而，理论和实践之间的联系存在问题。1954年，理论家和推广了麦克斯韦方程，提出了杨-米尔斯方程。这组方程显示了理论圈中的一组普遍值，称为“规范对称”。人们相信这组价值观会使理论的数学形式简洁。然而，简单地宣传普世价值已经产生了令人尴尬的后果。杨-米尔斯方程描述的基本粒子没有质量。如果允许这样的粒子来调节相互作用，普适值将要求狄拉克方程描述的电子和夸克没有质量。这与实验现象严重对立。

20世纪60年代初，理论家南部阳一郎(南部阳一郎)讨论了超导理论中的“规范对称性”和对称性破缺机制。这种机制意味着，如果初始条件保持对称，结果的对称性也会被打破，就像一块从啤酒瓶上落下的石头，它可以停在瓶底圆形凹槽的任何一个方向。另一位理论家杰弗里·柊司将这一结果推广到更一般的量子理论。

1962年底，凝聚态物质理论家菲利普·安德森利用对称性破缺的方法，给非相对论系统中的准粒子赋予质量。这篇论文发表在1963年4月的《物理评论》上。在文章的最后，安德森建议在相对论基本粒子理论中可以使用类似的方法。

结果，希格斯和其他人吸取了他们前辈的智慧，在1964年提出了一个新的量子场，称为希格斯场。理论家认为场是一个比粒子更简单的概念。不同数量的粒子可以被视为同一个场的不同激发态。粒子可以产生和消灭，但场永远存在。如果希格斯场与那些需要质量的粒子保持密切接触，对称性破缺机制将保持正常的对称性，同时保持相应的粒子具有质量，而其他粒子不受影响。英国物理学家大卫·米勒将这一理论比作一屋子记者。首相一出现，他就被包围了，这导致了缓慢的运动，因此也导致了质量问题。然而，陌生人进入房间是不受阻碍的，并保持在一个没有质量的状态。这就是著名的希格斯机制。

希格斯机制提出后，理论家们面临的难题得到了解决。此后，理论家们获得了一系列诺贝尔级的研究成果。1979年的诺贝尔奖被授予了阿卜杜勒、谢尔登·格拉肖和史蒂芬·温伯格。借助希格斯机制，他们获得了麦克斯韦的成功，把看似不同的电磁力和弱力描述为一种弱力。起初，对称性没有被打破。宇宙中只有少数希格斯场激发粒子和无质量规范粒子。后来，由于希格斯场的对称性被打破，这些粒子合并并重组成几个新粒子:有质量的规范玻色子、有质量的希格斯玻色子和没有质量的光子。

霍金输掉了赌注，但还有谁面临着更复杂的局面。1897年，当实验者探测到电子时，大多数实验设备都可以放在桌面上，成本不会太高。然而，仅仅100多年后，欧洲核子研究中心在1998年至2008年间建造的LHC周长为27公里，预算为75亿欧元(中国的科研基金也为此做出了贡献)。这是因为量子物理学有一个基本原理:探测到的东西越精细，所需的能量就越高。因此，相应的加速器必须建得更大。

因此，在过去的半个世纪左右，理论常常领先于实验。理论家可以在几分钟内完成黑板上的计算，而实验者通常要等很多年。首先，等待各种技术条件逐渐成熟，然后游说*和财团，期望他们慷慨解囊。实验装置逐步建成后，进行验收、调试和小试。最后，我们可以进入测试理论的大规模实验环节。同时，像希格斯这样的理论家也在等待实验的最后一刻。如果老师发现几个研究生因为不懂希格斯机制而昏昏欲睡，他会开玩笑说:“如果LHC发现了希格斯玻色子，希格斯将获得诺贝尔奖。为了获奖，80岁的希格斯每天都在锻炼！”

欧洲粒子物理研究所宣布实验结果后，许多理论家，包括损失100美元的斯蒂芬·霍金，相信希格斯将赢得今年的诺贝尔物理学奖，不排除其他几个幸存的发现者。他还学习理论物理。霍金专攻宇宙学以及广义相对论和量子理论的交叉。在此之前，霍金与其他理论家打了四次赌，都涉及到他自己的研究领域，但都输了。

[·霍金谈赌博输了]

然而，霍金并不是这次唯一下注的人。2009年，德国物理爱好者亚历山大·温齐克也下了100美元的赌注。他认为希格斯玻色子不存在，于是建立了“希格斯打赌”网站。2011年，一家爱尔兰赌博公司也开了一个赌博游戏，并为各种情况设定了赔率:如果希格斯玻色子在2012年被发现，赔率是4:1；2013年是5: 1。如果希格斯玻色子的质量低于130GeV，几率是6:1。幸运的是，他们都输了，有些人可能输得很惨。

专业人士不相信希格斯玻色子已经被成功探索。相反，这只能被视为一个良好的开端。希格斯机制和标准模型不能预测这种粒子的质量大小，但是它衰变成各种产物的比率。LHC只检测到其中两种产品的比例，而其他产品由于产量低仍不确定。因此，专业声明相当保守。壳牌网比喻性地比较了欧洲核子研究中心的结论:“有些东西看起来像大象，听起来像大象，摸起来像大象，但我不知道它是不是大象。”

失去一个老对手让大西洋彼岸的美国科学家百感交集。因为自20世纪80年代中期以来，费米实验室的Tevatron加速器一直试图找到希格斯粒子，但什么也没找到。2011年10月，由于预算不足，加速器*关闭。更令人遗憾的是，从20世纪90年代开始，美国科学家最初计划建造一个周长为87公里的超导超大型加速器。因此，他们在1993年出于同样的预算原因*放弃，只留下一条24公里长的隧道。美国理论家温伯格说:“这应该是美国已经做出的一项发现。”。“我们感到遗憾的是，美国国会选择放弃，没有努力扩大基础知识的范围。”

就在欧洲粒子物理研究所举行新闻发布会的前两天，在关闭的特瓦特隆加速器的科学家突然声称，根据他们的最新分析，特瓦特隆先前的数据也包含希格斯玻色子存在的证据。此外，这些证据分析了其他衰变产物，由于能量的原因，特瓦龙比LHC对这些产物的检测更敏感。这自然有用横刀抢劫爱情的嫌疑。1977年诺贝尔物理学奖得主、普林斯顿大学的菲利普·安德森对此进行了严厉批评:“费米实验室的方法在这个时候宣布这个结果是不公平的。”

有趣的是，欧洲核子研究中心选择在7月4日举行新闻发布会也可能有其他含义。1984年7月4日，欧洲粒子物理研究所也发表声明，声称已经发现了标准模型预测的质量约为40GeV的*夸克。但是后来他们发现他们的分析是错误的。包括费米实验室在内的后续实验逐渐否定了这一结果，并最终将顶部夸克质量设定为173GeV。

还有很大的空间。希格斯玻色子的发现是科学探索的又一个里程碑。但是理论家和实验家的工作还远远没有结束。2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院的弗兰克·维尔泽克说:“到目前为止，所有的结果都与标准模型最简单、最经济的版本相一致，没有任何奇怪的迹象。然而，仍有很大的探索空间，仍有未知领域有待探索。”

“对希格斯玻色子的发现感到满意，我们无法找到如何超越标准模型的线索。”温伯格的观点更加悲观:“如果这是未来几十年的唯一发现，未来将非常暗淡。”

“复杂性源于简单”的理想远未成为现实。标准模型需要20个输入参数，这对于理论家来说不够简洁。强弱力量尚未被纳入一个更简单的统一框架，更不用说困扰人们多年的万有引力了。已知的基本粒子和相互作用只能描述已知宇宙中4%的物质，而剩下的96%是无法形容的暗物质和暗能量。

我们的宇宙已经存在了137亿年，希格斯玻色子让我们等了48年。有多少秘密尚未被发现？真实世界的终极奥秘是什么？解开这个谜需要多长时间？没有答案。既然我们不能预测未来，我们不妨从老希格斯的笑话中学习:每天锻炼，等待下一个发现。