希格斯机制

Lisa Randall　丽莎·兰道尔

哈佛大学物理学家，著有《弯曲的旅行》《叩响天堂之门》《暗物质与恐龙》。

从长远来看，科学中的美妙与优雅，在于其主观性的缺失。因此回答“什么是你最为心仪的深邃、美妙而优雅的理论”这个问题，可能会让科学家感到厌烦。因为在问题当中，客观性的字眼只有“什么”、“是”，以及在一个理想的科学世界当中的“理论”。美雅共存的确是科学当中的一个评判标准，但却不是真理的仲裁者。然而我必须承认，简单性，这个通常与优雅相混淆的特性，确实能够成为一把将理论力量最大化的利器。

关于本书Edge年度问题，我想到一个理论，即我视为上佳，但又相对简单，甚至可能在一年之内就能被证实的解答的希格斯机制。它以发展这一机制的物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）命名。希格斯机制可能和基本粒子的质量有关，比如说电子。如果电子的质量为零（如光子），电子将不会局限在原子中，那样的话，我们的宇宙结构也就不会出现。

不管怎么样，实验检测到了基本粒子的质量，而且它们不会消失，我们知道了它们的存在。问题在于，这些质量违反了我们目前所知的、粒子在物理描述中应该具有的对称性结构。更具体地来说，如果基本粒子从一开始就具有质量，该理论对极高能粒子的预测就相当荒谬，比如说，它将预测基本粒子之间存在相互作用的概率大于1。

于是，难题出现了。粒子怎么能又具有物理特性的质量，在低能量时被度量到，又在高能量时仿佛没有质量地运动呢？这让预测变得毫无意义。这就是希格斯机制想要告诉我们的一切。我们不确定这是否是基本粒子质量的起源，但现在，没有人可以找到一个可以被替代的满意的解释。

理解希格斯机制的一种方法是，利用所谓的“自发对称性破坏”，我想说这是一个相当漂亮的好主意。一个自我破坏的对称是指，在自然的实际状态中被破坏，而非被物理定律破坏。打个比方，当你坐在一张餐桌边，你用了放在你右边的玻璃杯，其他人也会照做。饭桌是对称的，你右边有玻璃杯，左边也有。然而每个人都自然地选择了右边的玻璃杯，从而自发性地破坏了原本存在的对称性。

大自然也有相似的情况发生。用来描述希格斯场的物理定律，遵守着自然的对称性，然而希格斯场的实际状态打破了对称性。在低能量时，希格斯场具有特定的数值，这个非零的希格斯场有点类似于散布在真空中的电荷（没有实际粒子的宇宙状态），粒子通过和这些“电荷”作用产生质量。因为希格斯场的特定数值只出现在低能量状态下，粒子只有在此时才具有质量。于是，基本粒子在质量上遇到的矛盾就能得以解决了。

请牢记，虽然我们还不清楚希格斯机制正确与否，但粒子物理的标准模型⁽¹³⁾运作得极为出色。我们并不一定要知道希格斯机制，才能知道粒子具有质量，才能让许多预测通过标准模型获得成功。但是，要解释这些质量如何在一个合理的理论中得以生成，希格斯机制不可或缺。标准模型的成功，说明“有效论”这个概念对所有物理学而言都是另一种美秒的思想。思想并不复杂，你可以在做预测时聚焦在可度量的数量上，至于这些数量的起源，我们可以留待在将来的研究中解决，或许那时你会有更良好的精准度。

幸运的是，对希格斯机制而言，那个“将来”已经来临，或至少在最简单的实施情况下，这个情况涉及一种称为希格斯玻色子的粒子。位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心（CERN）建造的大型强子对撞机应该在一年内就会有一个明确的结果，确认该粒子是否存在。如果得到证实，这将证明希格斯机制的正确性，同时还将进一步告诉我们，自发对称性破缺以及“电荷”散布整个真空的背后结构。⁽¹⁴⁾希格斯玻色子也将成为一种新型粒子，而对于那些精通物理学术语的人们来说，它是一种基本玻色子，并在某种意义上成为一种新的力量形态。虽然所有的这些都非常精细微妙和深奥难懂，我和许多理论物理学界同行们依然认为它是美妙的、深邃的和优雅的。

对称相当伟大，颠覆对称也很伟大。长久以来，粒子物理学的众多方面起初都被视为丑不堪言，但之后又被视为是优雅至极。科学的主观性超越了群体，进入到个别科学家当中。即便是这些科学家，随着时间的流逝，也会改变想法。这就是为什么实验室至关重要。虽然实验困难重重，但实验的结果却比美丽的本质更易于确定与理解。