半个世纪后的大奖：２０１３年诺贝尔物理奖介绍-欧阳峰-万维博客-万维读者网（电脑版）

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		半个世纪后的大奖：２０１３年诺贝尔物理奖介绍	2015-01-20 15:43:05

上个世纪中叶，是物理学的黄金时期之一。四十年代后期，费曼等人发明了重整化技术，首次为量子电动力学提供了实用的计算工具，电磁力成为了人们在量子层次上了解的第一种自然相互作用。从那以后短短二十多年，到七十年代初 “标准模型”问世。它涵盖了自然界四种相互作用中的三种：电磁相互作用，弱相互作用和强相互作用。标准模型奠定了基本粒子物理的框架。它所应用的场论方法也在其它物理领域做出了重大贡献。相比于之后的四十年，那二十多年物理学的进展真可说是“沧海桑田”。直到今天，诺贝尔奖中还有很多那个时代的成果。

２０１３年的诺贝尔物理奖，表彰的就是那个年代的一个重要工作：BEH机制（又称希格斯机制）。

在量子电动力学确立后，人们就自然把眼光投向主宰原子核以及更小尺度的弱相互作用和强相互作用，希望用同样的场论工具去了解这两种自然力。不仅如此，人们还希望这个新理论不仅能解释相互作用，还能给当时看来杂乱无章的基本粒子家族带来一个和谐的结构。

当然，要解释已知的自然现象，有很多理论的选项。但物理学家有着独特的“品味”，给这些理论加上了种种限制。其中最重要的有两个。一个是必须可重整化，否则现有的大量物理和数学工具都无用武之地。（今天，量子引力理论的一个大困难也是重整化。）另一个是必须满足某些对称性，如与相对论有关的洛伦茨对称，导致电荷守恒的规范对称，以及电荷，时间和宇称反演的CPT对称等。不满足对称性的理论不一定就错，但它挑战了已有的物理图景，所以必须有非常强的实验证据才能被接受（杨振宁，李政道发展的宇称守恒破缺理论就是一个例子）。对物理学家来说，同样能解释实验结果的理论中，对称性越强的就越优美。（重整化是一个相当特别的数学概念，这里提过就算。关于对称，守恒和下面将要讲到的对称破缺，请见文末所引的２００８年诺贝尔物理奖介绍文章。）

到了六十年代初，有两个新理论给人们带来了希望。一个是２００８年得了诺贝尔奖的对称破缺理论。南部（Yoichiro Nambu）和戈德斯通（Jeffrey Goldstone）指出，如果一个场的自相互作用满足一些很普遍的性质，那么它的基态就不是一无所有，而是因为对称破缺而有一些粒子存在，称为戈德斯通玻色子。（玻色子是自旋为整数的一类基本粒子，它的特性在本文中无关紧要。）另一个工具是杨振宁（Chen Ning Yang）和米尔斯（Robert Mills）在五十年代发展的杨－米尔斯场理论。它引入了一种更为复杂的对称性（称为规范对称，但比上面说的电荷守恒的规范更加一般化），从而有希望产生更多的粒子来重现基本粒子的家族。看来，通过这些理论应该能建立关于核子和基本粒子的模型了。

但是这其中有个非常重大的困难。根据量子理论，相互作用的“场”都有对应的“介质”粒子。例如，电磁场对应的粒子是光子。上面说的两种理论，其对应的粒子中都有质量为零的成员。特别是杨－米尔斯理论中，规范对称性要求所有粒子的质量都为零。但是，质量为零的粒子对应的场是长距的，也就是其强度随距离的平方而衰减。例如，光子质量为零，而对应的电磁场就是长距的（引力也是）。但核子世界中的强，弱相互作用都是短距的（也就是强度随距离衰减得非常快），所以不应该有质量为零的粒子产生。这个“零质量”粒子问题，成了这两个理论的克星。

柳暗花明又一村。兼通粒子物理和凝聚态物理的大师安德森（Philip Anderson）提出了一个直觉：把这两种理论结合起来，那些零质量粒子会相互抵消。这个直觉在１９６４年被三篇几乎同时发表的论文证实了。如果在杨－米尔斯场和戈德斯通场之间引入一个相互作用，那两个零质量的粒子就会结合成一个有质量的粒子。再加上其它本来就有的有质量粒子。这样，解决那些短距作用就有希望了。这就是所谓的BEH机制（或称希格斯机制）。

与许多开创性的物理工作一样，最初的论文用的是一个很简单体系来阐述这个理论，以便直接触及问题的精髓。在得到了“在规范守恒前提下赋予粒子质量”这个核心成果后，人们就把同样的思路用于更为复杂的场论体系，来描述现实的基本粒子体系。没过几年，基于BEH机制的“弱，电统一理论”就建立了。弱电统一理论包含了杨－米尔斯规范场和希格斯场（类似于上面说到的戈德斯通场）。在低能状态下，通过对称破缺，以及规范场与希格斯场的相互作用，原来规范场中没有质量的四个粒子变成了一个无质量的玻色子－光子（对应于电磁场）和三个有质量的玻色子－W+,W-和Z（对应于弱相互作用）。在此基础上再加上同时发展起来的描写强作用的量子色动力学，最终导致了七十年代初“标准模型”的建立，从而将电磁相互作用，和弱相互作用和强相互作用都统一到了同一个理论之中。

提出这个“质量产生机制”的三篇论文中的一篇的作者是在比利时的恩格勒（F. Englert）和布罗特（R. Brout），后者已逝世。另一篇的作者是在苏格兰的希格斯（P. Higgs）。２０１３年诺贝尔物理奖就由恩格勒与希格斯分享了。还有一篇论文的三个作者虽然与诺贝尔奖“擦肩而过”，但在同行中还是得到广泛承认的。这种两个场相互作用的机制常被称为“希格斯机制”，也被称为以三位作者命名的BEH机制或以六位作者命名的EBHGHK机制。２０１０年（希格斯粒子被证实之前），美国物理学会表彰高能物理学家的樱井奖（J.J. Sakurai Prize）颁发给了这六位物理学家。

当年，希格斯的论文首先投到了欧洲的《物理通信》杂志，却被退稿，理由是“与物理关系不大”。于是他修改了一下然后投到了美国的《物理评论通信》。为了增加“物理含量”，他明确点出了这个理论的一个预言：希格斯粒子。这次，论文很快就被接受发表了。于是“希格斯粒子”就这样诞生了。希格斯粒子并非这个理论的中心。它只是一个副产品，是戈德斯通场那个无质量粒子被“吞并”后，留下的另一个有质量的粒子。

标准模型建立以后，它所预言的基本粒子在高能物理实验中相继现身，各种参数和细节也都与理论相符。所以标准模型的正确性至今已经基本没有异议了。而希格斯粒子则成了这个模型中最后一个未经实验证实的部分。在标准模型中，希格斯粒子也可算是个“异数”：它是唯一一个自旋为零的粒子（称为标量粒子）。而且它的质量是一个“自由参数”，不能从其它物理参数中推导出来。有不少粒子物理学家不完全相信BEH机制，而希望找到新的物理原理来解释质量的来源。所以希格斯粒子的发现，最终证明了BEH机制的正确，给标准模型的实验证明画上了一个句号。

这次发现希格斯粒子的大型强子对撞机（LHC），从上世纪八十年代就开始计划了。经过近三十年的设计和建造（期间美国还搞了个半途而废的超导超大型对撞机SSC），这个耗资约八十亿美元（不含运行费用）的巨无霸终于在２０１０年开始物理测量。２０１１年，在LHC上开始了寻找希格斯粒子的努力。经过一年多的数据积累，两个研究团队在２０１２年７月宣布发现了希格斯粒子。其实，寻找希格斯粒子的努力在LHC运行之前已经进行了很久了。由于无法在理论上预计它的质量，寻找希格斯粒子比“大海捞针”还要困难千百倍。经过很多年的努力，人们逐渐缩小了它的质量的可能范围。这才给LHC的“临门一脚”创造了条件。

找到希格斯粒子，可算是给BEH机制和标准模型的最终认定。但它同时也开创了好几个新的研究领域。首先，希格斯粒子的质量揭示了关于标准模型中戈德斯通场的强度。如果这个强度太低，我们的宇宙就不稳定，有可能因为偶然涨落而灾变。按照测量到的质量推算，这种灾变的确有可能发生，但几率非常小（大概每１０的１００次方年发生一次，而目前宇宙的“年龄”只有１０的１０次方年）。所以也许是我们至今运气还不是太坏，也许是有目前未知的物理机制保障了宇宙的稳定。

“暗物质”是宇宙学和基本粒子研究的另一个热点。在宇宙中，暗物质的量是我们熟知的“平常物质”的五倍多（还有一大半是暗能量，这里暂且不表）。但是除了它的引力效应外，暗物质却是看不见摸不着的，因为它似乎与“平常物质”没有相互作用。目前有几种理论，预言某些基本粒子会与暗物质相互作用。但实验上至今未能找到证据，使得这种可能性越来越小。于是，希格斯粒子可说是唯一的希望了。据推测，也许未来几年就有足够数据来探测这种相互作用，从而检验目前的某些暗物质理论了。

虽然BEH机制早已得到证实而且成为基本粒子理论的基石，它的发明人却要等半个世纪，到了希格斯粒子“现身”以后才能得到诺贝尔奖。在诺贝尔委员会的官方科学介绍中，几乎一半的篇幅是关于寻找希格斯粒子的实验努力，特别是LHC的实验工作，虽然那两个几千人的实验团队并未得奖。不管怎样，希格斯粒子的发现使得当今最宏大的物理设备LHC显得物有所值（当然它也支持很多其它重要的研究项目，包括超越标准模型的探索）。

虽然标准模型是物理研究中的一个划时代成就，但它显然不是终结的物理理论。一个最重要，也是最显然的弱点是它不能包括万有引力理论。这是个困扰了理论物理学家半个多世纪的问题，至今大家还在摸索之中。除此之外，标准模型也不能自然地解释中微子为何有质量，为何有暗物质等一些问题。另外，标准模型中要求自然界存在一些非常精巧的平衡，也就是说有些自然参数的数值如果变化一点点，我们的世界就会大不一样。在物理学家看来，这种“巧合”背后很可能有更深的自然规律。而这种“精巧平衡”的一个表现，就是希格斯粒子的质量是如此之小（虽然它在标准模型中已经是最重的了）。

所以，希格斯粒子既是标准模型中最后被发现的成员，也很有希望成为标准模型以外的物理现象（例如前面说到的暗物质问题）的探针。详细研究希格斯粒子不仅有助于完善标准模型，也是跨出标准模型，寻找新的物理理论的重要一步。为此，我们就需要更强大的加速器。LHC即将进行升级增加亮度和能量，以便更精确地测量希格斯粒子的参数。LHC的所在地欧洲核子研究中心（CERN）正在研究计划一个８０到１００公里轨道周长的“未来环形对撞机”（Future Circular Collider）。它的第一步是一千二百亿电子伏的正负电子对撞机（LHC是正负质子对撞），其主要功能就是进一步研究希格斯粒子。对于研究希格斯粒子这个目的，电子对撞要比质子对撞更容易精确控制，背景噪声也更少。FCC的下一步是升级到一百万亿电子伏的质子对撞（比HLC的十四万亿电子伏高出一个数量级），以便检验试图包含引力的“超对称”理论的一些预言。中国也在筹划一个类似的计划。

然而，在这兴奋的时候，我们也要认识到，在加速器越来越昂贵而研究经费越来越紧张的今天，用加速器实验这种“大军团作战”的方式来验证基本粒子理论的做法恐怕是难以持久了。基本粒子理论和宇宙学要继续发展，也许需要走出一条新路来。