半個世紀後的大獎：２０１３年諾貝爾物理獎介紹-歐陽峰-萬維博客-萬維讀者網（電腦版）

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		半個世紀後的大獎：２０１３年諾貝爾物理獎介紹	2015-01-20 15:43:05

上個世紀中葉，是物理學的黃金時期之一。四十年代後期，費曼等人發明了重整化技術，首次為量子電動力學提供了實用的計算工具，電磁力成為了人們在量子層次上了解的第一種自然相互作用。從那以後短短二十多年，到七十年代初 “標準模型”問世。它涵蓋了自然界四種相互作用中的三種：電磁相互作用，弱相互作用和強相互作用。標準模型奠定了基本粒子物理的框架。它所應用的場論方法也在其它物理領域做出了重大貢獻。相比於之後的四十年，那二十多年物理學的進展真可說是“滄海桑田”。直到今天，諾貝爾獎中還有很多那個時代的成果。

２０１３年的諾貝爾物理獎，表彰的就是那個年代的一個重要工作：BEH機制（又稱希格斯機制）。

在量子電動力學確立後，人們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強相互作用，希望用同樣的場論工具去了解這兩種自然力。不僅如此，人們還希望這個新理論不僅能解釋相互作用，還能給當時看來雜亂無章的基本粒子家族帶來一個和諧的結構。

當然，要解釋已知的自然現象，有很多理論的選項。但物理學家有着獨特的“品味”，給這些理論加上了種種限制。其中最重要的有兩個。一個是必須可重整化，否則現有的大量物理和數學工具都無用武之地。（今天，量子引力理論的一個大困難也是重整化。）另一個是必須滿足某些對稱性，如與相對論有關的洛倫茨對稱，導致電荷守恆的規範對稱，以及電荷，時間和宇稱反演的CPT對稱等。不滿足對稱性的理論不一定就錯，但它挑戰了已有的物理圖景，所以必須有非常強的實驗證據才能被接受（楊振寧，李政道發展的宇稱守恆破缺理論就是一個例子）。對物理學家來說，同樣能解釋實驗結果的理論中，對稱性越強的就越優美。（重整化是一個相當特別的數學概念，這裡提過就算。關於對稱，守恆和下面將要講到的對稱破缺，請見文末所引的２００８年諾貝爾物理獎介紹文章。）

到了六十年代初，有兩個新理論給人們帶來了希望。一個是２００８年得了諾貝爾獎的對稱破缺理論。南部（Yoichiro Nambu）和戈德斯通（Jeffrey Goldstone）指出，如果一個場的自相互作用滿足一些很普遍的性質，那麼它的基態就不是一無所有，而是因為對稱破缺而有一些粒子存在，稱為戈德斯通玻色子。（玻色子是自旋為整數的一類基本粒子，它的特性在本文中無關緊要。）另一個工具是楊振寧（Chen Ning Yang）和米爾斯（Robert Mills）在五十年代發展的楊－米爾斯場理論。它引入了一種更為複雜的對稱性（稱為規範對稱，但比上面說的電荷守恆的規範更加一般化），從而有希望產生更多的粒子來重現基本粒子的家族。看來，通過這些理論應該能建立關於核子和基本粒子的模型了。

但是這其中有個非常重大的困難。根據量子理論，相互作用的“場”都有對應的“介質”粒子。例如，電磁場對應的粒子是光子。上面說的兩種理論，其對應的粒子中都有質量為零的成員。特別是楊－米爾斯理論中，規範對稱性要求所有粒子的質量都為零。但是，質量為零的粒子對應的場是長距的，也就是其強度隨距離的平方而衰減。例如，光子質量為零，而對應的電磁場就是長距的（引力也是）。但核子世界中的強，弱相互作用都是短距的（也就是強度隨距離衰減得非常快），所以不應該有質量為零的粒子產生。這個“零質量”粒子問題，成了這兩個理論的剋星。

柳暗花明又一村。兼通粒子物理和凝聚態物理的大師安德森（Philip Anderson）提出了一個直覺：把這兩種理論結合起來，那些零質量粒子會相互抵消。這個直覺在１９６４年被三篇幾乎同時發表的論文證實了。如果在楊－米爾斯場和戈德斯通場之間引入一個相互作用，那兩個零質量的粒子就會結合成一個有質量的粒子。再加上其它本來就有的有質量粒子。這樣，解決那些短距作用就有希望了。這就是所謂的BEH機制（或稱希格斯機制）。

與許多開創性的物理工作一樣，最初的論文用的是一個很簡單體系來闡述這個理論，以便直接觸及問題的精髓。在得到了“在規範守恆前提下賦予粒子質量”這個核心成果後，人們就把同樣的思路用於更為複雜的場論體系，來描述現實的基本粒子體系。沒過幾年，基於BEH機制的“弱，電統一理論”就建立了。弱電統一理論包含了楊－米爾斯規範場和希格斯場（類似於上面說到的戈德斯通場）。在低能狀態下，通過對稱破缺，以及規範場與希格斯場的相互作用，原來規範場中沒有質量的四個粒子變成了一個無質量的玻色子－光子（對應於電磁場）和三個有質量的玻色子－W+,W-和Z（對應於弱相互作用）。在此基礎上再加上同時發展起來的描寫強作用的量子色動力學，最終導致了七十年代初“標準模型”的建立，從而將電磁相互作用，和弱相互作用和強相互作用都統一到了同一個理論之中。

提出這個“質量產生機制”的三篇論文中的一篇的作者是在比利時的恩格勒（F. Englert）和布羅特（R. Brout），後者已逝世。另一篇的作者是在蘇格蘭的希格斯（P. Higgs）。２０１３年諾貝爾物理獎就由恩格勒與希格斯分享了。還有一篇論文的三個作者雖然與諾貝爾獎“擦肩而過”，但在同行中還是得到廣泛承認的。這種兩個場相互作用的機制常被稱為“希格斯機制”，也被稱為以三位作者命名的BEH機制或以六位作者命名的EBHGHK機制。２０１０年（希格斯粒子被證實之前），美國物理學會表彰高能物理學家的櫻井獎（J.J. Sakurai Prize）頒發給了這六位物理學家。

當年，希格斯的論文首先投到了歐洲的《物理通信》雜誌，卻被退稿，理由是“與物理關係不大”。於是他修改了一下然後投到了美國的《物理評論通信》。為了增加“物理含量”，他明確點出了這個理論的一個預言：希格斯粒子。這次，論文很快就被接受發表了。於是“希格斯粒子”就這樣誕生了。希格斯粒子並非這個理論的中心。它只是一個副產品，是戈德斯通場那個無質量粒子被“吞併”後，留下的另一個有質量的粒子。

標準模型建立以後，它所預言的基本粒子在高能物理實驗中相繼現身，各種參數和細節也都與理論相符。所以標準模型的正確性至今已經基本沒有異議了。而希格斯粒子則成了這個模型中最後一個未經實驗證實的部分。在標準模型中，希格斯粒子也可算是個“異數”：它是唯一一個自旋為零的粒子（稱為標量粒子）。而且它的質量是一個“自由參數”，不能從其它物理參數中推導出來。有不少粒子物理學家不完全相信BEH機制，而希望找到新的物理原理來解釋質量的來源。所以希格斯粒子的發現，最終證明了BEH機制的正確，給標準模型的實驗證明畫上了一個句號。

這次發現希格斯粒子的大型強子對撞機（LHC），從上世紀八十年代就開始計劃了。經過近三十年的設計和建造（期間美國還搞了個半途而廢的超導超大型對撞機SSC），這個耗資約八十億美元（不含運行費用）的巨無霸終於在２０１０年開始物理測量。２０１１年，在LHC上開始了尋找希格斯粒子的努力。經過一年多的數據積累，兩個研究團隊在２０１２年７月宣布發現了希格斯粒子。其實，尋找希格斯粒子的努力在LHC運行之前已經進行了很久了。由於無法在理論上預計它的質量，尋找希格斯粒子比“大海撈針”還要困難千百倍。經過很多年的努力，人們逐漸縮小了它的質量的可能範圍。這才給LHC的“臨門一腳”創造了條件。

找到希格斯粒子，可算是給BEH機制和標準模型的最終認定。但它同時也開創了好幾個新的研究領域。首先，希格斯粒子的質量揭示了關於標準模型中戈德斯通場的強度。如果這個強度太低，我們的宇宙就不穩定，有可能因為偶然漲落而災變。按照測量到的質量推算，這種災變的確有可能發生，但幾率非常小（大概每１０的１００次方年發生一次，而目前宇宙的“年齡”只有１０的１０次方年）。所以也許是我們至今運氣還不是太壞，也許是有目前未知的物理機制保障了宇宙的穩定。

“暗物質”是宇宙學和基本粒子研究的另一個熱點。在宇宙中，暗物質的量是我們熟知的“平常物質”的五倍多（還有一大半是暗能量，這裡暫且不表）。但是除了它的引力效應外，暗物質卻是看不見摸不着的，因為它似乎與“平常物質”沒有相互作用。目前有幾種理論，預言某些基本粒子會與暗物質相互作用。但實驗上至今未能找到證據，使得這種可能性越來越小。於是，希格斯粒子可說是唯一的希望了。據推測，也許未來幾年就有足夠數據來探測這種相互作用，從而檢驗目前的某些暗物質理論了。

雖然BEH機制早已得到證實而且成為基本粒子理論的基石，它的發明人卻要等半個世紀，到了希格斯粒子“現身”以後才能得到諾貝爾獎。在諾貝爾委員會的官方科學介紹中，幾乎一半的篇幅是關於尋找希格斯粒子的實驗努力，特別是LHC的實驗工作，雖然那兩個幾千人的實驗團隊並未得獎。不管怎樣，希格斯粒子的發現使得當今最宏大的物理設備LHC顯得物有所值（當然它也支持很多其它重要的研究項目，包括超越標準模型的探索）。

雖然標準模型是物理研究中的一個劃時代成就，但它顯然不是終結的物理理論。一個最重要，也是最顯然的弱點是它不能包括萬有引力理論。這是個困擾了理論物理學家半個多世紀的問題，至今大家還在摸索之中。除此之外，標準模型也不能自然地解釋中微子為何有質量，為何有暗物質等一些問題。另外，標準模型中要求自然界存在一些非常精巧的平衡，也就是說有些自然參數的數值如果變化一點點，我們的世界就會大不一樣。在物理學家看來，這種“巧合”背後很可能有更深的自然規律。而這種“精巧平衡”的一個表現，就是希格斯粒子的質量是如此之小（雖然它在標準模型中已經是最重的了）。

所以，希格斯粒子既是標準模型中最後被發現的成員，也很有希望成為標準模型以外的物理現象（例如前面說到的暗物質問題）的探針。詳細研究希格斯粒子不僅有助於完善標準模型，也是跨出標準模型，尋找新的物理理論的重要一步。為此，我們就需要更強大的加速器。LHC即將進行升級增加亮度和能量，以便更精確地測量希格斯粒子的參數。LHC的所在地歐洲核子研究中心（CERN）正在研究計劃一個８０到１００公里軌道周長的“未來環形對撞機”（Future Circular Collider）。它的第一步是一千二百億電子伏的正負電子對撞機（LHC是正負質子對撞），其主要功能就是進一步研究希格斯粒子。對於研究希格斯粒子這個目的，電子對撞要比質子對撞更容易精確控制，背景噪聲也更少。FCC的下一步是升級到一百萬億電子伏的質子對撞（比HLC的十四萬億電子伏高出一個數量級），以便檢驗試圖包含引力的“超對稱”理論的一些預言。中國也在籌劃一個類似的計劃。

然而，在這興奮的時候，我們也要認識到，在加速器越來越昂貴而研究經費越來越緊張的今天，用加速器實驗這種“大軍團作戰”的方式來驗證基本粒子理論的做法恐怕是難以持久了。基本粒子理論和宇宙學要繼續發展，也許需要走出一條新路來。