纪念希格斯：寻找上帝粒子之旅中交织的成功与失败

当地时间4月9日，诺贝尔物理学奖得主、英国物理学家彼得・希格斯因病去世，享年94岁。他因提出“上帝粒子”理论而闻名，有助于解释宇宙大爆炸后物质是如何形成的。

《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》（上海科技教育出版社）一书，以简洁生动的语言回顾了基本粒子物理学的百年家史，讲述了寻找“上帝粒子”之旅中交织着成功与失败的传奇故事。本文为当代物理学家、1979年诺奖得主史蒂文·温伯格所作序言。

许多重要的科学发现都会有通俗读物追随而至，以便将这些发现解释给一般读者。但这本书的创作在很大程度上是期待一个发现的到来。我还是头一次遇见这种情形。2012年7月，欧洲核子研究中心发现了一个似乎是希格斯玻色子的新粒子，此消息刚一宣布，这本书就已经准备好出版了。这一点证实了巴戈特和牛津大学出版社所具备的非凡活力和进取心。 

这本书的迅速出版也证明了普通大众对上述发现的好奇心。因此，如果我在这篇序言中补充一些我个人对 CERN 所取得的成果的见解，那也许是很值得的。人们常说，寻找希格斯粒子的关键之所在是解决质量起源的问题。诚然如此，不过这样的理由还需要某种程度的强化。 

时至20世纪80年代，我们拥有了一个关于所有已观测到的基本粒子以及作用在它们之间的力（引力除外）的完善理论。该理论的基本元素之一是一种如同家庭关系的对称性（symmetry），这种对称关系处于电磁力和弱核力这两种力之间。电磁学负责描述光的行为，而弱核力则允许原子核内部的粒子在辐射衰变过程中改变它们的身份或特性。该对称性把这两种力结合在单一的“电弱”（electroweak）结构中。电弱理论的一般特征已经得到了充分的检验，其有效性并非 CERN 和费米实验室（Fermilab）的最新实验所关注的焦点；即便发现不了希格斯粒子，这种有效性也不会成为大问题。 

可是电弱对称性的后果之一在于：假如不在理论中加入新东西，那么包括电子（electron）和夸克（quark）在内的所有基本粒子都将是无质量的，而这当然与事实不符。因此，理论学家只好在电弱理论中加点什么，某种新的物质或场，它尚未在自然界或我们的实验室中被观测到。寻找希格斯粒子也就是寻找下述问题的答案：这种我们所需要的新东西到底是什么呢？ 

寻找这种新东西并非只是一个在高能加速器周围守株待兔的问题，静等着看究竟会出现什么。电弱对称性作为基本粒子物理学的基本方程式所具有的严格性质必须破缺；它一定不能直接用于我们实际观测到的粒子和力。从南部阳一郎（Yoichiro Nambu）和戈德斯通（Jeffrey Goldstone）完成于1960—1961年的工作至今，人们知道这种对称性破缺在许多理论中都是可能的，不过它似乎不可避免地伴随着新的无质量粒子的产生。但众所周知，这种无质量的新粒子并不存在。 

英国物理学家彼得・希格斯

是布劳特（Robert Brout）和昂格勒（François Englert），希格斯（PeterHiggs），以及古拉尔尼克（Gerald Guralnik）、哈根（Carl Hagen）和基布尔（Tom Kibble）在1964年独立完成的三篇论文 ，证明了这些无质量的南部-戈德斯通粒子（Nambu⁃Goldstone particle）在某些理论中可以消失，它们的作用只是为传递力的粒子提供质量。这就是在弱作用力和电磁力的统一理论中所发生的事情，该理论是由萨拉姆（Abdus Salam）和我本人在1967—1968年提出来的。但这依旧留下了悬而未决的问题：到底是什么新型的物质或者场造成了电弱对称性破缺？ 

存在两种可能性。一种可能性是存在迄今尚未观测到的、遍及真空的场。就像地球的磁场可以把北方和其他方向区分开来一样，这些新的场把弱作用力和电磁力区分开来，给予传递弱作用力的粒子和其他粒子以质量，但保持传递电磁力的光子（photon）无质量。这些场叫作“标量（scalar）”场，意思是它们与磁场不同，在普通的空间中无法识别方向。这种一般性的标量场被戈德斯通采用，以举例说明对称性破缺；它们后来也被引入那些发表于1964年的三篇论文中。 

当萨拉姆和我把这种对称性破缺用于发展新式的、关于弱作用力和电磁力的电弱理论时，我们假设对称性破缺源于这种标量型的、遍及全空间的场。［格拉肖（Sheldon Glashow）以及萨拉姆和沃德（John Ward）此前已经假设过这种电弱对称性，但它没有被当作相关理论的方程式的严格性质，因而致使这些理论学家当时没有引进标量场。］ 

那些由标量场导致了对称性破缺的理论，包括戈德斯通的工作、发表于1964年的三篇论文以及萨拉姆和我的电弱理论中所考虑的模型，都有一个后果：虽然一部分标量场只起到了赋予传递力的粒子以质量的作用，但是其他标量场会成为新的物理粒子而出现在自然界，它们可以在加速器和粒子对撞机中产生出来并被观测到。萨拉姆和我发现，需要在我们的电弱理论中放进四个标量场。这些标量场中的三个在赋予 W+ 、W- 和 Z0 粒子以质量的过程中被消耗掉了，而这三个粒子就是我们的理论中传递弱作用力的“重光子”（这些粒子于 1983—1984 年在CERN被发现了，而且实验发现它们具有电弱理论所预言的质量）。其中一个标量场遗留下来，它表现为一个物理粒子，即该场的能量和动量所形成的实体。这就是“希格斯粒子”（Higgs particle），一个物理学家们苦苦寻找了近30年的粒子。 

但是总有另外一种可能性。或许根本就不存在遍及整个空间的新标量场，也不存在希格斯粒子。相反，电弱对称性也许是由强作用力破缺的，这种力被称为“彩力”（technicolor force），作用于一类新粒子，但是这些新粒子太重了，还没有被观测到。类似情形在超导中出现过。这种关于基本粒子的理论是在 20 世纪 70 年代末由萨斯坎德（Leonard Susskind）和我本人各自独立地提出来的，它会导致一大群新粒子的出现，是“彩力”将这些新粒子结合在一起。这就是我们所面临的选择： 标量场？还是彩色（technicolor）？ 

新粒子的发现强有力地支持了电弱对称性是由标量场破缺的，而不是由彩力破缺的。这便是CERN的发现非常重要的原因。 

但是要想把这一点敲定，还有很多事情要做。建立于 1967—1968年的电弱理论预言了希格斯粒子的所有性质，除了它的质量以外。利用如今通过实验所获知的希格斯质量，我们可以计算出希格斯粒子以各种方式衰变的概率，并查看这些预言是否能被进一步的实验所证实。这将需要一些时间。 

发现一个看上去像是希格斯粒子的新粒子也给理论学家留下了一项艰巨的任务：搞清楚它的质量。希格斯粒子作为一个基本粒子，它的质量并非来源于电弱对称性的破缺。就电弱理论的基本原理而言，希格斯粒子的质量取什么值都可以。因此萨拉姆和我都无法预言希格斯质量的大小。 

事实上，我们现在确实观测到了希格斯质量，不过它的数值有些令人费解。这就是人们通常所说的“等级问题”（hierarchy problem）。由于所有其他已知的基本粒子的质量都是由希格斯质量标定的，因此或许有人会猜测希格斯质量应该类似于另一个在物理学中发挥了重要作用的质量，即所谓的普朗克质量（Planck mass）。在引力理论中，普朗克质量是质量的基本单位（它是某些假想粒子的质量，这些假想粒子彼此之间的万有引力与分开同样距离的两个电子之间的静电作用力一样强）。 

但普朗克质量差不多比希格斯质量大十亿亿倍。因此，尽管希格斯粒子如此之重，以至于需要庞大的粒子对撞机才能把它产生出来，但是我们仍然要问：希格斯质量为什么这么小？ 

巴戈特建议，我可以在这儿补充一些个人对这个领域中各种思想演变的看法和展望。我将只提及两点。 

正如巴戈特在第四章中所描述的那样，菲利普·安德森（Philip Anderson）早在 1964 年之前就指出，无质量的南部-戈德斯通粒子并不是对称性破缺的必然结果。那么，为什么我和其他粒子理论学家不相信安德森的观点呢？这自然不是说，人们无须认真对待安德森的观点。就所有从事凝聚态物理学研究的理论学家而言，没有人比安德森更清楚对称性原理的重要性，此类原理在粒子物理学中也已经被证明是至关重要的。 

我认为安德森的观点总的来说是不太可信的，因为它是基于与诸如超导等非相对论性的现象所做的类比［也就是说，这些现象发生在可以放心地忽略爱因斯坦（Einstein）的狭义相对论（specical theory of relativity）的领域］。但很显然，无质量的南部-戈德斯通粒子是不可避免的，这一点已经被戈德斯通、萨拉姆和我本人在 1962 年严格地证明了。我们的证明显然依赖相对论的有效性。粒子理论学家无疑相信，安德森的观点在超导的非相对论性情况下是对的，但在基本粒子理论中是不对的，后者必须与相对论结合在一起。发表于1964年的三篇论文表明，戈德斯通、萨拉姆和我的证明不适用于那些含有传递力的粒子的量子理论。其原因在于，尽管在这些理论中物理现象确实满足相对论的原理，可是这些理论的数学表示在量子力学的情况下却不满足相对论的原理。 

这个与相对论有关的问题，也是我在 1967年以后无法证明萨拉姆和我所做的猜测的原因之所在，尽管我曾做了艰苦的努力。我们的猜测是，那些在电弱理论中出现的没有意义的无穷大都会抵消，其抵消方式与在电磁学的量子理论（即量子电动力学）中一样。类似的无穷大单单在量子电动力学中就已经被证明是可以抵消的。在证明电磁学中的无穷大可以抵消的过程中，相对论是必不可少的。巴戈特在第五章描述了特霍夫特（Gerardt Hooft）在1971年对抵消无穷大的证明。特霍夫特在证明的过程中使用了他和韦尔特曼（Martinus Veltman）发展出来的技术，其中充分利用了量子力学的原理，使得相关的理论可以用一种与相对论一致的方式表达出来。 

再来看第二点。巴戈特在第四章中提到，我在自己 1967年发表的那篇提出电弱理论的论文中没有包括夸克，原因是我担心一个问题：该理论可能会预言一些涉及所谓“奇异”（strange）粒子的过程，事实上此类过程并没有被观测到。但愿我当时没有考虑夸克的原因真有他说的那么具体。更确切地说，我当初之所以没有把夸克纳入理论，只是因为我在1967年还根本不相信夸克模型。从来没有人看见过夸克，而且很难令人相信这是由于夸克比质子（proton）和中子（neutron）等已被观测到了的粒子更重，而夸克模型假设这些已被观测到了的粒子是由夸克构成的。 

像许多其他理论学家一样，直到1973年，当格罗斯（David Gross）和韦尔切克（Frank Wilczek）以及波利策（David Politzer）的工作出来以后， 我才完全接受夸克的存在。基于夸克和强核力的理论，亦称为量子色动力学（quantum chromodynamics），格罗斯等人证明了强作用力随着距离的减小而减弱。于是我们中的一部分人意识到，在这种情况下，与我们的直觉相反，夸克之间的强作用力会随着夸克相距越远而变得越强，或许强到足以阻止夸克彼此分开，在任何时候都不会自行其是。这一点还从未被证明过，但人们普遍相信它是对的。到目前为止，量子色动力学已成为一个久经考验的理论，可是从来没有人见过孤立的夸克。 

我很高兴地看到这本书从埃米·诺特（Emmy Noether）开始写起，身处 20 世纪初期的她率先认识到了对称性原理在自然界的重要性。这有助于提醒我们，今天科学家的工作只不过是宏大的科学史诗中承前启后的最新篇章：我们力图猜中自然界的奥秘，并始终使我们的猜测服从于实验的检验。巴戈特的书将会为读者勾勒出这一历史性的科学探秘之旅中形形色色的风景。 

2012年7月6日