“上帝粒子”与终极真理

| 文 ·崔人元

即使这回找到的真是“上帝粒子”，也不会像上帝一样是全能的，“标准模型”只是人类认识宇宙的伟大进步，人类对宇宙的终极真理的认识，还有很长的路要走

黑格斯玻色子的示意图

2012年7月，有5个周一、5个周二和5个周日，你没有注意到吧？这种现象每823年才发生一次。7月16日，月亮、金星和木星在天空形成笑脸；7月25日，火土合月。天象大吉呀！你在7月可有喜了？

对于想弄清宇宙终极真理的科学界来说，喜报频传。7月3日和4日，美国费米实验室和欧洲核研究组织相继十分高调地宣布，发现了一种亚原子粒子，极可能是有“上帝粒子”之称的“黑格斯玻色子（Higgs boson）”。

你在普遍奉行庸俗实用主义的当下中国，尽可理直气壮地问：黑格斯玻色子有什么用？答：除了支持物理学的“标准模型（Standard Model）”理论，现实中尚无用——但无用之用，多是大用。此时此刻，正如彼时刻——1897年，汤姆逊发现了电子，其实在现实中也是无用之用，而电子已经与今日人们的生活密不可分了。

发现“基本粒子”的历程

我们所生存的这个宇宙，是大约137亿年前从一个质点的“大爆炸”而“无中生有”地产生的。而宇宙万物是由数种相同的微小粒子构成的，认识这些粒子及其构成宇宙万物的机制，具有重要的科学意义。

黑格斯

科学家们原来认为原子是构成物质世界的最小粒子，而电子的发现打破了原子“不可分”的观念，又打破了物质结构的“终极”观念，科学家们面临一个陌生的美丽新世界。科学家提出“基本粒子”概念，指构成物质的最基本、最小单位的粒子，开始以为是亚原子结构，但后来认识到“基本粒子”也有能再细分的复杂结构，即基本粒子的定义随着人类的认识而有所变化。质子、中子的大小只有原子的1/100000，而轻子和夸克的大小还不到质子、中子的1/10000，在现有最高倍的电子显微镜下也不能观察到。

发现电子不久，科学家们发现了放射性；上世纪20年代，利用放射性射线这把“刀”切割原子，发现其由原子核和电子构成；上世纪30年代，用放射性射线轰击原子核，又发现原子核由质子和中子组成。约在同期，还发现原子核的弱衰变中一定伴有不带电的中微子。上世纪40到60年代，用外层空间高能的宇宙射线和人造高能加速器，发现了多种亚原子结构的粒子。科学家们把所认识到的粒子分为轻子（lepton）和强子（hadron）两类。

至今实验上还没有发现轻子有任何结构，所以常被认为是最基本的粒子之一。除了电子e-，1953年，发现电子中微子 e；1962年，发现μ子μ-和μ子中微子 μ，且中微子有不同类型；1975年，发现了τ子τ-；2000年，发现τ子中微子 τ。即“标准模型”中的12种基本轻子都已在实验中发现了：3种带一个单位负电荷的粒子e-、μ-、τ-及与之对应的3种不带电的中微子 e、 μ、 τ，加上这6种粒子各自的反粒子。

上世纪60年代，盖尔曼和茨威格提出，强子是由更基本的粒子“夸克”（quark，此词来自乔伊斯小说《为芬尼根守灵》中的诗句）组成的。夸克带有分数电荷，是电子电量的2/3或-1/3倍，自旋为1/2。最初提出有3种（称作“味”）夸克，分别是上夸克u、下夸克d和奇异夸克s。上世纪70年代，发现J/ψ和Υ粒子，又引入粲夸克c和底夸克b。1994年发现顶夸克t，许多人认为这是最后一种夸克。这6味夸克也各有相应的反夸克。强子包括重子（baryon）和介子（meson）；在夸克模型中，重子即是由3个夸克组成的复合粒子或3个反夸克组成反重子，介子是由1个夸克和1个反夸克组成的束缚态，这一对夸克和反夸克可以是不同味的。

夸克和轻子两个家族可分为3代。第1代的粒子质量最轻，而第3代的粒子最重。现存的物质主要是由第1代的基本粒子组成，而第2、3代粒子大多已衰变成为第1代粒子。轻子和夸克是科学家们迄今认识的物质最小单元的最前沿。

四种力及“标准模型”理论

构成物质的微粒之所以能聚集到一起，是因为微粒之间有相互作用力“拉聚”它们。牛顿首先发现了万有引力；科学家们后来又发现了电磁作用力，而放射性与电磁力和强作用力、弱作用力都有关。即物质间已知的基本相互作用力有四种：万有引力、强作用力、弱作用力和电磁作用力。引力和电磁力，凭着肉眼的经验也能察觉，即它们在日常尺度上还有明显不为0的强度。强作用和弱作用只在原子核的尺度内，才有明显不为0的强度，超出微小的距离则速趋于0；强作用的力度又比弱作用大得多。轻子是只参与弱相互作用、电磁力和引力作用，而不参与强相互作用的粒子；强子是所有受到强作用力影响的亚原子粒子。量子物理学认为，粒子之间的基本相互作用是通过“交换”某种粒子来传递的，即基本相互作用力都是由媒介子（mediator）传递的。

由上可知宇宙间的基本粒子有：轻子、夸克和媒介子。量子物理学里，所有这些粒子都有标定各自基本特性的四种量子属性：质量、能量、磁矩和自旋。按这些粒子在高密度或低温度时量子属性（主要是自旋）的不同，在量子物理学中又分成两大类：一类是以费米的名字命名的“费米子（fermion）”，另一类是以玻色的名字命名的“玻色子（boson）”。费米子的自旋为半整数，费米子遵循费米—狄拉克统计规律和泡利不相容原理，即没有任何两个费米子能有同样的量子态，即在同一时间同一地点不可能有特性（电荷、动量和自旋朝向等）完全相同的费米子，就像飞机上同一个座位不能同时坐着两个孪生乘客。玻色子的自旋为0或整数，由玻色子或偶数个费米子组成的复合粒子的自旋也是0或整数（即也是玻色子），玻色子遵从玻色—爱因斯坦统计规律，但不遵守泡利不相容原理，即一个量子态可以容纳无穷多个玻色子，所以低温时可出现玻色—爱因斯坦凝聚现象。在形成宇宙万物中，费米子和玻色子的“用途”是：费米子是构成物质的粒子，玻色子是传递作用力的粒子（又统称为规范玻色子），或说费米子通过玻色子的联结作用，而形成了物质世界。

杨振宁

美国科学家费米

爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，理论物理学家开始尝试建立统一的模型，以解释通强作用、弱作用、电磁作用三种力相互作用的所有粒子。科学家们较早认识到，电磁力和强作用力在相对论变换下都具有“矢量（轴矢量）”的性质；1956年，李政道、杨振宁提出宇称不守恒，开辟了认识弱作用也有矢量（轴矢量）性的正确道路。强作用、弱作用、电磁作用三种作用力都有这种性质，保证了它们可能成为与时空联系起来的规范相互作用，这为后来建立标准模型起了重要的作用。而1954年，杨振宁和米尔斯提出“杨—米尔斯理论”，为现代规范场理论——非阿贝尔规范理论奠基。1962年，格拉肖在杨—米尔斯理论基础上初步提出弱作用和电磁作用的统一模型。1964年，黑格斯机制（自发破缺机制）在理论上成功地解决了规范场量子的质量问题。为温伯格和萨拉姆的弱电统一模型的提供了重要的基础理论。1968年，温伯格和萨拉姆在黑格斯机制和格拉肖的基础上完善了电弱统一理论，这是后来标准模型的重要基础。1972年，特霍夫和威特曼证明具有自发破缺的规范场论是可重整的，可重整是后来建立标准模型的重要原则。1973年维尔切克、格罗斯和波利策提出一种关于夸克的渐近自由理论，解释了质子和中子的成分夸克为何从来都不会分离，这导致了量子色动力学的诞生，量子色动力学也是标准模型的重要基础。

1975年，格拉肖等在前述科学探索的基础上，把弱作用、电磁作用、强作用三种作用力统一起来建立了标准模型。由于引力的强度很弱，在构成日常尺度物体时可完全忽略，所以，标准模型在四种基本相互作用力中只涉及强作用、弱作用和电磁作用三种力，让这三种基本相互作用“原初性”地作用在夸克和轻子之间，其相互作用的形式都由具体的规范对称性规定，其中的强作用、弱作用还能在各自的量子（规范场粒子）之间作用，因而能成功地把它们相对统一起来，用以解释组成宇宙万物的最基本粒子及其间的交互作用力。标准模型所涉及的是极其微观的物质世界规律理论，在这个世界中，所有物质单元都具有粒子及波动二相性，且符合20世纪前期建立的量子力学和狭义相对论两个理论体系中的量子化和相对论性规律。量子论和相对论的结合推动了量子场论的建立，量子场论是粒子物理的主要理论工具，也是标准模型的基础理论。标准模型中，对应万有引力、强作用力、弱作用力和电磁作用力的媒介子分别是：引力子（尚未在实验中发现引力子）g、介子或胶子（gloun）、玻色子（如W±、Z0）和光子γ。

黑格斯玻色子为什么是“上帝粒子”

有多位物理学家在探索标准模型理论的过程中获得了诺贝尔奖。但在建立标准模型的过程中，有一个“拦路虎”，不去除则后边一切都免谈——自从1666年苹果砸中牛顿，牛顿发现了万有引力之后，物理学家就在寻找什么是质量？质量从何而来？轻子、夸克及传递的弱作用规范粒子都是具有静质量的量子，但用一般方法“产生”质量，规范场粒子的规范性质，会破坏色荷、电荷或时空的对称性（洛仑兹不变性）。或者说，统一描述电磁作用和弱作用的对称性必须是自发破缺的，否则所有粒子都将没有质量。自发破缺就是某一个场在能量的最低态（即真空态）不具有这种对称性。

1964年，英国物理学家黑格斯（今年83岁）提出，存在一个不带色荷和电荷的标量粒子场（称黑格斯场），能够在真空态具有非0的取值（即真空期望值）实现电弱对称的自发破缺——电磁作用和弱作用在能量低于一定条件后将呈现为不同的相互作用；进而预言存在黑格斯玻色子，黑格斯玻色子是物质的质量之源，其他粒子在黑格斯玻色子构成的场中，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。即是说，黑格斯场造成物理真空的对称性破坏，而实现规范粒子质量的“产生”。

印度科学家玻色

通俗地说，黑格斯提出，在宇宙大爆炸中，黑格斯玻色子使粒子得到质量（万有引力则将质量变成重量），使星辰得以诞生。如果没有质量，粒子只会以光速乱窜，无法结合起来成为物质世界。黑格斯假定宇宙间存在一片波浪场，无数的黑格斯玻色子减慢了粒子的飞行，就像蜜糖粘住苍蝇一样，并使粒子获得质量。越容易碰撞黑格斯玻色子的粒子，越难以被加速。黑格斯粒子具有质量，在宇宙创生之初完成使命之后即衰变了。黑格斯理论被视为了解宇宙的关键。

标准模型理论认为的基本粒子可以分为轻子、夸克、规范玻色子和黑格斯玻色子四大类，所有的粒子在强作用、弱作用和电磁作用三种力的框架内相互作用，统一在标准模型之下。这个理论看似完美和谐，其预言的62种基本粒子中，迄今已经被实验证实了61种，但第62种即黑格斯玻色子，虽然早几年前就有消息说在实验中发现了，但至今还未最终确证其是否存在，这也成为标准模型的命门。

黑格斯坚信有黑格斯玻色子存在，但当别人提到“黑格斯玻色子”时，黑格斯总是诚惶诚恐，因为他觉得“不配用自己的名字”命名这种粒子；而且对“上帝粒子”的外号更加反感，因为黑格斯坚称自己是无神论者。这个外号来自诺贝尔物理学奖获得者莱德曼在1993年的科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》，莱德曼后来说自己本来叫它“Goddamn particle（××粒子）”，但书商觉得三俗，改成了“God particle”。这本书中的结尾表达了物理学家们对找到“上帝粒子”的期望：“天空中出现了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛独奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地变成了上帝的脸，微笑着，但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

霍金打赌100美元，怀疑有黑格斯玻色子的存在，不过这次他很可能要输了——他也不是头一次在科学打赌中输了。霍金在其著作《大设计》中说，宇宙创生之初，至少人格（或神格）化的上帝没有起作用。而我从佛教的经典看，如果实验证明存在黑格斯玻色子，也不过是又一次证明了佛陀关于宇宙创生的说法——佛教也是无神论的宗教。本文讲科学，文字又长又不轻松，此话题就按下不表也。

未来之路

不管黑格斯玻色子是否存在，标准模型都是物理学取得的最重大成就之一。

如果存在黑格斯玻色子，标准模型也只能解释4%的宇宙，占宇宙质量96%的暗物质仍然没有得到解释（近来有科学家认为，黑格斯玻色子可能有多种，黑格斯玻色子就是暗物质）。而且，标准模型未包括引力，标准模型能否成为真正的统一理论，还有待于科学的进一步发展。有理论认为标准模型的四类粒子之外可能存在质量非常大的超粒子和尚未预言出的新粒子。如果存在黑格斯玻色子，标准模型内还有一些问题也解释不了：例如，根据量子原理，黑格斯玻色子应该会表现出能量的不确定；标准模型“驯服”不了黑格斯玻色子。

人类要认识宇宙终极真理，还有很多路要走。科学家们已在标准模型之后提出了不同的理论，进行了不同的探索。马克思说：“在科学上没有平坦的大道，只有不畏劳苦，沿着陡峭山路攀登的人，才有希望达到光辉的顶点。”