从L HC到希格斯玻色子的发现——两本与“上帝粒子”有关的新书介绍

冯诗齐/编译

从L HC到希格斯玻色子的发现
——两本与“上帝粒子”有关的新书介绍

冯诗齐/编译

《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》（Higgs: The Invention and Discovery of the‘God Particle’），吉姆·巴戈特(Jim Baggott)著，牛津大学出版社，纽约，2012.$24.95(277页)，ISBN 978-0-19-960349-7

《宇宙尽头的粒子:对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》（The Particle at the End of the Universe:How the Hunt for the Higgs Boson Leads Us to the Edge of a New World），肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)著，达顿出版社，纽约，2012. $27.95(341页)，ISBN 978-0-525-95359-3

由于欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)研究程序获得的备受瞩目的成功，看到相关新书的出版也就一点也不令人吃惊：它会告诉你这个由LHC开始的戏剧性故事，以及那个很可能是希格斯玻色子的发现。这两本书一是肖恩·卡罗尔(Sean Carroll)的《宇宙尽头的粒子：对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》；另一是吉姆·巴戈特(Jim Baggott)的《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》。两本书都介绍了希格斯玻色子的史诗般的传奇，虽然作者有他自己处理故事的方式，但二者都着重突出了所涉及的人。事实上，在描述历史和人物上二者都是最强的。

理论家卡罗尔以一个准知情人的视角讲述了这个故事。尽管他并没有直接参与LHC的研究，但他是一个颇有些名望的物理学博主——在今日世界，有关一项发现的传闻在博客世界中出现要远比官方的通告来得早——卡罗尔叙述了他是如何通过他的“媒体”来关注2012年7月对希格斯玻色子的宣告的。

《宇宙尽头的粒子:对希格斯玻色子的搜寻如何引领我们到一个新世界的边缘》一书的开篇是引导性的描述和有关标准模型的简史，以及对LHC探测器是如何工作的作了粗略的解释。然而，这本书关注的重点是希格斯场和玻色子，作者在对称性以及如何打破对称——即使这意味着

本文作者：唐·林肯(Don Lincoln)，费米实验室的研究物理学家，也是欧洲核子中心(CERN)紧凑渺子线圈(CMS)协作项目成员，著有《量子边界：大型强子对撞机》（约翰·霍普金斯大学出版社，2009)一书以及相关粒子物理普及读物。得到了一个破缺的对称性——等问题上花费了一些笔墨，特别是有关希格斯机制和LHC的章节十分有趣，文笔优美流畅。这本书非常适合于那些喜欢以谈话形式描述希格斯玻色子及其意义的读者。如果你的邻居是非专业人士，那么他们也会喜欢它。

当然，《宇宙尽头的粒子》也存有一些不足，即在书的前半部分中，经常出现卡罗尔的自说自话。应该说，一本好书会吸引读者沉浸到故事之中，直到一切都结束。该书还介绍了量子场论，这一理论描述了如何将电子、光子和所有其他亚原子粒子表达成不同场的振动模式。由于通俗文学中难得见到独特的见识，《宇宙尽头的粒子》一书对于一个对现代物理学细节感兴趣的读者会有所裨益。

然而，卡罗尔给予量子场论的待遇比我期待的“肤浅”。其实，要是以适当的难度将这个问题对目标群体多写几页，将会大大拓展这本书的受众面。最后，我对此书的一个忠告是，卡罗尔频繁提及的引力子，毫无疑问这是一种推测中的粒子，可在书中却给粗心的读者留下印象，似乎它们是公认的事实，而不是理论上的假设。

《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》则具有完全不同的风格。巴戈特是一位自由撰稿人，不是物理学界的局内人，他的作品如同保鲜盒，致使读者很容易地进入他的故事而无需刺激性的情节。尽管他的题材相对狭窄，该书实际上是在写关于对称性的——希格斯玻色子的发现确实是过去近百年来的最高成就，在那期间，科学家已经越来越意识到对称性在我们宇宙中所扮演的角色。

在该书的第一章，介绍了一位才华横溢的数学家埃米·诺特(Emmy Noether，她的名字与拥有守恒定律的物理学理论中的数学对称性紧密相联)，然而，在描述过程中存在较明显的缺陷。巴戈特给出空间和时间对称性的常见例子分别导致动量和能量的守恒，但他试图通过量子力学相对称性来解释电荷守恒的起源。这是准确的，但我不能确信非专业人士会理解他的描述。在我看来，读者更情愿简单地接受另一种被发现的对称性，即电荷的守恒，虽然它仅仅意味着对“量子力学相是什么”这个问题的最粗略的理解。

该书顺着历史的脉络，依次介绍其他一些才华横溢的人物及其拥有的有关新的对称性如何适合更大构想的发现。这些历史故事是20世纪粒子理论对创新最具影响的一场有趣的旋风之旅，许多见解引人入胜。至于历史性陈述的不足之处，即对弱力的对称性SU(2)和强力的SU(3)的介绍，并未真正解释清楚。再者，我担心大部分读者会把这些对称性仅仅视为几个术语而已，就是“我不懂那些对称性，但它们似乎很重要。”我不能肯定，强力的SU (3)是否值得介绍，因为它对于希格斯机制的叙说并非关键，而该书的中心主题之一则是希格斯机制。

该书的后半部分更多地关注于电弱对称破缺的故事，而希格斯机制的作用正在其中。在这一章节中，除了与本书较前部分基本概念的说明有关之处有某些含糊外，其他部分都很着力。

遗憾的是，《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》一书中含有大量对专业读者而言明显的错误。巴戈特写道，在泡利不相容原理中，一个质子的夸克数量(两个上夸克、一个下夸克)违反了费米子统计学特征；而泡利不相容原理指出，两个同等的粒子不能处于相同的量子状态。但如果两个上夸克的自旋相反那就不存在问题。类似于带有三个上夸克的Δ++或带有三个下夸克的Δ-的重子，启发奥斯卡·格林伯格(Oscar Greenberg)、南部阳一郎等提出了夸克色荷。在描述帮助物理学家解决弱力性质的β衰变的作用时，巴戈特展示说明了中微子散射的费曼图，而不是β衰变。

类似的瑕疵遍及整部原稿。尽管这些错误或许还不足以对整本书横加指责(一些读者不会关注这些细节错误)，但人们不免会留下怀疑：同样的错误是否也会在历史性叙述的章节中出现。虽然《希格斯：“上帝粒子”的发明与发现》是最新出版的，但欲了解希格斯玻色子历史细节，更保险的选择也许可以看一看伊恩·桑普尔(Ian Sample)的《大海捞针：引发科学界最大规模搜寻的失踪粒子》(Massive:The Missing Particle That Sparked the Greatest Hunt in Science)》,Basic Books,2010;reviewed in Physics Today,May 2011,page 47。

[资料来源：Physics Today][责任编辑：则 鸣]