1964年,英國(guó)粒子物理學(xué)家彼得·希格斯寫(xiě)了兩篇論文,投給著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》,然而該刊只接受了其中的第一篇,第二篇只有兩頁(yè)的論文被退了回來(lái)。美籍日裔物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎看了希格斯的第二篇論文后感覺(jué)很有意思,建議他在文中解釋一下他提出的“希格斯場(chǎng)理論”的物理學(xué)意義。于是,希格斯在文章中加了一段:“希格斯場(chǎng)的激發(fā),將會(huì)猶如海洋中的波浪一樣,產(chǎn)生一種新的粒子????”不久,《物理評(píng)論快報(bào)》重新審核并發(fā)表了修改后的文章。文中所描述的新的粒子后來(lái)被稱為“希格斯玻色子”或“希格斯粒子”。
南部陽(yáng)一郎因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“亞原子物理學(xué)中的自發(fā)對(duì)稱性破缺機(jī)制”而獲得2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而距希格斯提出“希格斯場(chǎng)理論”半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了,南部陽(yáng)一郎曾工作過(guò)的美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室直到最近也只發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的“蛛絲馬跡”—— 3月7日,該實(shí)驗(yàn)室宣布,經(jīng)過(guò)窮盡數(shù)據(jù)分析以后,他們已接近證實(shí)希格斯玻色子的存在,這個(gè)結(jié)論的最后確認(rèn),有望在今年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。
“該死的粒子”或“上帝粒子”
無(wú)論大千世界多么豐富多彩,組成它的物質(zhì)都是由夸克、電子、光子等基本粒子組成的?;玖W又g存在著引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力四種自然力的相互作用。然而,物理學(xué)家一直力圖找到把四種自然力統(tǒng)一起來(lái)的途徑,以證明宇宙具有一種基本的統(tǒng)一性。比如,電磁力就是早期由法拉第和麥克斯韋把電力和磁力統(tǒng)一起來(lái)的結(jié)果。愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)是解決了引力的問(wèn)題,他的后半生一直致力于進(jìn)一步把電磁力和引力統(tǒng)一起來(lái),但最終未果。美國(guó)理論物理學(xué)家格拉肖從數(shù)學(xué)公式對(duì)弱力和電磁力的描述中看出它們?cè)谀承┓矫婢哂邢嗨菩?,但是讓格拉肖不解的是,弱力的作用非常微小,但是傳遞弱力的粒子的質(zhì)量卻很重。希格斯論文中提出的設(shè)想,為解決格拉肖所無(wú)法理解的問(wèn)題提供了新的思路,同時(shí),也可以解釋質(zhì)量起源的基本問(wèn)題。
根據(jù)希格斯的理論,基本粒子通過(guò)和一種看不見(jiàn)、卻又似乎無(wú)處不在的場(chǎng)發(fā)生相互作用來(lái)獲取質(zhì)量;相互作用越多,粒子獲得的質(zhì)量也越大。在1993年,英國(guó)科學(xué)家們還很難向政府解釋希格斯所描述的這一現(xiàn)象,為此,英國(guó)科學(xué)部長(zhǎng)威廉·渥德格雷發(fā)起一場(chǎng)全國(guó)競(jìng)賽,尋找對(duì)希格斯場(chǎng)最好最通俗的解釋。結(jié)果,倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家大衛(wèi)·米勒成為獲勝者之一。米勒將希格斯場(chǎng)比喻成在一個(gè)房間內(nèi)正在舉行聚會(huì)的政治團(tuán)體。當(dāng)一個(gè)普通人走進(jìn)房間的時(shí)候,不會(huì)引起別人注意,他會(huì)沒(méi)有任何阻力地在房間來(lái)回走動(dòng)。然而如果走進(jìn)來(lái)的是當(dāng)時(shí)的英國(guó)首相瑪格麗特·撒切爾,情況則會(huì)大為不同。許多人會(huì)走上來(lái),圍起來(lái),使得撒切爾首相放慢腳步,這就像是給了撒切爾首相一種“質(zhì)量”, 這時(shí)被圍著的首相具有很大的慣性,而慣性正是質(zhì)量的物理屬性。
英國(guó)理論物理學(xué)家約翰·埃利斯則對(duì)希格斯場(chǎng)做過(guò)這樣的比喻:把希格斯場(chǎng)想象成一片雪地,如果你想徒步穿越,你將會(huì)陷入雪地,并且要花很長(zhǎng)時(shí)間才能走出去;若是穿上一雙雪鞋,你的速度將大大加快;而如果使用雪橇,你則可以輕松快速地穿過(guò)雪地。對(duì)應(yīng)到物理學(xué)上來(lái),粒子的質(zhì)量來(lái)源于某種基本的物理屬性,意義上等同于雪鞋或雪橇,這種屬性直接影響到粒子穿過(guò)希格斯場(chǎng)的方式。希格斯場(chǎng)正是被賦予了這種屬性的場(chǎng),它決定了一個(gè)粒子,是如光子一樣在空中輕松飛行, 還是像笨重的質(zhì)子那樣運(yùn)動(dòng)。而希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的“海洋”中掀起的“波浪”。
然而這樣的粒子目前還只是科學(xué)家的一種假設(shè),并沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。該粒子的重要性及其發(fā)現(xiàn)難度,使諾貝爾獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼打算用“該死的粒子”來(lái)稱呼希格斯粒子,并以此作為一本著作的名稱。然而出版商認(rèn)為,如果書(shū)名改為“上帝粒子”,則可能有助于圖書(shū)的銷量。經(jīng)過(guò)協(xié)商,該書(shū)最終以“上帝粒子”命名。希格斯粒子無(wú)處不在,但又找不到它,這很容易讓人想到上帝的存在,所以很多科學(xué)家對(duì)于“上帝粒子”這個(gè)名稱,也跟著“牽強(qiáng)附會(huì)”了一把。