物理女王陛下

2012年7月4日，全世界的报纸都在宣告这对科学界意义重大的一天。《独立报》的头版头条是，“科学家证明了上帝粒子的存在”；加拿大广播公司说，“粒子物理缺失的基石”已浮出水面；《纽约时报》的一则标题是“物理学家发现了可以解开宇宙之谜的神秘粒子”。

这就是对希格斯玻色子的重大发现，每个人都迫不及待地想要解释它有多么了不起。然而希格斯玻色子非常复杂，我无法摘录出有价值的新闻片段来概括它。

希格斯玻色子非常复杂，以至于1993年英国科学部长威廉·瓦多格列佛悬赏一瓶香槟，征求能够用一页纸解释希格斯玻色子的科学家。[1]本书中我不打算这样做（我更想要一杯奶昔），但我们要尝试感受一下希格斯玻色子是什么东西。

希格斯玻色子之所以重要，是因为它证实了科学家近50年前的一个预测。要证实这个预测，需要建造大型强子对撞机—有史以来最大的机器。

但我们怎么知道它值得付出如此巨大的努力呢？比如说我现在可以发明一种叫“timon”的粒子，它让你在看无聊电影时想要查看手表。我们要为此建造一台机器吗？

想想看，理论物理学家如何知道哪些假说值得研究？有那么多粒子、那么多场、那么多相互作用，我们怎样知道自己的方程是合理的？有没有指导新物理定律的终极法则？

答案是有的，它来自史上最杰出的不知名物理学家之一：阿马莉·埃米·诺特。

在20世纪初，只有两名女性被允许在德国埃尔朗根大学就读，她们上任何课程都需要得到任课老师的许可，诺特就是其中之一。信不信由你，她并没有因拥有子宫而不懂数学（岂有此理？）。诺特撰写了一系列论文，受到了德高望重的数学家大卫·希尔伯特的赏识。

希尔伯特帮助诺特在哥廷根大学获得了一个讲师职位，她是那里唯一的女职员。当然，这份工作是没有报酬的，她必须以希尔伯特的名义授课。但无论如何，她已经踏进了学术界的大门。[2]

后来，诺特发现了可能是理论物理学中最重要的指导原则—“诺特定理”，局势终于逆转。女性想要被平等对待，就得超越世界上所有的男性物理学家—在某种程度上这是一种耻辱。不过这也让她显得很了不起。男性没有给她足够的尊重，但她以一个影响深远的理论征服了每一个人。这个定律构成了QED和QCD的基石，解决了相对论中爱因斯坦也搞不清楚的难题。

诺特定理是关于物理学家所说的“对称性”的，这是一个我们一直在玩味的概念。当我们研究一个事件或一个粒子时，我们通过方程计算动能（运动）和势能（场中的位置），两者的差值叫“拉格朗日量”。每条物理定律都有一个拉格朗日量。

但我们总是可以改变正在研究的任何场景的细节。我们在强磁体附近做实验，或者改变粒子的质量，有时会改变拉格朗日量，有时不会改变。如果拉格朗日量不改变，所有的方程就都是相同的，我们就说该理论具有“对称性”；如果拉格朗日量改变，方程同样改变，我们就说该理论具有“对称性破缺”。

诺特定理说，如果理论具有对称性，那么一定存在一个相关的、不会被改变的粒子属性。

例如，假设我们正在研究一个粒子，并决定把它往右移动1米。粒子行为是相同的。因此，我们的理论是关于位置对称的。

诺特定理说，位置的改变是因为粒子带着动量从一个地方运动到另一个地方，动量必须“守恒”，也就是说动量既不会凭空产生，也不会凭空消失。粒子可以在碰撞过程中传递动量，但无论如何，前后的总动量总是相同的。

诺特定理的另一个例子是，当我们让粒子在时间上前进时，物理定律仍然是不变的。物理定律是关于时间对称的，因此它必然也有一个对应的守恒的性质—最终证明是能量（因为我们正在讨论因果）。夏特莱侯爵夫人已经证明过能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，但诺特定理给出了根本的原因。

电荷是另一个守恒量，它源于粒子波函数振动的方式。这就是为什么光子总是一前一后地产生粒子和反粒子。电荷必须守恒，因此不带电荷的光子在产生电子的同时产生一个反电子，使总电荷为零。以上只是几个例子。

诺特定理告诉我们，物理定律中哪些性质是可以改变的，哪些性质是不可以改变的。它补充了狄拉克、费曼、盖尔曼的量子场论。诺特给了我们一条物理定律，怎么夸大其重要性都不为过。

不幸的是，由于诺特是犹太人，她在纳粹主义兴起时被赶出德国，之后逃到了法国。但从好的方面说，一群热情的科学家欢迎了她，把她奉为无可争议的“女王”。诺特赢得了早就应该得到的认可。在她去世后，爱因斯坦还在《纽约时报》上为她撰写了讣告，称她为“自女性接受高等教育以来最重要的天才”。[3]

冷静点，小家伙

轻子数也是诺特定理得到的守恒量之一，不需要是顶尖科学家就可以得出这个结论：宇宙中轻子的数量保持恒定。这是个对称性定律，但令人恼火的是，它在纸上看起来太对称了，而有一个已知的过程似乎造成了对称性破缺。

这个过程叫“β衰变”，由居里夫人（另一位物理女王）发现。当一个不稳定的原子核中心的一个质子转变成一个中子时，就会发生β衰变，而且似乎是随机的。发生β衰变的时候，原子吐出一个电子，电子会迅速远遁，然后被人类检测到，并被命名为“放射性”。

根据诺特定理，这是有道理的，因为电荷必须守恒。如果一个不带电的中子转变成带正电的质子，就会产生一个带负电的电子。但如果轻子数是守恒的，那这是否打破了诺特定理，在以前没有电子的地方产生一个电子呢？

沃尔夫冈·泡利（击垮德布罗意导波的家伙）提出的解释是，β衰变一定还产生了另一种粒子：某种不带电的反轻子。

恩里科·费米把这种假想的粒子称为“中微子”，意思是“微小的中性粒子”。25年来，我们一直在追寻这种粒子，试图证明诺特是正确的。很可惜，中微子是物理学中最不起眼、最难发生相互作用的粒子，所以这并没有那么容易。

太阳核心的质子和中子不断地相互转换，想象一下在这个过程中产生的中微子。光子从太阳中心到太阳表面需要大约一万年，途中的每个粒子都会吸收并重新发射光子。中微子在23秒内也经历了同样的旅程。

地球不断被太阳产生的中微子轰击，中微子穿过地球的时候不会有任何迟疑。当你读到这句话的时候，大约有650亿个中微子从你小拇指的指尖穿过。

为不喜欢被探测的东西建造探测器是很困难的。世界上最大的中微子探测器是日本飞驒市附近的超级神冈探测器（Superk），它位于一座山的地表下1,000米处（为了过滤宇宙射线）。

Super-K有一个能容纳5万吨高纯水的水槽，每秒钟都有数万亿个中微子通过，但大多数中微子什么都不做。可是每隔一段时间，它们就会击中原子中的一个电子，我们可以探测到一丝微弱的光芒。

中微子被证明是真实存在的粒子，所以轻子数是守恒的。人们花了四分之一个世纪才找到它们，但它们也是诺特定理的绝佳证明。对了，中微子当然也有三代，分别是电中微子、μ中微子、τ中微子。

弱的表现

中微子之间几乎没有相互作用，这是因为它们没有属性，也不与我们熟悉的场耦合。它们没有色荷，因此不与胶子场交流；它们没有电荷，因此不与电磁场／光子场交流。

但中微子偶尔会与电子相互作用。而且，我们知道上夸克变成下夸克时会激发出中微子，所以中微子一定与某个场发生相互作用。这里说的是一个很弱的场，我们称之为“弱场”。没有开玩笑。

上夸克带+2/3个电荷，当它变成带-1/3个电荷的下夸克时，会损失+1个电荷。我们总是认为电荷留在原地不动，但弱场可能违背了这一假设。

弱场可以以带正电荷的虚“弱粒子”的形式带走夸克中的正电荷。然而，虚粒子不会长久存在，它很快就会衰变，并且把能量转移到正电子和中微子场中，从而使电荷数与轻子数守恒。我们可以这样解释上夸克变成下夸克：

从下往上读，先从上夸克开始。上夸克与弱场耦合，产生了带正电的弱粒子（W+），而自身变成了下夸克。

带正电的弱粒子随即衰变，产生了一个普通的中微子（用字母ν表示）和一个正电子（如图，电子e上有一个短横），使电荷守恒。相反的过程也会发生，只是W+粒子变成W-粒子。

你可能正在给弱场粒子想一个很酷的名字，与光子和胶子相对，但恐怕到这个时候所有科学家都觉得有些无聊了，他们很悲剧性地称之为“W粒子”：带正电的叫W+，带负电的叫W-。

粒子需要一种属性才能与弱场耦合，并激发出W粒子，这种属性叫“弱同位旋”，它有两种，+1/2和-1/2。夸克、轻子和中微子都有弱同位旋，但它们的耦合常数很低，我们极少看到这种影响。

但是，以埃尔温·薛定谔的猫的幽灵之名，中微子相碰时会发生什么？它们都有弱同位旋，这意味着它们之间能产生虚粒子。这不可能通过W+和W-的相互作用产生，因为中微子不带电。一定还存在第三个不带电的弱粒子，谢尔顿·格拉肖把它命名为“Z粒子”，我猜“Z”代表零（zero）电荷。

1973年和1983年，Z粒子和W粒子在瑞士的加尔加梅勒探测器上被发现。［加尔加梅勒（Gargamelle）这个名字来自弗朗索瓦·拉伯雷（Fran?ois Rabelais）的小说《巨人传》（The Life of Gargantua and of Pantagruel）中的巨人，而不是《蓝精灵》（The Smurfs）中无能的坏蛋格格巫（Gargamel）。］

Z粒子和W粒子的发现证实了中微子的行为和弱场的存在，再一次证明了诺特的对称性定理是正确的。现在你可能已经知道了，量子力学就像来自地狱的魔方，一旦拼好一面，就立刻搅乱其他几面。

完全无用的想法

量子场论涉及两种物体：物质粒子（夸克、电子、中微子）和相互作用的场粒子（光子、胶子、W粒子和Z粒子）。

物质粒子统称为“费米子”，拥有空间等属性；传递力的粒子统称为“玻色子”，能够相互重叠。

你的身体由费米子（电子和夸克）构成，因此你占据一定的体积。而一束光由玻色子（更确切地说是光子）构成，这就是手电筒的光能相互穿过，而不像激光剑那样相互碰撞的原因。在这方面，玻色子令人失望。

当粒子与弱场相互作用时，电荷会发生变化，所以很明显，弱场和电磁场是耦合的。早期关于弱场的量子场论叫“量子味动力学”（QFD），但由于弱场和电磁场能相互交流，因此关于光子和弱场相互交流的完整理论叫“电弱理论”，它为史蒂文·温伯格、阿卜杜勒·萨拉姆和谢尔顿·格拉肖赢得了诺贝尔奖。私下里我把这种理论叫“量子电弱动力学”，首字母缩写是QEWD。

这是个非常对称的理论，但这种优雅也是它的最大缺陷，因为光子场和弱场是截然不同的。

W粒子和Z粒子只有短程作用，而光子可以持续传播。弱核力需要三种不同的粒子，而电磁力只需要一种。最大的对称性破缺在于：W粒子和Z粒子有质量，而光子没有质量。这不是我们所期望的能传递力的、能重叠的玻色子，所以一定有某种东西打破了光子场和弱场之间的对称性。

20世纪60年代中期，罗伯特·布绕特、弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯分别独立地想出了相同的解决方案。他们建议保留这种电弱对称性，方法与泡利解决轻子对称性一样：增加一种新的场／粒子。

他们认为，在宇宙的诞生之初，在创世的摇曳之刻，电磁场和弱场是相同的，但还有第三种场隐匿在背景之中，当这种场“开启”的时候，一切都改变了。

这种场跟其他场不同，它的静态值不为0，在任何地方都是实数。由于这种不同寻常的性质，这种场可以创造出几种不同的粒子，而不是只有一种粒子。这些量子被称为“戈德斯通玻色子”，以物理学家杰弗里·戈德斯通的名字命名。戈德斯通玻色子主要与弱场耦合。

弱场粒子就像光子一样，没有质量、没有范围，但与戈德斯通玻色子耦合之后，它们的性质就发生了变化，变成W+粒子、W-粒子和Z粒子。

我喜欢想象这样的场景：弱场小心翼翼地覆盖在这个奇怪的场上，就像墙纸贴在墙上。墙壁表面有三个凸起（戈德斯通玻色子），贯穿了薄弱的墙纸，在业余观察者看来，它们就是三种弱场粒子。

由于光子场不与这第三个场耦合，其粒子的性质保持不变，也就是我们所熟知的光子。对称性成功地破缺了—前提是你能够探测到这个奇怪的场。毫无疑问，你不能。

非零场在创世之初“开启”，存在三种不同的粒子，这个概念不仅奇异，而且无法验证，因为戈德斯通玻色子隐匿在弱场之中，是不可见的。

布绕特、恩格勒和希格斯提交了他们的想法，但被所有期刊拒绝了，其中一份期刊甚至回复说：“与物理学没有明显的关联。”[4]它在数学上很简洁，但无法验证，因此希格斯向研究团队的一名成员抱怨说：“这个夏天我发现了一些完全无用的东西。”[5]

破缺的镜子

既然我们知道这个故事有一个圆满的结局，那我们就应该仔细看看这个新场。一些文献中提到弱场粒子“吃”戈德斯通玻色子，这是怎么发生的？答案与一种粒子属性有关，这种属性看起来也是完全无用的，所以我们一直没有提到。

电荷、色荷、自旋、弱同位旋等，这些属性决定了粒子如何与不同的场相互作用。而狄拉克的量子场论预测了另一种粒子属性，叫作“手性”，它是粒子的一种属性，完全没有用。

我们可以用数学语言描述手性，但它没有明显的物理意义。我们只知道每一个粒子／场似乎从一种手性振**成另一种手性，就像钟表的指针“嘀嗒嘀嗒”地来回摆动。手性有两种，我们分别称之为“左手性”和“右手性”。这并不是说粒子会像蹦迪一样在空中交替挥舞小手—尽管它们可能这样做。我们不知道。

在量子史上的大部分时间里，手性都只是在方程里从左到右来回跳跃，什么用也没有。粒子从一种手性翻转成另一种手性，然后翻转回来，之后再翻转，再回来，直到弱场出现。

1956年，吴健雄和她的团队用钴原子做实验，以测试弱核力的对称性。无论粒子朝向哪一边，强核力和电磁力都是相同的，但吴健雄发现，弱核力打破了对称性，只有左手性的原子才激发放射性衰变。

尽管夸克这样的粒子一直有弱同位旋（弱场的属性），但只有左手性的夸克能与弱场相互作用。我们说左手性粒子有“+1个弱超荷”，右手性粒子有“0个弱超荷”，弱超荷决定了粒子是否与弱场耦合。

此时此刻，你开始觉得整个量子力学就是一堆在大爆炸期间随机分配的属性，让人感觉莫名其妙，但如果你希望物理定律变得更有条理，恐怕你就需要另找一个宇宙了。我推荐蒂姆·詹姆斯是蝙蝠侠存在的那个宇宙，如果你已经在了，请留在那里。

闭嘴嚼玻色子

我们回到Z玻色子—一个没有色荷也没有电荷的粒子。它本质上是一个光子，但有两点不同：Z玻色子有质量，左手性的Z玻色子能与弱场耦合。

Z玻色子的属性在“能与弱场耦合”及“不与弱场耦合”之间交替，因此它的弱超荷也在+1和0之间来回变换。但注意，你看谁正在从山顶向我们走来？埃米·诺特！

“你猜怎么着？”她说，“弱超荷也是守恒的。”诺特心满意足地看着自己造成的伤害，淡然离去。

按照诺特的理论，如果Z玻色子开启或关闭弱超荷，那么这个属性一定去往某处或来自某处。弱超荷是一种守恒性质，不会凭空产生或凭空消失。一定还有一个场，它能够从Z玻色子吸收弱超荷，或者向Z玻色子提供弱超荷。这个场就是布绕特-恩格勒-希格斯场。

每次Z玻色子变成左手性的时候，它就从场中吸收弱超荷（吸收一个戈德斯通玻色子）；当它翻转成右手性的时候，它就把弱超荷退还给场（释放一个戈德斯通玻色子）。

我把Z粒子想象成一种发条假牙玩具，它不断地开合，同时吞噬或吐出弱超荷。

下面这张费曼图表示一个Z粒子不断地与布绕特-恩格勒-希格斯场混合与脱离，所以当我发现一个Z粒子的时候，也就“在它的嘴巴里”发现了戈德斯通玻色子。

这张费曼图显示了一个Z粒子呈之字形运动，从左手性（L）跳到右手性（R）。它最开始处于左手性，接着翻转成右手性，并释放一个携带弱超荷的戈德斯通玻色子（见图中虚线）。它暂时处于右手性，接着翻转成左手性，并吸收了一个戈德斯通玻色子，重新获得弱超荷。如此周而复始。

谁在乎呢

当两个粒子相互作用时，它们的场就会耦合。但如果一个粒子不断地改变自己的手性，耦合就会消失。

这就好像一个Z粒子每隔几秒就会变换心情，从愉悦、振奋变得阴郁、古板一样。如果你想给Z粒子讲一个笑话，就必须抓紧时间，因为它会随时变得不苟言笑，你们的互动将不复存在。或者如果你想告诉它宠物马的死讯，也必须抓紧时间，因为你马上就会想出一个关于死马的双关语，并把笑意浮现在脸上。

当Z粒子翻转手性时，它变得更难与之相互作用，而这样的粒子不容易被影响。Z粒子会像子弹穿过烟雾一样穿过周围的各种场，但不改变手性的粒子更容易受影响。

换句话说，快速翻转手性的粒子倾向于保持原来的轨迹，而缓慢翻转手性的粒子很容易偏离航程。我们只需要描述重物体和轻物体之间的区别。

光子能被反弹，是因为它没有质量；而Z粒子不容易被抓住，动量保持不变，这意味着它很重。手性翻转被认为是质量的来源，因此是布绕特-恩格勒-希格斯场使Z粒子有质量，而光子没有质量！

不仅仅是Z粒子。μ子手性翻转的速度比电子更快，这意味着它更难减速，因此μ子比电子更重。当然，事实也是如此。

事实上，W+粒子、W-粒子、电子、μ子、τ子和所有的夸克都在不断地翻转手性，这意味着它们的超荷需要通过布绕特-恩格勒-希格斯场守恒。每一种粒子都通过所谓的“汤川耦合”机制与这个场耦合，这非常合理地解释了为什么粒子一开始就有质量。你看，现在手性不是无用的了吧？

神圣的质量守恒对称性破缺，蝙蝠侠！

正如我们已经看到的，我们没有办法探测布绕特-恩格勒-希格斯场。戈德斯通玻色子允许粒子手性翻转（获得质量），它与粒子混合在一起，我们无法探测到单独的戈德斯通玻色子。

事实上，诺贝尔奖得主利昂·莱德曼写了一整本书描述自己的挫败。他原本起的书名为《该死的粒子》（The God-damn Particle），因为戈德斯通玻色子太难找了。可惜出版商不同意这个书名，所以莱德曼简化成《上帝粒子》（The God Particle），这个名字的争议就少很多。[6]

那么，当粒子总是与其他粒子混在一起时，我们要如何检测它对应的场？在这个方面，彼得·希格斯比另外两人走得更远，这也就是为什么人们开始把整个场叫作希格斯场（也许也因为更顺口）。

希格斯场与其他场都不同，因此希格斯认为它可以做一些新奇的事情：携带振**波。其他场在空间中的每一点都有0值，但希格斯场没有，如果你给它足够的振**，你就可以向它发送瞬时压缩，作为希格斯场中的瞬时量子被检测到。这就是希格斯玻色子。

从学术上来说，希格斯玻色子并不有趣，它只是证明了希格斯场的存在，这就是物理学家在2012年很难解释它的原因。大型强子对撞机的圆周为27千米，造价为90亿美元，并且每年还要花费10亿美元运行这台机器，大约消耗1.3太瓦(1)的电力。因此如果记者非常平和地问“希格斯玻色子是做什么用的”，而你回答“它什么都做不了”，这个回答就实在是太不明智了。

希格斯场和戈德斯通玻色子的确做了一些有趣的事情，但它们太狡诈了，所以我们必须在场中创造一个没有意义的粒子，看戈德斯通玻色子是否在那儿。希格斯玻色子并没有赋予粒子质量，但它证明粒子获得质量的理论是正确的。这就是大型强子对撞机的作用。

取一束强子（夸克组成的粒子），把它们发射到巨大的隧道之中，隧道通过电磁力使强子循环加速，就像一个巨大的离心机。这些强子的速度达到光速的99.9%，温度比太空稍低，然后使在循环中的不同点撞击在一起，释放出的能量最终分布在整个场中。

有时你会听到这样的描述：就好像夸克撞在一起，里面的粒子掉出来。但这是不对的。夸克里没有粒子，但它们撞在一起的时候会释放巨大的能量，这些能量会转移到其他场中。撞击也产生了电子、μ子、τ子、中微子、反物质、胶子、光子、W粒子、Z粒子，如果足够幸运，就会撼动希格斯场，而我们就能从读数中看到一个微小的光点。

2012年7月4日，这一重大发现终于在法国一个拥挤的演讲厅里被公布。演讲只用了一张PPT，上面是漫画字体，但也毫不逊色。人们终于发现了具有希格斯玻色子预期属性的粒子。

掌声响起的时候，听众席里的彼得·希格斯开始哭泣。他48年的研究结束了，他的假设得到了证实。

埃米建的房子

量子场论中粒子的完整列表非常庞大。以夸克的数量为例，最开始有6个主要的场：上夸克、下夸克、粲夸克、奇夸克、顶夸克和底夸克，每种夸克都有3种可能的色荷（红、绿、蓝），因此共有18个粒子／场；接着，我们还要考虑所有的反物质夸克，加起来是36个，如果还要考虑左手性和右手性，那就是72个。

然而，大多数变种都非常像，所以与其把所有可能的粒子放在一个粒子周期表中，我们不如画一个简要的列表，如下：

你所看到的，是我们把一个世纪以来的科学实验和诺特定理的对称性结合在一起。

诺特奠定了基础，狄拉克、费曼、盖尔曼、温伯格、格拉肖、希格斯等许多人创造了这个精巧而美丽的复杂结构。

这被称为粒子物理的标准模型，因为它建立了每一种粒子以及它们之间每一种相互作用的理论模式。这是物理学的最高成就。

对一些人来说，大型强子对撞机似乎是一种浪费。但是请记住，这是一台用于测试宇宙最伟大理论的机器。量子场论和诺特定理给我们提出了最宏大的问题，因此我们创建一个最宏大的答案是理所当然的。

(1)　1太瓦=1012瓦—译注