“上帝粒子”與終極真理

| 文 ·崔人元

即使這回找到的真是“上帝粒子”，也不會像上帝一樣是全能的，“標準模型”只是人類認識宇宙的偉大進步，人類對宇宙的終極真理的認識，還有很長的路要走

黑格斯玻色子的示意圖

2012年7月，有5個周一、5個周二和5個周日，你沒有注意到吧？這種現象每823年才發生一次。7月16日，月亮、金星和木星在天空形成笑臉；7月25日，火土合月。天象大吉呀！你在7月可有喜了？

對于想弄清宇宙終極真理的科學界來說，喜報頻傳。7月3日和4日，美國費米實驗室和歐洲核研究組織相繼十分高調地宣布，發現了一種亞原子粒子，極可能是有“上帝粒子”之稱的“黑格斯玻色子（Higgs boson）”。

你在普遍奉行庸俗實用主義的當下中國，盡可理直氣壯地問：黑格斯玻色子有什么用？答：除了支持物理學的“標準模型（Standard Model）”理論，現實中尚無用——但無用之用，多是大用。此時此刻，正如彼時刻——1897年，湯姆遜發現了電子，其實在現實中也是無用之用，而電子已經與今日人們的生活密不可分了。

發現“基本粒子”的歷程

我們所生存的這個宇宙，是大約137億年前從一個質點的“大爆炸”而“無中生有”地產生的。而宇宙萬物是由數種相同的微小粒子構成的，認識這些粒子及其構成宇宙萬物的機制，具有重要的科學意義。

黑格斯

科學家們原來認為原子是構成物質世界的最小粒子，而電子的發現打破了原子“不可分”的觀念，又打破了物質結構的“終極”觀念，科學家們面臨一個陌生的美麗新世界。科學家提出“基本粒子”概念，指構成物質的最基本、最小單位的粒子，開始以為是亞原子結構，但后來認識到“基本粒子”也有能再細分的復雜結構，即基本粒子的定義隨著人類的認識而有所變化。質子、中子的大小只有原子的1/100000，而輕子和夸克的大小還不到質子、中子的1/10000，在現有最高倍的電子顯微鏡下也不能觀察到。

發現電子不久，科學家們發現了放射性；上世紀20年代，利用放射性射線這把“刀”切割原子，發現其由原子核和電子構成；上世紀30年代，用放射性射線轟擊原子核，又發現原子核由質子和中子組成。約在同期，還發現原子核的弱衰變中一定伴有不帶電的中微子。上世紀40到60年代，用外層空間高能的宇宙射線和人造高能加速器，發現了多種亞原子結構的粒子。科學家們把所認識到的粒子分為輕子（lepton）和強子（hadron）兩類。

至今實驗上還沒有發現輕子有任何結構，所以常被認為是最基本的粒子之一。除了電子e-，1953年，發現電子中微子 e；1962年，發現μ子μ-和μ子中微子 μ，且中微子有不同類型；1975年，發現了τ子τ-；2000年，發現τ子中微子 τ。即“標準模型”中的12種基本輕子都已在實驗中發現了：3種帶一個單位負電荷的粒子e-、μ-、τ-及與之對應的3種不帶電的中微子 e、 μ、 τ，加上這6種粒子各自的反粒子。

上世紀60年代，蓋爾曼和茨威格提出，強子是由更基本的粒子“夸克”（quark，此詞來自喬伊斯小說《為芬尼根守靈》中的詩句）組成的?？淇藥в蟹謹惦姾?，是電子電量的2/3或-1/3倍，自旋為1/2。最初提出有3種（稱作“味”）夸克，分別是上夸克u、下夸克d和奇異夸克s。上世紀70年代，發現J/ψ和Υ粒子，又引入粲夸克c和底夸克b。1994年發現頂夸克t，許多人認為這是最后一種夸克。這6味夸克也各有相應的反夸克。強子包括重子（baryon）和介子（meson）；在夸克模型中，重子即是由3個夸克組成的復合粒子或3個反夸克組成反重子，介子是由1個夸克和1個反夸克組成的束縛態，這一對夸克和反夸克可以是不同味的。

夸克和輕子兩個家族可分為3代。第1代的粒子質量最輕，而第3代的粒子最重?，F存的物質主要是由第1代的基本粒子組成，而第2、3代粒子大多已衰變成為第1代粒子。輕子和夸克是科學家們迄今認識的物質最小單元的最前沿。

四種力及“標準模型”理論

構成物質的微粒之所以能聚集到一起，是因為微粒之間有相互作用力“拉聚”它們。牛頓首先發現了萬有引力；科學家們后來又發現了電磁作用力，而放射性與電磁力和強作用力、弱作用力都有關。即物質間已知的基本相互作用力有四種：萬有引力、強作用力、弱作用力和電磁作用力。引力和電磁力，憑著肉眼的經驗也能察覺，即它們在日常尺度上還有明顯不為0的強度。強作用和弱作用只在原子核的尺度內，才有明顯不為0的強度，超出微小的距離則速趨于0；強作用的力度又比弱作用大得多。輕子是只參與弱相互作用、電磁力和引力作用，而不參與強相互作用的粒子；強子是所有受到強作用力影響的亞原子粒子。量子物理學認為，粒子之間的基本相互作用是通過“交換”某種粒子來傳遞的，即基本相互作用力都是由媒介子（mediator）傳遞的。

由上可知宇宙間的基本粒子有：輕子、夸克和媒介子。量子物理學里，所有這些粒子都有標定各自基本特性的四種量子屬性：質量、能量、磁矩和自旋。按這些粒子在高密度或低溫度時量子屬性（主要是自旋）的不同，在量子物理學中又分成兩大類：一類是以費米的名字命名的“費米子（fermion）”，另一類是以玻色的名字命名的“玻色子（boson）”。費米子的自旋為半整數，費米子遵循費米—狄拉克統計規律和泡利不相容原理，即沒有任何兩個費米子能有同樣的量子態，即在同一時間同一地點不可能有特性（電荷、動量和自旋朝向等）完全相同的費米子，就像飛機上同一個座位不能同時坐著兩個孿生乘客。玻色子的自旋為0或整數，由玻色子或偶數個費米子組成的復合粒子的自旋也是0或整數（即也是玻色子），玻色子遵從玻色—愛因斯坦統計規律，但不遵守泡利不相容原理，即一個量子態可以容納無窮多個玻色子，所以低溫時可出現玻色—愛因斯坦凝聚現象。在形成宇宙萬物中，費米子和玻色子的“用途”是：費米子是構成物質的粒子，玻色子是傳遞作用力的粒子（又統稱為規范玻色子），或說費米子通過玻色子的聯結作用，而形成了物質世界。

楊振寧

美國科學家費米

愛因斯坦的相對論解決了重力問題之后，理論物理學家開始嘗試建立統一的模型，以解釋通強作用、弱作用、電磁作用三種力相互作用的所有粒子?？茖W家們較早認識到，電磁力和強作用力在相對論變換下都具有“矢量（軸矢量）”的性質；1956年，李政道、楊振寧提出宇稱不守恒，開辟了認識弱作用也有矢量（軸矢量）性的正確道路。強作用、弱作用、電磁作用三種作用力都有這種性質，保證了它們可能成為與時空聯系起來的規范相互作用，這為后來建立標準模型起了重要的作用。而1954年，楊振寧和米爾斯提出“楊—米爾斯理論”，為現代規范場理論——非阿貝爾規范理論奠基。1962年，格拉肖在楊—米爾斯理論基礎上初步提出弱作用和電磁作用的統一模型。1964年，黑格斯機制（自發破缺機制）在理論上成功地解決了規范場量子的質量問題。為溫伯格和薩拉姆的弱電統一模型的提供了重要的基礎理論。1968年，溫伯格和薩拉姆在黑格斯機制和格拉肖的基礎上完善了電弱統一理論，這是后來標準模型的重要基礎。1972年，特霍夫和威特曼證明具有自發破缺的規范場論是可重整的，可重整是后來建立標準模型的重要原則。1973年維爾切克、格羅斯和波利策提出一種關于夸克的漸近自由理論，解釋了質子和中子的成分夸克為何從來都不會分離，這導致了量子色動力學的誕生，量子色動力學也是標準模型的重要基礎。

1975年，格拉肖等在前述科學探索的基礎上，把弱作用、電磁作用、強作用三種作用力統一起來建立了標準模型。由于引力的強度很弱，在構成日常尺度物體時可完全忽略，所以，標準模型在四種基本相互作用力中只涉及強作用、弱作用和電磁作用三種力，讓這三種基本相互作用“原初性”地作用在夸克和輕子之間，其相互作用的形式都由具體的規范對稱性規定，其中的強作用、弱作用還能在各自的量子（規范場粒子）之間作用，因而能成功地把它們相對統一起來，用以解釋組成宇宙萬物的最基本粒子及其間的交互作用力。標準模型所涉及的是極其微觀的物質世界規律理論，在這個世界中，所有物質單元都具有粒子及波動二相性，且符合20世紀前期建立的量子力學和狹義相對論兩個理論體系中的量子化和相對論性規律。量子論和相對論的結合推動了量子場論的建立，量子場論是粒子物理的主要理論工具，也是標準模型的基礎理論。標準模型中，對應萬有引力、強作用力、弱作用力和電磁作用力的媒介子分別是：引力子（尚未在實驗中發現引力子）g、介子或膠子（gloun）、玻色子（如W±、Z0）和光子γ。

黑格斯玻色子為什么是“上帝粒子”

有多位物理學家在探索標準模型理論的過程中獲得了諾貝爾獎。但在建立標準模型的過程中，有一個“攔路虎”，不去除則后邊一切都免談——自從1666年蘋果砸中牛頓，牛頓發現了萬有引力之后，物理學家就在尋找什么是質量？質量從何而來？輕子、夸克及傳遞的弱作用規范粒子都是具有靜質量的量子，但用一般方法“產生”質量，規范場粒子的規范性質，會破壞色荷、電荷或時空的對稱性（洛侖茲不變性）。或者說，統一描述電磁作用和弱作用的對稱性必須是自發破缺的，否則所有粒子都將沒有質量。自發破缺就是某一個場在能量的最低態（即真空態）不具有這種對稱性。

1964年，英國物理學家黑格斯（今年83歲）提出，存在一個不帶色荷和電荷的標量粒子場（稱黑格斯場），能夠在真空態具有非0的取值（即真空期望值）實現電弱對稱的自發破缺——電磁作用和弱作用在能量低于一定條件后將呈現為不同的相互作用；進而預言存在黑格斯玻色子，黑格斯玻色子是物質的質量之源，其他粒子在黑格斯玻色子構成的場中，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。即是說，黑格斯場造成物理真空的對稱性破壞，而實現規范粒子質量的“產生”。

印度科學家玻色

通俗地說，黑格斯提出，在宇宙大爆炸中，黑格斯玻色子使粒子得到質量（萬有引力則將質量變成重量），使星辰得以誕生。如果沒有質量，粒子只會以光速亂竄，無法結合起來成為物質世界。黑格斯假定宇宙間存在一片波浪場，無數的黑格斯玻色子減慢了粒子的飛行，就像蜜糖粘住蒼蠅一樣，并使粒子獲得質量。越容易碰撞黑格斯玻色子的粒子，越難以被加速。黑格斯粒子具有質量，在宇宙創生之初完成使命之后即衰變了。黑格斯理論被視為了解宇宙的關鍵。

標準模型理論認為的基本粒子可以分為輕子、夸克、規范玻色子和黑格斯玻色子四大類，所有的粒子在強作用、弱作用和電磁作用三種力的框架內相互作用，統一在標準模型之下。這個理論看似完美和諧，其預言的62種基本粒子中，迄今已經被實驗證實了61種，但第62種即黑格斯玻色子，雖然早幾年前就有消息說在實驗中發現了，但至今還未最終確證其是否存在，這也成為標準模型的命門。

黑格斯堅信有黑格斯玻色子存在，但當別人提到“黑格斯玻色子”時，黑格斯總是誠惶誠恐，因為他覺得“不配用自己的名字”命名這種粒子；而且對“上帝粒子”的外號更加反感，因為黑格斯堅稱自己是無神論者。這個外號來自諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼在1993年的科普著作《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是問題？》，萊德曼后來說自己本來叫它“Goddamn particle（××粒子）”，但書商覺得三俗，改成了“God particle”。這本書中的結尾表達了物理學家們對找到“上帝粒子”的期望：“天空中出現了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調彌撒曲莊嚴、高潮的和弦配樂下，也可能是在斯特拉文斯基的短笛獨奏《春之祭》中，天空中的光慢慢地變成了上帝的臉，微笑著，但帶著極度甜蜜的悲傷表情。”

霍金打賭100美元，懷疑有黑格斯玻色子的存在，不過這次他很可能要輸了——他也不是頭一次在科學打賭中輸了。霍金在其著作《大設計》中說，宇宙創生之初，至少人格（或神格）化的上帝沒有起作用。而我從佛教的經典看，如果實驗證明存在黑格斯玻色子，也不過是又一次證明了佛陀關于宇宙創生的說法——佛教也是無神論的宗教。本文講科學，文字又長又不輕松，此話題就按下不表也。

未來之路

不管黑格斯玻色子是否存在，標準模型都是物理學取得的最重大成就之一。

如果存在黑格斯玻色子，標準模型也只能解釋4%的宇宙，占宇宙質量96%的暗物質仍然沒有得到解釋（近來有科學家認為，黑格斯玻色子可能有多種，黑格斯玻色子就是暗物質）。而且，標準模型未包括引力，標準模型能否成為真正的統一理論，還有待于科學的進一步發展。有理論認為標準模型的四類粒子之外可能存在質量非常大的超粒子和尚未預言出的新粒子。如果存在黑格斯玻色子，標準模型內還有一些問題也解釋不了：例如，根據量子原理，黑格斯玻色子應該會表現出能量的不確定；標準模型“馴服”不了黑格斯玻色子。

人類要認識宇宙終極真理，還有很多路要走。科學家們已在標準模型之后提出了不同的理論，進行了不同的探索。馬克思說：“在科學上沒有平坦的大道，只有不畏勞苦，沿著陡峭山路攀登的人，才有希望達到光輝的頂點?！?/p>