彼得·希格斯。（來源：愛丁堡大學網站）

4月10日，英國愛丁堡大學發布的訃告中表示，物理學家彼得·希格斯于當地時間4月8日去世，享年94歲。他曾成功預測

有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子（即希格斯場所對應的粒子）存在。

1929年，彼得·希格斯出生在泰恩河畔紐卡斯爾。1960年，他畢業于倫敦國王學院，1960年到1996年期間，希格斯曾在愛丁堡大學任教。20世紀60年代，希格斯在理論研究中預言了希格斯玻色子的存在。

48年之后，2012年7月4日，酷似希格斯玻色子(Higgs boson)的新粒子在日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)被發現，這被視為是“過去30年甚至40年間物理學最大的新發現之一”。在粒子物理學的所謂“標準模型”(standard model)中，以希格斯預言并命名的“希格斯玻色子”意味著希格斯場(Higgs field)的存在。希格斯場是一種原本不可見的、遍及整個宇宙的能量場——假如沒有希格斯場的話，那么組成你、我和可觀測宇宙的基本粒子就不會有質量。“希格斯玻色子”因其重要性和難以尋覓性，被大眾媒體稱之為“上帝粒子”。

2013年，彼得·希格斯與比利時理論物理學者弗朗索瓦·恩格勒因預測“希格斯玻色子”的存在而獲得諾貝爾物理學獎。

在《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》一書中，科普作家吉姆·巴戈特回顧了基本粒子物理學的百年家史，講述了尋找“上帝粒子”之旅中交織著成功與失敗的傳奇故事。

以下內容節選自《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》，較原文有刪節修改。已獲得出版社授權刊發。

《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》，吉姆·巴戈特 著，邢志忠 譯，上海科技教育出版社，2023年10月版。

物質可以擁有多種不同的形式

世界是由什么組成的？

諸如此類的簡單問題始終在測試人類的智力，只要人類還能夠做理性思考。當然，如今我們問這個問題的方式已經變得更加精細和微妙，而提供答案已經變得更加復雜和昂貴。但毫無疑問，在我們的內心深處，這個問題依然非常簡單。

2500年前，所有的古希臘哲學家孜孜以求的是他們對自然界的美麗與和諧的感覺，以及他們的邏輯推理和想象的能力。他們把這種能力應用于那些以自己獨立的感官所能察覺到的事物。從歷史的角度來看，不同尋常的只是他們能夠在多大程度上解決問題。

希臘人謹慎地把形式（form）和實質（substance）區分開來。世界是由物質組成的，物質可以擁有多種不同的形式。公元前5世紀的西西里哲學家恩培多克勒（Empedocles）認為，這種形式上的多樣性可以簡化成四種基本的形式，就是我們今天所知的“古典元素”（classical ele?ments）。它們是土、氣、火和水。人們斷定這些元素是永恒的和不可毀滅的，它們以相當浪漫的組合方式通過“愛慕”（Love）的吸引力而結合在一起，并通過“沖突”（Strife）的排斥力而分離開來，從而構成了世間萬物。

起源于公元前5世紀的另一個學派認為，世界是由微小的、不可分的而且不可毀滅的物質粒子［叫作原子（atom）］組成的。該學派的代表人物是哲學家留基伯（Leucippus），還有與之關系密切的學生德謨克利特（Democritus）。原子代表所有物質的基本組分，負責構成所有的物質。所以留基伯指出，從原則上來說，原子是必不可少的，因為物質必定不是無限可分的。假如物質是無限可分的，那么我們就能夠把物質無止境地分下去，一直分到什么都不剩，而這顯然與看起來無懈可擊的物質守恒律相矛盾。

大約一個世紀以后，柏拉圖（Plato）發展出一套理論，可以解釋原子（即實質）是如何構建的，從而組成四種元素（即形式）。他用幾何體（或柏拉圖多面體）來描述每種元素，并在《蒂邁歐篇》（Timaeus）中指出：每個多面體的表面可以進一步分解成三角形（代表元素的組分原子）體系。重新排列三角形的圖案就等同于重新排列原子，因此有可能把一種元素轉化成另一種元素，并把元素結合在一起以產生新的形式*。應該存在某些最基本的組分，作為不可否認的實在，它們構成了我們放眼望去所看到的物質世界的基礎，并將形式和形狀賦予了它。這一點似乎是符合邏輯的。如果物質是無限可分的，那么我們就會面臨一個問題：那些組分本身變得相當短命，結果就是什么都不存在了。

于是物質世界的基本組分不存在了，剩下的只是一些不可思議的、非實質的幽靈之間的相互作用，它們導致了實質的出現**。上述觀點也許令人難以接受，但這在很大程度上正是現代物理學已經證實了的東西。我們現在相信，質量不是自然界的最基本組分所具有的固有特性或“主要”屬性。事實上，這種意義上的質量是不存在的。質量是完全由相互作用的能量組成的，而相互作用自然包括了無質量的基本粒子。

物理學家依舊在對物質分割來分割去，但最后卻一事無成。

直到17世紀初期、正式的實驗哲學發展起來之后，超越那種思辨性的思維方式才成為可能。思辨一直是古希臘人的理論所具有的特征。舊式哲學試圖憑借直覺認識物質的本質，但哲學家們對現象的觀察會被他們的偏見污染，這種偏見在于他們先入為主地認為世界應該是怎樣的。如今，新時代的科學家們拿自然界本身做實驗，找出證據說明世界實際上是怎樣的。

人們主要關注的問題依舊是形式和實質的特性。質量的概念對于我們理解實質具有決定性的作用。質量衡量的是物體處于動力學運動狀態時所表現出來的物質的數量。一個物體對速度改變的抵抗能力被詮釋成它的慣性質量（inertialmass）。當施加相同的力時，質量小的物體與質量大的物體相比，其速度改變得更快一些。一個物體產生引力場的能力被詮釋成了它的引力質量（gravitation?almass）。月亮產生的引力要比地球產生的引力弱一些，原因在于月亮較小，所以擁有較小的引力質量。慣性質量和引力質量在現實生活中是等價的，盡管還沒有令人信服的理論能夠解釋為什么會是這樣。

在原子核中，

形式和實質合二為一了

科學家們也揭示了自然界之所以形式多樣的秘密。他們發現基本的希臘“元素”之一，即水并非像柏拉圖所猜測的那樣是由三角形所組成的幾何體構成的，而是由化學元素氫和氧的原子所組成的分子構成的。如今我們把水分子寫成H?O的組合形式。

“原子”是更為現代的用語，這個詞首先令人想起希臘人所賦予它的含義，他們把它詮釋成物質的不可分割的基本組分。但正當人們熱烈地辯論原子的真實性時，英國物理學家湯姆孫（Joseph John Thomson）在1897年發現了帶負電荷的電子。這似乎表明，原子進一步應該擁有亞原子層次的組分。

在湯姆孫的發現之后，接踵而至的是新西蘭人盧瑟福（Ernest Ruth?erford）于1909—1911年在曼徹斯特實驗室所做的實驗。這些實驗表明，原子的絕大部分空間是空空蕩蕩的。一個微小的、帶正電荷的原子核處在原子的中心，而帶負電荷的電子環繞著原子核運轉，就像行星環繞著太陽運轉一樣。物質的元素是由原子構成的，而原子的絕大部分質量集中在原子核。因此在原子核中，形式和實質合二為一了。

即使在今天，原子的“行星”模型依然是一個有說服力的、形象化的比喻。但在當時，物理學家們很快就意識到這樣一個模型其實沒什么意義。可以預期，這種行星式的原子在本質上是不穩定的。與圍繞著太陽運動的行星不同，帶電粒子在電場中運動時，會以電磁波的形式輻射能量。此類行星電子很快就會耗盡它們的能量，于是乎原子的內部結構將會崩潰。

這個難題的解決方案披著量子力學的外衣出現在20世紀20年代初期。電子不僅僅是粒子——一個可以被形象化為帶負電荷的小球體——它同時扮演著波和粒子的角色。它不是定域化了的東西，不像有些人所認為的那樣處在“這兒”或“那兒”，而是在其非定域的、幽靈般的波函數（wavefunction）所允許的邊界之內“無所不在”。電子并非如此這般地環繞著原子核運行；相反，其波函數在原子核周圍的空間會形成典型的三維圖案，我們稱之為“軌函數”（orbital）。與每個軌函數的數學形式相關聯的是在原子內部特定的位置——“這兒”或“那兒”——發現那個如今顯得完全不可思議的電子的概率（probability）。

（a）在盧瑟福的氫原子“行星”模型中，一個帶負電荷的電子占據一條環繞原子核的固定軌道，原子核是由一個帶正電荷的質子組成的。（b）量子力學用電子波函數代替了沿軌道運行的電子，能量最低的波函數（1s）的形狀是球對稱的。（c）在波函數的邊界之內，人們現在隨處都能“發現”電子的蹤跡；但是在舊的行星模型所預言的地方，電子被發現的概率最高。《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》內文插圖。

量子革命是一個

前所未有的、碩果累累的時代

從理論物理學和實驗物理學兩方面來看，量子革命都是一個前所未有的、碩果累累的時代。當英國物理學家狄拉克（Paul Dirac）在1927年把量子力學和愛因斯坦的狹義相對論結合在一起時，一個被稱為電子自旋（electronspin）的新性質脫穎而出。這是一種實驗物理學家已經知道的性質，暫且用電子繞著它的中軸線旋轉來解釋，就好像一個旋轉的陀螺，和地球圍繞著太陽轉動時也繞著中軸線自轉差不多。

狄拉克（1902—1984）。《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》內文插圖。

但這只是另一種形象化的比喻，人們很快就發現這種比喻事實上并沒有什么依據。如今我們把電子自旋解釋為一種純粹的“相對論性”的量子效應，其中電子可以占據兩種可能的“取向”（orientation）之一。這兩種取向分別叫作上旋（spin?up）和下旋（spin?down）。它們并不是在通常的三維空間中沿著特定方向的取向，而是在“自旋空間”（spinspace）中的取向。自旋空間只有兩維——上或下。

人們發現，在原子中每條軌道只包含兩個電子。這就是奧地利物理學家泡利（Wolfgang Pauli）在1925年所闡釋的著名的不相容原理，它規定電子不得占據相同的量子態（quantumstate）。

泡利（1900—1958）。《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》內文插圖。

該原理源自由兩個或多個電子所組成的復合態的波函數的數學形式。假設復合態是由兩個具有完全相同的物理特性的電子造就的，那么其波函數的振幅為零，即不可能存在這樣的態。要想使波函數的振幅不等于零，那么這兩個電子必須有所不同。這意味著在原子的軌道上，一個電子的自旋取向必須朝上，而另一個電子的自旋取向必須朝下。換句話說，它們的自旋必須一上一下地配對。

明智之舉是抵抗住誘惑，不要去想象這些不同的自旋取向的實際面目特征。不過，它們的效應足夠真實。自旋決定了電子所擁有的角動量的大小，該動量是與電子自旋的“轉動”相關聯的。自旋也決定了電子如何與磁場相互作用，人們可以在實驗室里面仔細地研究此類效應。但在量子力學中，我們對這些效應的起源似乎依然處于一知半解的狀態。

狄拉克關于電子的相對論性量子理論還給出了兩倍于他想要的解。其中兩個解對應著電子的上旋和下旋取向，那么另外兩個解對應什么呢？他是個有主見的人，不過他在1931年終于做出讓步：那另外兩個解描述的只能是以前不為人知的、帶正電荷的電子的上旋和下旋取向。狄拉克發現了反物質（antimatter）。“正電子”（positron），即電子的反粒子，后來在宇宙線（cosmicray）實驗中被發現了。宇宙線是由于高能粒子與地球的外層大氣發生碰撞而形成的。

1927 年，狄拉克把量子力學和愛因斯坦的狹義相對論結合在一起，創建了一個完全“相對論性”量子理論，于是電子自旋的性質脫穎而出。《希格斯：“上帝粒子”的發明與發現》內文插圖。

世界上所有的物質

都是由化學元素構成的

1932年，似乎最后一個未解之謎也水落石出了。英國物理學家查德威克（James Chadwick）發現了中子，它是一種電中性的、與帶正電荷的質子緊挨在一起坐落于原子核內部的粒子。物理學家們此時此刻似乎已經具備了所有的要素，能夠就我們尚不清楚的問題給出一個明確的答案。

答案是這樣的。世界上所有的物質都是由化學元素構成的。這些元素種類繁多，組成了周期表，從最輕的氫元素一直排到鈾元素。鈾是人們所知道的最重的、天然存在的元素。

每種元素都是由原子組成的。每種原子含有一個原子核，后者是由不同數目的帶正電荷的質子和電中性的中子組成的。每種元素的特性是由它的原子核中質子的數目決定的。氫元素的原子核含有1個質子，氦含有2個，鋰含有3個，等等。鈾元素的原子核含有92個質子。

圍繞著原子核的是帶負電荷的電子，它們的數目與質子的數目相等，使得整個原子呈電中性。每個電子可以取上旋或下旋的方向，而每條軌道可以容納兩個配成對的、自旋取向相反的電子。這是個包羅萬象的答案。利用質子、中子和電子等基本組分以及泡利不相容原理，我們可以解釋為什么元素周期表具有它所展現出來的結構。我們可以解釋為什么物質具有形態和密度。我們可以解釋為什么存在同位素（isotope）——同一元素的不同原子，在它們的原子核中質子的數目相同但中子的數目不同。只要稍微花一點力氣，我們就可以解釋化學、生物化學和材料科學的所有現象。

在以上的描述中，質量一點都不神秘。所有物質的質量都可以追溯到組成它的質子和中子，質子和中子的質量大約占了每個原子質量的99％。

讓我們想象一小塊由蒸餾過三次的水所形成的冰立方體。它的每條邊長為2.7厘米，或者說略微大于1英寸。把它拿起來，你會覺得它又涼又滑。雖然冰塊并不重，但你還是會感知到它在你手心中的重量。那么，冰塊的質量身居何處呢？

可以用很簡單的方法算出水的分子量，即對組成水分子H?O的2個氫原子和1個氧原子的原子核中的質子和中子求和。每個氫原子的核只含有1個質子，而氧原子的核包含8個質子和8個中子，因此1個水分子總共是由18個核子構成的。你握在手中的那塊純凈的冰的重量約為18克，等于以克為單位的分子量。所以冰塊代表的是對固態水的一種標準度量，稱為“摩爾”（mole）。

我們知道，1摩爾的物質含有固定數目的原子或分子，后者構成了該物質。這就是阿伏伽德羅常量，其數值略大于6×10的23次方。

原子不再是堅不可摧的

人們不得不接受的事實是，原子并非如希臘人所曾經認為的那樣，它們不再是堅不可摧的。原子是可以被改變的，可以從一種形式轉化為另一種形式。1905年，愛因斯坦利用他的狹義相對論證明了質量和能量的等價性。他是憑借那個后來成為世界上最有名的科學方程式，即E=mc2，完成了他的證明：能量等于質量乘以光速的平方。然而，這一結果不但無損于質量的概念，而且“質量代表了一個巨大的能量庫”的觀念在某種程度上使得質量的概念更加牢靠和充實。

質量的內涵雖然很豐富，但并非永遠不變。愛因斯坦證明了物質（質量）是不守恒的，它可以轉化為能量。當一個鈾235的原子被一個快中子轟擊而發生裂變時，單個質子質量的大約1/5在核裂變反應中轉化成能量。當把這一質能轉化的數量關系按比例放大到一個56千克重、由純度為90%的鈾235組成的原子彈彈芯時，所釋放出來的能量足以徹底摧毀一座城市。1945年8月，這一幕真實地發生在了日本廣島。

但愛因斯坦所苦苦追求的實際上是一種更深刻的真理。這一點在他那篇發表于1905年的文章的標題上已有所表露：“物體的慣性同它所含的能量有關嗎？”愛因斯坦的理解是，E=mc2的真實含義在于m=E/c2，即所有的慣性質量都是另一種形式的能量。這一見解的深刻含義直到60年后才變得一目了然。到了20世紀30年代中期，質子、中子和電子作為物質的基本組分似乎為我們尚無定論的問題提供了一個完善的答案。可是還有個問題。早在19世紀末期人們就已經知道，某些元素的同位素是不穩定的。它們具有放射性：在一系列核反應中，它們的原子核會自發地衰變。

自然界存在不同種類的放射性。一種叫做β放射性，是由盧瑟福在1899年發現的。它涉及的是原子核中的一個中子轉化成一個質子，并伴隨著一個高速電子（即“β粒子”）的噴出。這是一種天然形式的煉金術：改變原子核中質子的數目必然會改變它的化學性質。β放射性意味著中子是一個不穩定的復合粒子，所以它根本就不是真正意義上的“基本”粒子。在這一過程中還存在著能量守恒的問題。

中子在原子核內部轉變成質子所釋放的能量的理論預期值，無法完全由該反應所放射出來的電子的能量來解釋。泡利在1930年意識到，除了提議在這一反應中“失蹤”的能量被一個尚未觀測到的、很輕的、電中性的粒子帶走了之外，他別無選擇。這個新粒子后來被稱作“中微子”（neutrino），意思是微小的、電中性的粒子。當時人們斷定，沒有任何辦法能夠探測到這樣一個粒子。但是到了1956年，中微子第一次在實驗中被發現了。

是時候做一番總結與評估了。有一點差不多是清楚的：物質依賴于力（force）來把它的組分結合在一起。除了作用于所有物質的引力之外，現在可以斷定的是還存在其他三種力，它們在原子自身的層面上起作用。

帶電粒子之間的相互作用來源于電磁力。眾所周知，電磁學源自19世紀的物理學家們所做的開創性工作，其中包括許多卓著的成就，也奠定了電力工業的基礎。1948年，美國物理學家費曼（Richard Feyn?man）和施溫格（Julian Schwinger）以及日本物理學家朝永振一郎（Sin?Itiro Tomonaga）建立了一個關于電磁場的完全相對論性量子理論，叫作量子電動力學（quantumel ectrodynamics，簡稱QED）。在QED理論中，帶電粒子之間的吸引力和排斥力是由所謂的力粒子來“傳遞”的。

比方說，當兩個電子彼此接近時，它們交換一個力粒子，造成了它們的相互排斥。電磁場的力的傳遞者是光子，它是構成普通光的量子粒子。QED很快就發展成為一個具有空前預測能力的理論。

人們還要應對另外兩種力。電磁學無法解釋質子和中子在原子核內部是怎樣結合在一起的，也無法解釋與β衰變有關的相互作用。這兩種相互作用在如此不同的能標（energy scale）處生效，以至于沒有單一的力能夠包容它們。物理學家們認識到需要引進兩種力，“強”核力負責維系著原子核，而“弱”核力則控制著某些原子核的轉化。

這就把我們帶到了物理學史上的一個特殊時期。又過了60年，經過理論和實驗兩方面的努力，粒子物理學才發展到標準模型的階段。標準模型是量子場基本理論的集大成之作，它描述了所有的物質以及物質粒子之間除引力之外的所有相互作用力。

原文作者/吉姆·巴戈特

摘編/何也

編輯/王菡

校對/陳荻雁