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图源:爱丁堡大学官网

撰文丨张天祁 李珊珊

2024年4月8日,彼特·希格斯去世了,享年94岁。

他预言了希格斯粒子的存在,那是标准模型中的最后一个待发现的粒子,它帮助解释了大爆炸后物质如何形成。

科普作家们喜欢用一个比喻——上帝说,要有光,于是便有了光;希格斯粒子说,要有质量,于是便有了质量。因而,希格斯粒子又被称为是“上帝粒子”。

在希格斯年轻的那个年代,粒子物理模型蓬勃发展,质量的起源却一直是个棘手的问题。根据那一时期的理论,量子场所激发出的粒子应该是没有质量的,然而,没有质量的粒子应该像光子一样以光速传播,没有停止,没有尽头……那么,大爆炸后物质是如何形成的?

60年前,年轻的希格斯有了一个想法,他提出存在一个像网一样遍布空间的看不见的场,当这个场把那些没有质量的粒子困住时,粒子就获得了质量。

1964年,31岁的希格斯发表了一篇关于一个叫希格斯场的东西的论文,论文在第一次投稿时遭遇了拒稿,在第二本杂志审稿人的要求下,希格斯隐晦地提到了存在一个有质量且自旋为零的玻色子,即希格斯玻色子的可能性——那便是大名鼎鼎的希格斯粒子。

那是一篇把希格斯和以他的名字命名的粒子捆绑在一起的文章。等待了47年后,在人类建造的能量最高的粒子对撞机上,希格斯的预言得到了证实,那是标准模型的胜利,是当年最重要的物理发现。第二年,希格斯与同样对提出希格斯机制做出了贡献的弗朗索瓦•恩格勒一起,拿到了当年的诺贝尔物理学奖,获奖原因为:“在理论上发现了有助于我们 理解亚原子粒子质量起源的机制……” 

然而,作为一个在头脑中“发明”了上帝粒子的人,希格斯提出自己的理论之初,并没有太多的人觉得这个安静、谦虚,还有点害羞的理论物理学家的理论值得特别去关注。直到温伯格和萨拉姆将希格斯机制用于电弱对称性破缺,若作用力的传递者W粒子和Z粒子又恰好在理论所预期的地方被发现。人们开始越来越有信心,应该有一个无处不在的希格斯场的存在,而如若这个场存在,希格斯粒子也必定存在。

希格斯粒子是希格斯场的粒子化,而要找到这个粒子所需要的就是一台庞大的对撞机。

为了证明这个只用纸笔进行研究的朴素的理论物理学家的理论,人们建起了一个直径8.6公里,周长27公里的大型强子对撞机。

就这样,这个直到80岁才购买了第一台电脑的理论物理学家与一个耗资100亿美元的高能物理实验项目连接在了一起。

最终,在欧洲核子研究中心宣布希格斯粒子实验结果的演讲厅现场,希格斯本人在看台上泪流满面,擦着眼镜。那个粒子,几乎是科学家们认为在塑造宇宙中发挥作用的一类粒子中的第一个,那是个如此重大的发现,以至于,那时的人们说:期望此后的其他发现能够达到这一标准,就等于忽略了这一发现的深远意义。

而今,希格斯安安静静地走了,那个与他同名的粒子将永远作为人类智慧的圣杯存在着,它标志着我们对宇宙源起的深刻理解,也注定会是人类深入研究这个宇宙的一把重要的钥匙。

希格斯粒子曾经可以不姓希格斯

2015 年 9 月,在奥克尼群岛举行的科学节上,一位热情的学生们问希格斯“请告诉我们如何赢得诺贝尔奖?”

“走运!”这就是希格斯的回答。

这不是谦辞,在发现希格斯机制之初,希格斯的研究成果受到了非常少的关注,这少数回应中还有不少批评和不屑的意见。希格斯也不是这个机制的唯一发现者,当时有三组科学家先后独立做出了相似的发现。虽然希格斯粒子的发现后来被誉为物理学的圣杯,但在当初无论是提出设想的论文还是希格斯本人,都看不出日后有成为全世界人类目光焦点的潜力。

1964年,希格斯向给欧洲核子中心(CERN)《物理快报》(Physics Letters)投稿了一篇短论文,但很快被编辑否决。希格斯非常困惑,因为他刚刚有一篇文章登载在《物理快报》上。根据他同事的说法,希格斯认为问题出在量子场论的运用上。1960年代的欧洲,量子场论已经被认为是过时的理论,因此希格斯决定转投美国的《物理学评论快报》(Physical Review Letters)。

为了防止论文再次被拒,希格斯增加了两段他自认的“推销语言”。在这篇修改后的文章里,希格斯加入了描述大质量玻色子的方程,并且相当隐晦地提到了存在另一个有质量且自旋为零的玻色子的可能性,即希格斯玻色子存在的可能性。(该处部分细节参考文章:标准模型的物理学和历史背景

但在当时,希格斯并没意识到这一处用时不到两周的修改,将来会改变整个物理学界。希格斯多年后回忆这次改动时说,"我在1964年的劳动量相当小,准确的说只有三周......而后果(希格斯粒子的命名)却让我震惊。”

在这篇论文接收时,在审稿人、物理学家南部阳一郎(2008年诺贝尔物理学奖得主之一)的建议下,希格斯加入了一句话——“本质上相同的东西已经由恩格勒和布鲁特完成”。原来比利时的两位科学家恩格勒和布鲁特的文章已经先一步投稿到了《物理学评论快报》,也就是说,他们独立发现相同的机制。其中的恩格勒后来和希格斯分享了诺奖,只是大家都记住了希格斯粒子,很少有人了解这位贡献者。

两个月后,又有一组科学家声称独立发现了这个机制,发在同一刊物上。一年之内,《物理学评论快报》上就有三组六位科学家独立发现了这个新机制。也就是说,希格斯粒子完全可以不姓希格斯。

这六位科学家的成果出现之初,学界并没有多少认可的声音,希格斯把物理学界的反应描述为震耳欲聋的沉默,物理学家、分子生物学先驱、日后的诺奖得主沃尔特-吉尔伯特(Walter Gilbert)倒是打破沉默寄来一封批评信,告诉希格斯他犯了错误。

在几个月后的 1964 年秋天,希格斯在剑桥分享了自己的工作,但那边的学者却表示,“不相信这种胡说八道”。1966年,希格斯受邀到美国进行分享,在他出发前德国物理学家克劳斯·赫普(Klaus Hepp)告诉希格斯,三位杰出的科学家即将发表一篇论文,声称希格斯的理论存在缺陷。希格斯在赫普的“鼓励”下走进会场,耳边回响着赫普的话:“你的理论肯定有问题。”

在前往哈佛演讲时,听众也大多抱有怀疑态度,物理学家西德尼·科尔曼根本就是抱着看笑话的心态来的,他对同事们说“这个白痴认为他能绕过(无质量的)戈德斯通定理(而创造出质量),是吗?我们会对付他的。”

这个未来会成为物理学标准模型的新理论,在当时不受关注也是有原因的。它是一个有趣的构想,但最初只是数学上提出的一种可能性,没有可物理检验的理论。在当时提出希格斯场的三组科学家中,只有希格斯提出了一个可以进行实验检验的结论:存在一种质量很大的粒子——希格斯玻色子——可以用来确立这个无处不在的场的存在。

希格斯在1966年的论文中还进一步的提出了识别希格斯玻色子的方法,希格斯玻色子衰变成不同种类的粒子的相对几率,除了其他因素外,还取决于它们的质量大小的平方。这对后来的寻找玻色子的实验至关重要,但在当时他也没有意识到自己找到的方法的特别之处。

后来希格斯回忆到,“发现希格斯玻色子后不久,我才意识到,通过算衰变模式的振幅与将要产生的粒子的质量成比例,我实际上给了他们寻找它的方法。我对此完全一无所知。”

希格斯自己的关注重点卡在了对强相互作用的关注上,论文无法完成,他后来认为自己走错了方向。但他的运气没到头,反而在研究停滞时碰到了关键人物。1967年希格斯在一次鸡尾酒会上遇到了韩裔科学家本·李(Ben Lee),两人端着盘子拿着酒杯相谈甚欢。

可能是这次的交流印象深刻,1972本·李作为芝加哥高能物理会议的主讲人之一,在演讲中赞扬希格斯的发现,并且多次提到“希格斯玻色子”这个词汇。希格斯表示,“本·李把我的名字贴在了与这个概念有关的所有事情上。”

前后不过几年,希格斯的学说有了大不相同的待遇。这源于1967年到1972年间,两个理论物理的重要发现。

与希格斯卡在了强行互作用的问题上不同,1967年,温伯格 (Weinberg)意识到希格斯、布鲁特和恩格勒的模型刚好可以用来解决弱相互作用有关的问题,他发表了一篇详细描述轻子的电弱统一理论的论文,文中引入了希格斯场,甚至估算了希格斯玻色子和电子之间的耦合强度,希格斯粒子朝向成为一个“真实的”粒子迈出了至关重要的一步。

1970年,维尔特曼和杰拉德·特霍夫(Gerard’t Hooft)证明了纯杨-米尔斯理论的可重整性,1971年特霍夫进一步将这一证明扩展到有质量的杨-米尔斯理论。希格斯的构想在其中都发挥了关键作用。

温伯格的1967年的文章最初四年只有四个引用,但接下来一年被引用了超过1000次,现在总被引过万。这篇文章中温伯格引用了和希格斯同时提出新机制的六位科学家,但把希格斯排在了关键位置,让后来的科学家自然而然把这个发现和希格斯联系在一起。杰拉德·特霍夫则是从本·李的讲座得到启发,他也承认希格斯的地位。

希格斯那时早已放弃了建立自己的体系,到了60年代末,他甚至放弃了研究转向了教学。他也尝试构造自己的理论,但在技术上已经跟不上新一代的学者。“我出丑了,我成了一个旁观者”希格斯不无自嘲的说。然而,物理学的进步还是将他推向了一个新的高度,自此他的名字与希格斯玻色子密不可分。

欧洲核子研究中心(CERN)开始了对希格斯玻色子的专注研究。当时希格斯也去那边工作过一段时间,但几乎没有任何理论贡献,只是看着其他人前进。在一个研究希格斯粒子的项目里,希格斯的存在如同一个吉祥物,甚至如同空气。后来成为欧洲核子研究中心理论部门负责人的约翰·埃利斯就对希格斯完全没印象,“我真的完全不记得1976年希格斯来过欧洲核子研究中心。”

希格斯是一个谦逊的人,不过名气就是偏爱他。作为科学家的希格斯职业生涯已经结束了,可既然他的名字与世界上最大的科学项目之一联系在一起,就注定没法过平静的生活。

在高能粒子对撞机成为公众话题后,希格斯玻色子被科普作品冠以“上帝粒子”的名号,希格斯甚至成了“上帝粒子之父”。只有希格斯自己,还不厌其烦地提及那些贡献被“希格斯”这个名字所掩盖,早已被大众遗忘的科学家们。

希格斯的隐居生活

“它毁了我的生活。”这是希格斯玻色子被发现后,希格斯在一次采访中的抱怨。“我相对平静的生活就要结束了。我的风格是与世隔绝地工作,偶尔有一个灵光一现的想法。”

希格斯不喜欢名声,他是一个离群索居的人,坚持着他独特的生活方式。他没有电视,不用电脑,不上网。他坚持写信,过去学校电子邮箱如果有什么消息,部门秘书必须打印他的电子邮件寄给他,他会通过信件回复。

儿子给他一台手机,但他不想用。“我讨厌被这样打扰。为什么人们可以这样打扰我呢?因为他们喜欢保持联系?但我不想联系,这是对我生活方式的侵犯,当然,原则上我不觉得有义务接受它。”

在希格斯玻色子发现后,希格斯被迫站在聚光灯下,打破自己的生活原则。希格斯不愿意别人来打扰,但从希格斯玻色子发现到2012年诺奖颁奖(当年他未获奖),他的电话天天都响。

对生活原则被打破这件事,希格斯也用行动作了一次小小的抗议。2013年10月8日是宣布诺贝尔奖名单的日子。希格斯知道自己是得奖热门,为了躲记者们,希格斯决定在公布获奖人之前躲出家门外。

希格斯原本打算坐火车去高地,他和同事也是这么说的,他说到时候会躲到高地,大家都联系不到他。同事们都信了,但到了公布诺奖那天,希格斯又临时改变主意不去高地,改在爱丁堡找个地方大隐隐于市。

颁奖当天,诺贝尔奖委员会一直在努力联系这位消失的物理学家。公布奖项的时间推迟了大约半个小时,直到他们决定不能再等了,必须继续进行。这期间爱丁堡物理系的电话被打爆了,他的同事们只能向记者解释,“他走了!他去了高地。我们不知道他在哪里。我们无法联系到他。”甚至有记者真的被骗去了高地找他。

与此同时,希格斯正坐在爱丁堡的利斯(Leith)地区,亨德森街一家海鲜酒吧(The Vintage)中他最喜欢的那张桌子旁,一边喝着一品脱艾尔啤酒,一边考虑着菜单。在全世界都关注诺奖的同时,他完全屏蔽了诺奖的消息和讨论。吃完饭他还看了一个艺术展,最后才慢悠悠地回家。

希格斯绝世独立的生活状态与他的童年生活有关。

1929年 5 月 29 日出生于英国纽卡斯尔,希格斯的父亲是英国广播公司的一位电机工程师,母亲是家庭主妇。他的父亲曾经经历过一战,在战场上遭受严重精神创伤。确信人类没有未来,不想通过生育来增加人类的痛苦,生下小希格斯只是一个意外。

因为身体不好,从小患有湿疹和哮喘,爸妈不允许他和其他小孩在一块玩,这个禁令一直持续到5岁,这难免会给他和同龄人的交际带来一些障碍。可能是继承了父母的性格,可能是健康问题带来的不便,总之希格斯的自我评价是,“我从小就是一个相当孤僻的孩子。”

上学后,他入读了著名物理学家狄拉克曾经读书的学校,比狄拉克晚了30年,在那所学校,希格斯同样对物理逐渐产生了兴趣。希格斯于1950年从伦敦大学国王学院物理系毕业。然后分别在布里斯托大学和伦敦大学国王学院学习物理,并于1954年获得博士学位。

在伦敦大学国王学院读书的时候,希格斯可以有很多机会和当时的双螺旋研究团队交流,他的办公室和富兰克林的办公室只隔着几扇门,后来的诺奖得主威尔金斯很希望他加入这个当时非常热门的方向。

然而,希格斯选择了一条少有人走的路。出于兴趣,以及对于当时所在的国王大学物理系滥发短论文的厌恶,他转向爱丁堡大学学习粒子物理,当时,这个领域在停滞不前。得知他转向物理时,威尔金斯非常遗憾。

整个学术生涯中,希格斯一共才发了十几篇论文,除了第一篇论文是合写,其他都是独作。其中最重要的就是关于希格斯场、希格斯玻色子的三篇论文。

由于深居简出,以及发文数量实在太少,希格斯给人的印象变得很神秘。希格斯的传记作者在读书期间曾经听说过希格斯玻色子,但不知道希格斯是谁,也不知道他是否还健在。起初他认为,希格斯肯定是在量子力学的黎明时期那一代的大佬,活跃在20世纪30年代,其实那时候希格斯刚刚出生。

但希格斯也不单纯是一个社恐的学术宅。因为支持学生抗议和反对学校在南非持股,希格斯和学校的领导层发生了冲突。作为教师协会的一员,他热情鼓动大家多多参与校园的管理。此外他还支持核裁军相关的社会运动。由于意见和学校不一致,又总是没什么发表,要不是有获得诺奖的可能性,他恐怕早被学校开除了。

在《卫报》的采访中,希格斯表示“今天我不会找到一份学术工作,就这么简单。我认为我不会被认为足够高效......很难想象,在目前这样的环境下,我还能有足够的宁静来做我在 1964 年所做的事情”。

一个退休的理论物理学家、诺奖得主,热爱老朋友、熟悉的酒吧和啤酒,谦虚、温和,过着典型的英国绅士般的迷人生活,然而,《卫报》的那篇文章同样说,谦虚的背后,希格斯有着独有的尖刻。作为一个无神论者,希格斯不喜欢“上帝粒子”这个名字,他说:他不喜欢“上帝粒子”的叫法,是“因为它强化了那些已经在混乱中思考的人们头脑中的混乱思维方式……如果他们相信关于七日创造的故事……他们是聪明人吗?”

后希格斯时代,希格斯的愿望

12年前的一个夏天,LHC捕捉到了具有与希格斯玻色子一致属性的粒子,希格斯的预言得到了证实。然而,对于那种以这为科学家的名字命名的神奇粒子,我们目前仍然知之甚少。

在一次《科学》杂志的采访中,希格斯爱丁堡大学的同事 Sinead Farrington说:“我们仍在一段激动人心的旅程中,以弄清楚一些进一步的预测是否正确,希格斯玻色子是否以预测的方式与自身相互作用,以及它是否可能衰变为标准模型之外的其他粒子……”

建设更大的对撞机产生更多的希格斯粒子以供研究,就成了后希格斯时代粒子物理学界的下一个伟大计划。今年2月,《自然》杂志刊文称:一个耗资150亿瑞士法郎(约合1200亿人民币)的欧洲超级对撞机——未来圆形对撞机 (FCC) 的中期可行性报告已经完成,项目的建设“不存在任何技术或科学障碍”。按照研究者的计划,机器的建造将于2033年开始, 2045年左右,机器开始运行。

在这座大型对撞机中,电子与其反物质正电子碰撞,将产生可供详细研究的大约100万个希格斯玻色子,这将是一个名副其实的希格斯工厂。人们预测,对希格斯粒子的进一步研究则将为新物理理论打开一个突破口,这将是人类理解我们未知宇宙的最大机会。

目前,除了欧洲,很多国家也都在筹划类似的希格斯工厂计划。根据欧洲核子研究中心官网的介绍,除了前述的FCC,在欧洲,研究者们正在考虑一种紧凑型直线对撞机(CLIC);在日本,人们正在考虑引进一个“国际直线对撞机”(ILC)的计划;在中国,一个与FCC类似的超级希格斯工厂计划——环形正负电子对撞机(CEPC)计划也在热议中。

这一切,如希格斯曾经所言——“找到了这个东西(希格斯粒子)只是这一章的结束”,后希格斯时代的粒子物理需要展开新的篇章。

而今天,希格斯走了,哈佛大学物理系副教授、理论物理学家、科普作家Matt Strassler在X(前推特)上写道:希格斯的去世代表着“一个时代的终结”,他30岁时提出的理论在50年后被证实,他的理论对我们认识这个宇宙的影响则会持续千年。

(感谢理论物理工作者、科普作家施郁教授对本文的审读和意见。)

参考文献:

1.Close, F. (2022). Elusive: how Peter Higgs solved the mystery of mass. Penguin UK.

2.Moskowitz, C. (2024, February 20). How the Higgs Boson Ruined Peter Higgs’s Life. Scientific American.

3.Aitkenhead, D. (2017, November 30). Peter Higgs interview: “I have this kind of underlying incompetence.” The Guardian.

4.刘金岩. (2014). 2013 年诺贝尔物理学奖获得者——彼得· 希格斯. 物理, 43(07), 471-477.

 

相关链接:

《物理学奖:预测上帝粒子》

《2013年诺贝尔物理学奖:众望所归》

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由饶毅、鲁白、谢宇三位学者创办的移动新媒体平台,现任主编为周忠和、毛淑德、夏志宏。知识分子致力于关注科学、人文、思想。我们将兼容并包,时刻为渴望知识、独立思考的人努力,共享人类知识、共析现代思想、共建智趣中国。

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