Amir D. Aczel 多年来一直与欧洲核子研究组织（CERN）和粒子物理学密切相关，并经常就物理学相关的统计问题提供咨询。他还是 18 本数学和科学畅销书的作者，并获得了古根海姆基金会和斯隆基金会的奖学金。非常感谢德克萨斯大学奥斯汀分校的 Steven Weinberg 和麻省理工学院的 Barton Zwiebach 提供的宝贵意见。
本博客的读者可能已经听过关于希格斯玻色子如何“赋予宇宙万物质量”的标准说法，通常会伴随某种类比，例如一个著名人物走过拥挤的房间，被崇拜的人群四面八方拉扯，这些联系“使这个人变得有质量”——正如希格斯场与粒子所做的那样。现在我们似乎终于确定了这个难以捉摸的粒子，我想解释一下希格斯来自哪里以及它做了什么。虽然我们对该粒子的理解来自一些复杂的数学，但这些公式实际上讲述了一个引人入胜的故事，我将在本文中讲述。你只需要记住的是，在现代物理学的理解中，范畴不像你想象的那么截然分开：粒子可以表示为波或场，而力也可以看作是粒子或场。因此，在大爆炸后的极短时间内，宇宙中有四种“光子”在漂浮——普通的光子，以及另外三种质量为零、外观和行为都与光子相似的粒子。我们称它们为：W+、W- 和 Z。它们是玻色子，意味着力的载体，就像普通光子一样。在大爆炸时，宇宙还存在一种统一的、强大的力，称为超力。但在我所说的这个时代的前极短时间内，超力开始崩溃，先后“脱落”一部分自身，形成了引力，又脱落一部分自身，形成了强核力，后者后来将在所有物质原子核内部起作用，在复合粒子（如夸克）形成后将它们束缚在质子和中子中。这两种力——引力和强力——尽管很重要，但今天不进入我们的主要故事。在我所说的时代，即大爆炸后极短的时间内，超力的残余包含了三种相互结合的自然力：电、磁，以及一种叫做弱核力的东西，后者后来将负责 β 衰变，一种放射性现象。你可能还记得在物理课上，“电磁学”统一了电和磁，正如麦克斯韦在一个多世纪前教给我们的那样。但是，在我所说的时代，实际上存在三种相互关联的力：电-磁-弱；这三者结合在一起，成为从超力中脱落引力和强力后剩余的电弱力。* 除了包含统一的电弱力的超力残余（以及四种相关的粒子：光子、两个 W 粒子和一个 Z 粒子）之外，初生的宇宙中还弥漫着一种奇怪的场：有点像条形磁铁或地球周围的磁场，或者像大质量物体周围的引力场。但与它们不同的是，它没有一个相关的方向（例如指向北极或地心）；也就是说，它是一个标量场，而不是一个矢量场。今天，我们将这种神秘的实体称为希格斯场。希格斯场实际上由两个相互关联的复数场组成。这是什么意思？复数场看起来像一个平面，其中虚数（-1 的平方根 i 的倍数）沿着垂直轴，而普通数字沿着水平x轴。现在想象一下两个这样的场。你需要一点想象力来“看到”它：想象两张相互垂直的纸，每张纸都用 i 标记上下，用 x 标记左右。（但要注意，这是一种视觉上的“欺骗”：我们试图在我们所处的三个维度中辨别一个四维空间，这实际上是不可能的。）所以，实际上存在四种希格斯粒子，每种都与两个复数场的特定方向相关。因此，四个空间方向i、i、x、x也都是粒子。
现在，这个四维的希格斯场与电弱场相互作用，也就是说，与三种力（电-磁-弱）及其相关的四个玻色子相互作用：电磁场的场的光子，以及弱核力场的两个 W 粒子和一个 Z 粒子。将这两个复数希格斯场与电弱力的场相互作用想象成大爆炸后的又一次宇宙冲击：在这里，上述的 4 维希格斯场与电弱场“碰撞”，然后砰！这场灾难性的事件迫使三个希格斯粒子被三个仍像光子一样的电弱玻色子吸收——W+、W- 和 Z。这次“碰撞”的结果是，这三个玻色子不再像光子，它们通过“吞噬”一个希格斯粒子而“获得体重”。（这是麻省理工学院的物理学家 Barton Zwiebach 对这个决定性事件的描述。）这三个希格斯粒子与两个 W 粒子和一个 Z 粒子的宇宙合并，还留下了一个希格斯粒子自由存在，供我们发现（正如 CERN 在 7 月 4 日刚刚宣布的！），还有一个仍然是零质量的旧电弱力玻色子：我们都熟悉和喜爱的普通光子，光粒子（和波）——它不知何故错过了吞噬最后一个剩余希格斯粒子并因此获得自身质量的机会！如果它获得了，我们就不会在这里了……宇宙将没有光，可能过多的放射性。这就是“希格斯机制”**，它赋予了两个 W 粒子和一个 Z 粒子质量——它们此后存在于物质原子核中，从而能够发生 β 衰变——更重要的是，赋予了夸克和电子质量。随着宇宙略微冷却，它变成了一个由夸克组成的致密等离子体，称为“夸克汤”，过一段时间，随着冷却趋势继续，夸克三个一组地聚集在一起形成质子和中子；这些形成了氢、一些氦和锂的原子核，电子开始围绕它们运行，形成简单的原子。在某些地方，氢（氦和一些锂）气体向下坠落，被引力拉动，形成了恒星和星系。宇宙中其他具有更高原子序数和质量的元素，都将在恒星内部的聚变反应中被“烹饪”。但是，构成宇宙中所有物质的电子和夸克（出于技术原因，可能除了中微子）是如何获得质量的呢？这一点我们仍然不知道。但一旦我们理解了 W 粒子和 Z 粒子如何通过与希格斯场的相互作用获得质量，我们就假设我们也知道了质量是如何产生的：通过同样的“希格斯机制”，并且这次原始的宇宙事件在大爆炸后不久就产生了宇宙的质量：电子、夸克、恒星、星系、行星、树木、动物，以及我们。*** 那么，希格斯本身又是如何获得质量的呢？——我们现在从 CERN 刚刚宣布的发现中得知，希格斯粒子的质量约为 125 GeV（大约是 W 粒子和 Z 粒子质量的 1.5 倍）。答案可能会让你惊讶：希格斯赋予了自己质量！为什么物理学家在看到任何证据之前几十年就提出了这样一个奇怪的粒子？所有这些想法都来自哪里？答案是：纯粹的数学！自从伽利略说：“自然的书是用数学语言写成的”，物理学和数学就一直在融合。上周的公告再次表明，物理学家的数学运算不仅仅是自我陶醉，而是构建理论和预测世界上尚未被发现方面的强大方法。* 这三种自然力在极早期宇宙中统一的事实，由 Steven Weinberg 在他 1967 年获得诺贝尔奖的工作中得到证明，他在该工作中还预测了 Z 粒子的存在，甚至能够极其精确地估计出两个 W 粒子（其存在早些时候已被提出）和 Z 粒子的质量——正如 1983 年 Carlo Rubbia 领导的团队在 CERN 发现了这三个粒子时得到证实一样——在 1973 年 CERN 的一个名为 Gargamelle 的气泡室的中微子实验中，也已经初步看到了 Weinberg 的 Z 粒子的迹象。Sheldon Glashow 和 Abdus Salam 也从不同角度解释了电弱统一，他们与 Weinberg 一起获得了 1979 年的诺贝尔奖。** 这个粒子、场和机制承载着 Peter Higgs 的名字，但我们的理解实际上来自于六位不同物理学家的工作：Higgs；Robert Brout 和 Francois Englert；以及Tom Kibble、Gerald Guralnik 和 Carl Hagen，他们于 1964 年发表了三篇论文，都在其中展示了可能暗示某种粒子（场和机制）存在的工作，后来这个粒子（场和机制）的名字仅由 Peter Higgs 独占。*** 上述故事都是关于所谓的“标准模型希格斯”。它是那种“原味”的希格斯玻色子，它完善了粒子物理学的标准模型，这是一个近半个世纪以来发展起来的理论，在解释粒子和力的许多方面取得了巨大成功。但可能存在更多“奇异”的希格斯粒子，如超对称性等更复杂的理论暗示它们的存在。然而，到目前为止，在 CERN 或其他地方的实验中，没有确凿的证据表明这个或其他“超出标准模型”的复杂理论是正确的。
