苗千

最近，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)算得上是幾十年來(lái)世界上最重大的科學(xué)突破，因此，希格斯玻色子一夜之間成為全世界的焦點(diǎn)，就連平常冷靜理性的科學(xué)家們也難得地展現(xiàn)出了感性的一面。今年83歲的皮特?希格斯教授自己也說(shuō)，當(dāng)時(shí)他正在意大利一個(gè)暑期學(xué)校講學(xué)，被一通電話叫到了歐洲核子中心，在7月4日舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，他感到非常激動(dòng)，就像是“自己支持的足球隊(duì)獲勝一樣”。他明白，在他的余生中恐怕再也不會(huì)享受到寧?kù)o的生活了。

但是，人們究竟在慶祝什么？這個(gè)問(wèn)題恐怕一時(shí)還真的難以回答?，F(xiàn)在全世界的慶祝，更像是對(duì)于人類(lèi)花費(fèi)了幾十年時(shí)間、上百億美元苦苦追尋一個(gè)基本粒子而終獲成功的頑強(qiáng)意志的慶祝。對(duì)于基礎(chǔ)物理學(xué)來(lái)說(shuō)，許多在發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之前存在的問(wèn)題此時(shí)仍然還擺在桌子上，沒(méi)有找到答案；希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)將把基礎(chǔ)物理學(xué)引向何方，對(duì)此科學(xué)家們同樣一無(wú)所知。

慶祝還沒(méi)有冷卻，關(guān)于新發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子的具體數(shù)據(jù)也還沒(méi)有公布，有些科學(xué)家已經(jīng)等不及開(kāi)始追問(wèn)：這個(gè)“希格斯玻色子”到底是什么？它的發(fā)現(xiàn)又意味著什么？有很多人認(rèn)為，找到了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中預(yù)測(cè)的最后一種粒子，意味著標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的“完成”，同時(shí)也證明了標(biāo)準(zhǔn)粒子模型在理論上完全正確。實(shí)際上這個(gè)說(shuō)法恐怕言之過(guò)早，也有可能，這個(gè)發(fā)現(xiàn)對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)粒子模型有著完全相反的意味。

標(biāo)準(zhǔn)粒子模型是一個(gè)非常完備詳細(xì)的理論，其中它對(duì)于希格斯玻色子的各種性質(zhì)的描述非常具體，可是根據(jù)目前的觀測(cè)結(jié)果而言，人們觀測(cè)到的希格斯玻色子與標(biāo)準(zhǔn)粒子模型描述的希格斯玻色子略有不同，這其中的意味深長(zhǎng)。很多科學(xué)家認(rèn)為，這并不是一件壞事，這也許是物理學(xué)中另外一扇大門(mén)被打開(kāi)的信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的完成，對(duì)于皮特?希格斯一代的物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)是一個(gè)偉大勝利，但是對(duì)于新一代的志在完成一個(gè)更加宏偉、完備的基礎(chǔ)物理學(xué)理論的物理學(xué)家們來(lái)說(shuō)，一個(gè)準(zhǔn)確且完備的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型卻并非好事。一個(gè)完備自洽的理論說(shuō)明它不再需要修改，也不會(huì)再有空間接受新的事物。那么，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中沒(méi)有包含的領(lǐng)域（比如引力和暗物質(zhì)），又當(dāng)從哪里去尋找答案？對(duì)此，標(biāo)準(zhǔn)粒子模型沒(méi)有給出任何線索。正因?yàn)槿绱?，大多?shù)物理學(xué)家們并不希望一個(gè)完備、封閉的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型。很多人希望，這個(gè)剛剛被發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子是一個(gè)“不符合標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的希格斯玻色子”，這是一個(gè)什么樣的粒子，就要從希格斯玻色子的本質(zhì)開(kāi)始談起。

究竟什么是希格斯玻色子？一個(gè)粒子需要具有什么樣的性質(zhì)才會(huì)被認(rèn)為是希格斯玻色子？最重要的一點(diǎn)就是它必須是一種通過(guò)希格斯場(chǎng)與其他粒子相互作用而賦予其他粒子質(zhì)量的玻色子，希格斯玻色子的存在揭示了質(zhì)量的本質(zhì)。人們關(guān)于“質(zhì)量”到底是什么的追問(wèn)古已有之，質(zhì)量一直都被認(rèn)為是物質(zhì)的基本性質(zhì)之一。牛頓力學(xué)中定義的物體的質(zhì)量由其“密度”和“體積”決定，對(duì)此，很多人認(rèn)為這是一個(gè)含糊的自圓其說(shuō)的定義，因?yàn)椤懊芏取庇中枰少|(zhì)量和體積所決定。在現(xiàn)代物理學(xué)中，在研究基本粒子的性質(zhì)時(shí)，科學(xué)家們認(rèn)為質(zhì)量是粒子的自身屬性，只需要精確測(cè)定就可以，但是深入研究后才發(fā)現(xiàn)，在基礎(chǔ)物理學(xué)的理論中，一切粒子根本不需要具有質(zhì)量，按照理論它們都會(huì)在空間中以光速運(yùn)動(dòng)。這個(gè)理論與現(xiàn)實(shí)相互矛盾的難題直到1964年才被解決，在由希格斯等科學(xué)家構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中，一切粒子的質(zhì)量都是由和希格斯玻色子（希格斯場(chǎng)）相互作用而獲得的，這正是希格斯玻色子最重要的特征。

西諺有云：“如果它看起來(lái)像一只鴨子，游起來(lái)像一只鴨子，叫起來(lái)像一只鴨子，那么它可能就是一只鴨子。”剛剛發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子正是在各個(gè)方面都像是一只符合標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的“鴨子”，但是很多物理學(xué)家們希望，他們發(fā)現(xiàn)的實(shí)際上是一只“鵝”。歐洲核子中心的科學(xué)家們正在分析希格斯玻色子的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，同時(shí)大型重子對(duì)撞機(jī)在2013年修整升級(jí)之前也將一直進(jìn)行對(duì)撞，不斷產(chǎn)生新的希格斯玻色子，希望可以盡快測(cè)量出希格斯玻色子的各種性質(zhì)。是否能夠構(gòu)建一個(gè)超越標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的更加完整的理論，關(guān)鍵就在于全面了解希格斯玻色子。

首先是新粒子的自旋。基本粒子分為構(gòu)成物質(zhì)的費(fèi)米子（Fermion）和傳遞各種相互作用的玻色子（Boson）兩類(lèi)，其中費(fèi)米子都具有半整數(shù)的自旋，而玻色子都具有整數(shù)自旋。新粒子在大型重子對(duì)撞機(jī)中產(chǎn)生后迅速衰變?yōu)閮蓚€(gè)光子，可以斷定這必定是一個(gè)玻色子，它可能具有0或是2 的自旋。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的預(yù)測(cè)，希格斯場(chǎng)是一個(gè)標(biāo)量場(chǎng)，希格斯玻色子的自旋為0。但是，如果發(fā)現(xiàn)新粒子的自旋為2，那將是一個(gè)令人震驚的發(fā)現(xiàn)（盡管與目前的觀測(cè)不符），這意味著物質(zhì)在空間中的不同方位將具有不同的質(zhì)量。

在謎底揭開(kāi)之前，進(jìn)行各種猜想往往是一件有趣的事情。剛剛發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子之后，很多人開(kāi)始懷疑，它是否是一個(gè)“基本粒子”，也就是說(shuō)，它是否是由更加基本的成分組成，而其中又蘊(yùn)含著人們尚未所知的新的相互作用形式。這個(gè)問(wèn)題并不新奇，在20世紀(jì)初人們就發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，此后的70余年中人們都認(rèn)為它是一種不可再分的基本粒子，直到20世紀(jì)70年代，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)夸克的存在，才明白質(zhì)子是由更基本的夸克構(gòu)成，而夸克之間也存在著人們之前所不了解的強(qiáng)相互作用。同樣的故事是否會(huì)在希格斯玻色子身上上演？在澳大利亞墨爾本進(jìn)行的國(guó)際高能物理學(xué)會(huì)議上，來(lái)自巴塞羅那自治大學(xué)的物理學(xué)家阿萊克斯?博美羅（Alex Pomarol）對(duì)此進(jìn)行了匯報(bào)：根據(jù)現(xiàn)有的數(shù)據(jù)，在理論上確實(shí)可能存在一個(gè)復(fù)合的希格斯玻色子——如果這個(gè)假設(shè)被驗(yàn)證成立的話，那么接下來(lái)物理學(xué)家們考慮的將是如何撞擊希格斯玻色子，找到其更基本的成分。

是否只存在一種賦予其他粒子質(zhì)量的希格斯玻色子，這也是個(gè)令人感興趣的話題。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的描述，希格斯玻色子會(huì)賦予其他所有基本粒子質(zhì)量——包括所有的費(fèi)米子和玻色子。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也存在著另外一種可能，就是目前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子只是賦予玻色子質(zhì)量，而費(fèi)米子的質(zhì)量，則是由其他尚未發(fā)現(xiàn)的粒子賦予。歐洲核子中心的科學(xué)家阿爾伯特?德洛克（Albert De Roeck）認(rèn)為情況可能正是如此。他指出，在20世紀(jì)60年代，皮特?希格斯與其他科學(xué)家最初提出這種理論的時(shí)候，希格斯玻色子的作用正是賦予所有玻色子質(zhì)量，在后來(lái)出于簡(jiǎn)化，在理論中希格斯玻色子才用來(lái)賦予所有粒子的質(zhì)量。那么，德洛克說(shuō)，我們目前所發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子可能只是承擔(dān)它本來(lái)的工作而已。

如果說(shuō)撞擊分解希格斯玻色子，猜測(cè)希格斯玻色子的作用領(lǐng)域，還屬于科學(xué)家們一種美好的想象的話，從事超對(duì)稱(chēng)（Supersymmetry）理論研究的科學(xué)家們對(duì)于希格斯玻色子充滿期待則有著更充分的理由。盡管與標(biāo)準(zhǔn)粒子模型有一些差別，超對(duì)稱(chēng)理論仍然可以算得上是標(biāo)準(zhǔn)粒子模型的一個(gè)延伸。但是它涵蓋了更廣闊的領(lǐng)域，最重要的是，盡管與標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中略顯不同，在超對(duì)稱(chēng)理論中也有對(duì)于希格斯玻色子的預(yù)測(cè)，而且超對(duì)稱(chēng)理論涵蓋了目前科學(xué)家們最感興趣的物質(zhì)——占有宇宙總質(zhì)量80%而人們?nèi)匀粚?duì)其性質(zhì)一無(wú)所知的暗物質(zhì)。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)粒子模型，超對(duì)稱(chēng)理論才算得上是一種“萬(wàn)有理論”，因?yàn)樗擞钪嬷腥祟?lèi)目前所探知的一切，因此，如果超對(duì)稱(chēng)理論能夠成立，將意味著人類(lèi)第一次擁有了一種“萬(wàn)有理論”，這其中的關(guān)鍵也在于希格斯玻色子的性質(zhì)是否符合超對(duì)稱(chēng)理論的描述。

超對(duì)稱(chēng)理論預(yù)測(cè)了數(shù)量眾多的“超粒子”的存在，但是在大型重子對(duì)撞機(jī)運(yùn)行了幾年的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，人們沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何一種超粒子，很多人開(kāi)始對(duì)這個(gè)理論失去信心，認(rèn)為它只是一個(gè)漂亮的數(shù)學(xué)架構(gòu)而已。但是如果人們發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的性質(zhì)更符合超對(duì)稱(chēng)理論的預(yù)測(cè)，毫無(wú)疑問(wèn)，這個(gè)理論將重新成為理論學(xué)家的寵兒。超對(duì)稱(chēng)理論預(yù)測(cè)了至少5種希格斯玻色子的存在，很多物理學(xué)家們猜測(cè)，目前發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子只是這其中的一種而已。

“猶抱琵琶半遮面”最為動(dòng)人，謎底尚未揭開(kāi)之時(shí)總是最動(dòng)人心弦。希格斯玻色子正是如此撩撥著人們的好奇心，激發(fā)著人們的想象力。各種新奇的猜想層出不窮，這一切也許正是標(biāo)志著后希格斯時(shí)代的來(lái)臨。2012年10月，皮特?希格斯教授也許將領(lǐng)取象征著物理學(xué)最高榮譽(yù)的諾貝爾物理獎(jiǎng)。但是他所開(kāi)啟的新時(shí)代，才剛剛開(kāi)始；一場(chǎng)物理學(xué)界的新變革，也許即將拉開(kāi)帷幕。

（本文參考了《New Scientist》的相關(guān)報(bào)道）