走近诺贝尔奖（五）揭示质量来源之谜

杨先碧

众所周知，我们自己和周围的物质都是真实存在的，它们都具有质量。然而，这个我们所熟知的现象以前却一度困扰着科学家们，因为科学家们在很长一段时间内都不知道物质为何具有质量。这个谜底终于在1964年被比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒、英国理论物理学家彼得·希格斯等人揭开了。他们认为，有一种玻色子赋予了其他基本粒子以惯性，从而让物质具有了质量。然而，为了验证他们的这一猜想，则整整花了将近50年的时间。直到近几年，物理学家才通过尖端科学仪器找到了希格斯玻色子。希格斯等人也因此在提出猜想将近50年后，获得了一个“迟到”的大奖——“2013年诺贝尔物理学奖”。

质量从何而来

物质具有质量似乎是天经地义的事情，但是，至于物质为何会具有质量，则是一个十分重大的科学问题。直到进入20世纪以后，科学家才发现，物质是由原子组成的，而原子则是由一些更基本的粒子组成。在粒子物理学里，标准模型是一种被广泛接受的框架，可以描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子。标准模型中的粒子可分为三大类共62种，分别是12种轻子、36种夸克和14种玻色子。

在希格斯玻色子没有提出之前，物理学的标准模型中只有61种基本粒子，科学家不知道这些基本粒子为何会让物质具有质量，尽管许多基本粒子的质量已经被测量出来了。更让人困惑的事情是由杨振宁引发的。1954年，当时的旅美物理学家杨振宁与同事米尔斯一起，提出了杨-米尔斯理论。按照这个理论，标准模型中的矢量玻色子是没有质量的。然而，根据当时的一些实验结果进行推算，矢量玻色子却是有质量的。

在理论和实验产生矛盾的情况下，如果实验结果没有误差的话，那么肯定是理论存在一定的问题，也就是还不够完善。也正是如此，杨-米尔斯理论提出后，在很长时间内，一直没有得到物理学界的重视。直到10年后希格斯等人发现了可以让矢量玻色子产生质量的玻色子，这个理论才得以重视。在20世纪60年代初，不少理论物理学家研究弱力、强力和电磁力统一理论的时候，也遇到了类似杨振宁的困境。按照当时的物理理论，传递作用力的粒子只能是没有质量的粒子，这也意味着被传递的作用力是长程力（长程力是指作用强度随距离的增加而减少。如静电力、万有引力等）。按照我们的常识，光波似乎符合这样的结论，因为我们感受不到光子的质量，尽管光子也是有质量的。然而，按照这些理论，电子、质子也都没有质量，这就导致了这种说法：所有物质都是没有质量的。

谁发现物质有了质量

按照理论物理学家的研究，我们似乎生活在一个没有质量的虚幻空间中，但事实上，我们生活的世界明明是具有质量的。那么，为什么那些理论物理学家却让世界失去了质量呢？ 对于20世纪50年代的物理学家来说，杨振宁等人的物理理论是无懈可击的。那么，问题究竟出在哪里呢？许多科学家开始研究这个问题。因此，从某种意义上来说，杨振宁等人促成了希格斯等人获得2013年诺贝尔科学奖。当然，希格斯等人也令杨振宁等人的理论获得了重视。

1964年，恩格勒和布鲁特发表论文称，是一种特殊的场使基本粒子产生惯性而拥有了质量。他们进一步预言，产生这种场的粒子是一种玻色子。当年，希格斯也发表了类似的论文来阐述物质获得质量的机制。按照当时的发表顺序，恩格勒和布鲁特在1964年8月发表了相关论文，而希格斯在1964年9月发表了相关论文。可是，在这之前，人们只知道希格斯，如果不是今年诺贝尔奖的公布，公众可能很难知晓恩格勒的名字，更不用说布鲁特了。

那么，为何希格斯获得了新粒子的命名且名扬天下，而恩格勒和布鲁特却一直寂寂无名呢？按照科学界的规则，新发现的命名如果不是多人联名，那就按照最先发现者的名字给予命名。但是，这个发现出现了一点意外。原来，在理论物理学界颇有影响的美国物理学家史蒂文·温伯格在一篇论文中引用错了两组科学家发表论文的顺序，这就导致其他研究人员误以为希格斯是最早的提出者。因此，让物质拥有质量的“玻色子”最终以“希格斯”的名字命名。

“希格斯玻色子”产生的场（也被命名为“希格斯场”）就像电场、磁场、引力场那样可以对其他物质产生作用。按照希格斯等人的理论，“希格斯玻色子”在宇宙中广泛存在，是所有物质的质量之源，其他粒子在“希格斯场”中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。

1988年，诺贝尔物理学奖获得者莱德曼曾经以“上帝粒子”来称呼“希格斯玻色子”，因为在西方的一些宗教理论中，上帝创造了万物。而“希格斯粒子”赋予了万物以质量，它就像上帝一样伟大。如果宇宙中的“希格斯粒子”突然消失，整个宇宙将分崩离析，成为难以聚积起来的“一盘散沙”。对于“希格斯玻色子”的名字，据说希格斯本人表示谦逊，自认不配。他坚称自己是无神论者，更是反对“上帝粒子”的叫法。现在，“希格斯粒子”已成为整个粒子物理学界研究的中心，莱德曼则更形象地将其称为“指挥着宇宙交响曲的粒子”。

实验验证希格斯玻色子的存在

在“希格斯粒子”相关理论的传播过程中，恩格勒被埋没了，比恩格勒更“冤”的是布鲁特。他已经于2011年5月去世。他不仅未能见证希格斯玻色子获得实验证实，也未能领取诺贝尔奖，因为诺贝尔奖不授予过世的科学家。这不能不说是一种遗憾。或许有人会问，“希格斯玻色子”早在1964年就由3位科学家提出来了，为何诺贝尔评奖委员会要在将近50年后才颁奖呢？以后岂不是活得更长的科学家才能获得诺贝尔科学奖？

这倒不怪诺贝尔评奖委员会。因为诺贝尔评奖委员会有一个不成文的惯例，科学奖如果要颁发给理论科学家，只能颁发给那些获得实验验证的科学理论。比如，爱因斯坦是举世公认的伟大的理论物理学家，他因相对论而名扬天下，然而，他获得1921年诺贝尔物理学奖不是因为他提出了“相对论”，而是因为他发现了光电效应。后者显然没有前者重要，但是却是实验可以验证的。又比如，霍金是举世公认的重要的理论物理学家，但是学界都知道他不可能获得诺贝尔奖，因为他的理论超前得快接近“科幻”了，很难被现在的技术手段所验证。

我们把话题再拉回到希格斯玻色子。希格斯玻色子是一种自旋为0的玻色子。所谓玻色子，就是一些自旋为0或正整数的粒子，比如光子、中子、质子、电子等。当粒子（比如希格斯玻色子）自旋为0时，它围绕粒子中心无论怎么自旋，都可以和原来的粒子重合。也就是说，希格斯玻色子从各个角度看都是一样的，这个特性也导致了要探测和捕获它都是一件十分困难的事情。

然而，科学家没有放弃捕获希格斯粒子的努力。就在布鲁特逝世的2011年，欧洲核子研究中心利用大型强子对撞机（LHC），已经对捕获希格斯粒子进行了不少实验。2012年初，研究人员根据实验数据推算希格斯粒子的质量。2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，他们发现了一种独特的亚原子粒子，它很可能就是希格斯粒子。当时希格斯在接受采访时说，那“真是难以置信”的结果，因为希格斯本人深知希格斯粒子个性独特，很难把它们捕捉到。

不过，其他物理学家却比希格斯有信心多了，大家一致认为这次是真的。逢赌必输的霍金曾经和人打赌，欧洲核子研究中心找不到希格斯粒子。赌注是100美元。在2012年7月，尽管欧洲核子研究中心还没有最终确认，但是霍金已经通过阅读相关论文认为希格斯粒子已经找到了，他为此付出了100元“赌资”。当时霍金还预言，希格斯很快就可获得诺贝尔物理学奖了。（这次霍金赌赢了）

2013年3月14日，欧洲核子研究组织发布新闻，先前探测到的新粒子的确是希格斯玻色子。正是这最终的确认，让希格斯和恩格勒等人将近50年前的理论研究获得了实验的证实，他们获得诺贝尔奖也算是众望所归。甚至有媒体和研究人员此前放出“狠话”：要是2013年的诺贝尔物理学奖不颁给希格斯，那就将是一大丑闻。

2013年诺贝尔物理学奖获奖者简介

弗朗索瓦·恩格勒，比利时理论物理学家，1932年出生，1959年，恩格勒从布鲁塞尔自由大学毕业并获得博士学位。他在粒子物理学方面做出重要贡献。曾多年担任布鲁塞尔自由大学教授。

彼得·希格斯，英国物理学家，1929年出生，以“希格斯机制”与“希格斯粒子”而闻名于世。1960年到1996年期间曾任爱丁堡大学教授。