“上帝粒子”的发现者：彼得?希格斯

刘创

2024年4月8日，英国理论物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）于家中安静离世，享年九十五岁。作为一位理论物理学家，他最大的学术贡献是成功预测了希格斯玻色子即“上帝粒子”的存在，他也因此广为人知。2012年，欧洲核子研究组织的科学家使用大型强子对撞机终于发现了它。次年，希格斯获得诺贝尔物理学奖，成为世界上成果完成后最短时间获诺奖的人。

1929年5月29日，彼得·希格斯出生在英格兰泰恩河畔的纽卡斯尔，他和家人与其他原住民一样被习惯性称为“高地人”。他的父亲是BBC（英国广播公司）的音效工程师，有着稳定而丰厚的薪水，这让希格斯的童年充满了家庭的温暖，并且得到了良好的教育。

来自北大西洋和墨西哥湾的暖流让这个城市湿润宜人，但希格斯很小的时候就得了严重的气喘病，不得不经常带着药片和气雾剂上学。而这些东西又时常被同学们抢走当作课间的玩具，这成为他童年的阴影。

幸好后来父亲工作调动，全家在第二次世界大战期间搬离泰恩河畔的纽卡斯尔，他也因此没有继续在学校接受教育。希格斯的父亲后来居住在贝德福德，希格斯与母亲则留在布里斯托尔。希格斯就读于布里斯托尔著名的科瑟姆文法学校，著名物理学家保罗·狄拉克曾早他三十年在此学习。希格斯曾经在学校的荣誉板上看到过保罗·狄拉克的名字，出于好奇，他很想了解这位物理学家做出过什么贡献。于是，希格斯对物理产生了兴趣。

十七岁时，希格斯来到伦敦上学，直到多年以后在伦敦国王学院获得物理学位。毕业后的他拒绝回家乡纽卡斯尔，因为伦敦的气候治好了他的气喘病，而且还让他不必面对同学霸凌的痛苦回忆。他留在了爱丁堡大学任研究员，并在此任教长达十六年之久。

“我觉得当时他们根本就没看懂”

就是在爱丁堡大学任教期间，希格斯对“质量”产生了深厚的兴趣并有了自成体系的独到见解。在长期的摸索中，他发现了后来被他冠名希格斯场（Higgs Field）的粒子场并提出一个理论：

亿年之前的那场宇宙大爆炸刚刚发生的瞬间，所有物质的粒子都是不具有质量的，但是就在爆炸发生的千分之一秒后，所有的物质都具有了质量，这就是“场效应”，而这个场，就是“希格斯场”，因这个场的存在，必然也存在构成场的粒子，即希格斯玻色子。

希格斯为自己的这一理论成果雀跃不已，并着手写了一篇论文。之后，他把这篇论文寄给了当时极具权威的《物理快报》，却被编辑以不宜发表为由拒绝了。在对自己的论文略做修改后，希格斯把它投给了《物理快报》的对手杂志《物理评论快报》。本来他并没抱什么希望，但《物理评论快报》很快就将论文一字未改地刊登出来，从此，希格斯有关玻色子的设想开始公布于世。

显然，希格斯对被《物理快报》的退稿一直耿耿于怀。在后来的多次演讲中，他都提到这件事，并恨恨地称：“我觉得当时他们根本就没看懂！”毕竟一个新事物被公众认可是需要时间的，“没看懂”的不只是《物理快报》，甚至当这种“理论上存在”的粒子渐渐被学界认可后，当时的英国科学部部长还是不得不以举办竞赛的形式，试图通过最通俗的“人话”去解释该理论的核心内容。

1993年，竞赛开始了。为了能浅显地说清几乎所有粒子学家都在尽力寻找的希格斯粒子到底是什么，英国科学大臣威廉·瓦德格雷夫个人出资（奖品是一瓶他本人珍藏多年的香槟酒），向全社会征集对希格斯粒子的“小学生理解能力”的解释。最终，伦敦大学的粒子物理学家大卫·米勒赢得了这瓶香槟。

米勒是这样描述的：一个鸡尾酒会上，大家都在自由地交谈，此时的所有人就是分布在空间中的希格斯场。这时一个酒童进入了酒会，没有人会注意一个酒童，于是他可以自由地在酒会上到处行走并随意改变行动轨迹。而这名酒童在酒会上的运动就是一个无质量的粒子。但假如一位名人（比如爱因斯坦）来到酒会，就势必会引起轰动，酒会上的所有人都会立即注意到他并围拢过来，于是受到干扰的他就只能缓慢地移动，并且很难自主改变方向。此时爱因斯坦就是一个有质量的粒子。理解了这一点后，可以再假设一个场景：爱因斯坦并没有进入酒会现场，而是在门口和某人简单交谈了一会儿就走开了。那么，这个与之交谈的人返回酒会后就会把这个消息讲给其他人听，而听到消息的人总有一个会把这条消息继续传播下去。如此一来，虽然每个人听到这个消息并传播给他人之后就又回到了自由交谈的状态，但是这条消息会持续地传播下去，这些人在传播消息的时候，就是一个希格斯粒子，而那些传播这个消息的人，本不相识，却因这条消息的传播而微妙地形成了一个团体，这就是希格斯场。

这是一个对电磁相互作用非常成功的描述，希格斯粒子终于得以深入人心，虽然没有人亲眼所见，却被无数个“传播消息”的物理学家从理论上证实，人们只差最后一个与之见面的机会罢了，业内人称，“与‘上帝粒子的相见，只差一个酒会”。从此，希格斯粒子和希格斯机制，如同杨-米尔斯方程和夸克模型一样，成为粒子物理标准模型的第三块基石。

曾赢霍金一百美元

2012年7月4日对量子物理界来说是堪称伟大的一天。这一天，困扰整个物理学界的“上帝粒子”（又称希格斯玻色子）被实验发现。欧洲核子研究组织将这个极度恐惧社交的男人推到前台，跟所有的科学家一样，希格斯对闪光灯和记者的提问有一种天然的恐惧感，在整个发布会中，他都像个因为没有完成作业而被罚站的小学生一样，面对记者的提问，显得局促而慌张，采访对答也显得干瘪生涩。当记者问：“您是否觉得您提出的理论像一个科幻小说的某一章？”他答：“你要觉得是，就继续这么觉得吧。”记者再问：“这项发现的意义是什么？是否能推动世界的发展？”希格斯搓着手指腼腆地低下头，干脆地答道：“我不知道。”记者很明显是想缓和一下他的紧张和尴尬，于是请他“露一下头，我想明天的头版头条上就用这样一个标题——‘上帝粒子露头了”。然后，希格斯居然真的退回到采访台后面的海蓝色幕布后，从幕布中间只探出头来……

我们知道，世间万物都是由分子和原子构成的，原子又由原子核以及绕核旋转的电子构成，而原子核由质子和中子构成，质子和中子由夸克和胶子构成，因此夸克、胶子和电子被称为构成物质的最基本粒子。但是希格斯却认为，宇宙遍布着一种特别的、能够与某些基本粒子相互作用的量子场，这种相互作用的一个必然副产品就是此外更深层次的粒子结构一直未被发现，而这种未被证明的粒子被他称作希格斯粒子，并宣称这是物质“标准模型”理论中最后一种未被发现的基本粒子，这套“全由他一时兴起凭空造出来的物质本源理论”则被称作“Higgs机制”（希格斯机制）。

几乎所有的科学家都认为这种基本粒子源于希格斯的狂想，因为按这套理论推演下去的结果，希格斯粒子应该完全没有质量，而这在自然界是不可想象的，因为基本粒子有了质量才产生引力和磁场，才会有元素、生命、恒星、行星、星系以及整个宇宙。最重要的一点是，实验物理学家一直未能在实验上捕捉到它。但是希格斯做到了。从单纯的物理学角度上来说，希格斯粒子的发现，是解决物理学最根本的关于“质量起源”谜团的关键。

在希格斯粒子尚未经实验获得之前，一切关于“希格斯玻色子是物质质量之源”的讨论都只是一种假说。斯蒂芬·霍金认为宇宙的出现来源于黑洞辐射，而彼得·希格斯的宇宙则源于“上帝粒子”假说，这是当时世界上影响最大的两种宇宙出现的理论，而让霍金不能容忍的恰恰就在这里，希格斯居然“擅自动用了‘上帝这个名词”；同样地，霍金主张的黑洞，人的肉眼也看不到。

坐在轮椅上通过电子仪器说话的霍金与本是无神论者却被强迫使用“上帝粒子”来命名自己的科学成果的希格斯，不仅个性不同，两人在学术体系和研究方向上也算得上是死对头。霍金几乎在所有的公开场合宣称“首先要证明上帝，再来想办法证明上帝粒子”，是少数怀疑希格斯玻色子是否存在的科学家之一。他声称，自己是个眼见为实的实验物理学家，而希格斯只是一个以符号推演和仅靠奇思妙想支撑学术架构的“幻想物理学家”。对此，希格斯则反唇相讥：“如此说来，爱因斯坦也是幻想物理学家喽？”

霍金甚至开玩笑地说，如果欧洲核子研究组织大力支持用巨资兴建的粒子对撞机帮助希格斯进行实验，最终却竹篮打水没能发现“上帝粒子”的话，“这会是个好消息，是个至少令我本人兴奋异常的事件”；而希格斯则认为霍金的研究方法“从根儿上就错了，是歪路上的歪理邪说”。

于是，一场以一百美元为赌注的赌局开始了——

霍金在一次会议上公开与美国密歇根大学的凯恩教授打赌，愿意以一百美元为赌注，猜欧洲核子研究组织的对撞机“撞不出任何东西”，“希格斯玻色子根本就不存在”。而希格斯则对此次对撞试验信心满满，多次宣称“霍金输定了，我将拿到那一百美元的钞票，并希望霍金的身体条件允许，能在那张钞票上签上自己的名字”。这一对赌，被当时的物理学界戏称为“百元美钞之战”。

在这场关于一百美元的“豪赌”现场，对撞机停下之后，欧洲核子研究组织欣然宣布发现了与希格斯玻色子特性几乎完全一致的新粒子。希格斯本人当天在日内瓦出席了该项试验的研讨会。研讨会结束之前，他喜形于色地对身边的人说，自己已经打算回家好好庆祝一番：“我刚给家里打了电话，要家人在冰箱中放一些香槟。”希格斯补充说：“今天的试验结果证明，我不只是个幻想物理学家，试验的进行和结果让我震惊和喜悦……我没想到自己能在有生之年看到这一切的发生。”

霍金则大度地对此结果表示祝贺，并说这是希格斯的胜利，也是自己的胜利，因为“我和希格斯一样，都是英国人，这是英国整个民族的胜利”。他在接受英国广播公司的记者采访时，面对镜头笑得很是欣慰：“听说希格斯的父亲就在这家传媒公司任职一生，当然了，除开这一点，今天的试验是一个重要的发现，应该能带给彼得·希格斯一个诺贝尔奖。”

在大度地承认世界应给希格斯一个诺贝尔奖的同时，霍金也不失风度地说到了自己的小遗憾：“我曾固执地认为希格斯玻色子不会被找到，看来我刚刚输给他一百美元。”

就是这样一个喜欢独处的固执而又不喜社交的老头，在一场关于“上帝粒子”是不是存在的赌博中赢了世界上最伟大的科学家霍金一百美元，这个“等待四十八年的玻色子终于被证实”之后又“光速般获得诺贝尔奖”，填补了粒子物理学界的空白，甚至颠覆了整个物理世界的认知体系。

希格斯因而成为世界上成果完成后最短时间获诺奖的人，颁奖理由是：他首先在理论上发现了希格斯玻色子的机制，而又用实验证实了这种粒子的存在。希格斯玻色子是希格斯场的一种基本粒子，它不带电荷、色荷，极不稳定，生成后会立刻衰变。该粒子被证实，对揭开物质质量起源之谜有极为重大的意义。

“因为我早已习惯孤独”

虽然这次对撞试验成功了，但希格斯显然并不开心。一夜之间，他从一个备受打击的“幻想物理学家”变成了诺贝尔奖得主，成了万众瞩目的偶像和“最杰出的科学家”，他几乎蒙了。更大的困扰是这些纷至沓来的荣耀把一向深居简出的希格斯推到幕前，连出门买个菜都被记者们蜂拥着，这让他极其不适——他是个不爱社交的人，以至于当他得知自己拿到了诺贝尔奖之后，立即让家人在爱丁堡乡下买了个小农房，并在一个深夜，悄悄地举家搬迁。

“这样就没人会打扰到我了。”要知道，在此之前，他在爱丁堡的家里没有电视、电脑，虽然装了电话，但他几乎不用，实在迫不得已时，他也是安排秘书接听。除了定期去学校上课，他手边能获取外界信息的渠道只是几份报纸和十余种物理学杂志。他的秘书说，他是那种一头扎进数字堆里就可以不眠不食的学术狂人，哪怕是在街上见到陌生路人都会脸红害羞，为了逃避记者的围追堵截，他甚至不穿皮鞋只穿系鞋带的运动鞋，“这样在落荒而逃时就不会跑丢了我的鞋。‘上帝粒子的发现毁了我的生活，因为我早已习惯孤独”。

事实也是如此，希格斯一生从不追求时尚的东西，一件马甲可以穿十几年，他过得枯燥乏味，甚至了无生气，还在上学的时候，同学们送给他的外号就是“老顽固”，而倔强的他之所以选择同时代的人都拒绝选择的物理学，也是因为“别人都认为这种研究毫无前途可言。那么好吧，就它了，我本来就是个没有前途的人”。而与女孩子交往更是想都别想，他的初中校友，同样身为物理学家的迈克尔·菲希尔回忆说，希格斯唯一的爱好就是在假期去世界各地旅游，当年他们一道旅游的时候，每到一地，他都想办法给希格斯介绍“各种口味的女朋友，甚至包括自己的亲戚，但是希格斯显然对此虽然兴趣很大但手段低劣，因为他一次也没有成功过”。

2024年4月8日，这个孤单的老人离开了这个世界，没有留下任何遗言。但他的贡献就像他所预言的希格斯玻色子，已经成为照亮科学殿堂的一颗永恒明星，熠熠生辉。