前面說了弓颈，世間萬物99%的質(zhì)量，實(shí)際上是夸克之間強(qiáng)力的轉(zhuǎn)化删掀，而剩下的那1%翔冀，才是各種基本粒子“本身”的質(zhì)量。不過披泪，物理學(xué)家一直想不通一個(gè)問題纤子，就是為什么基本粒子會(huì)有“質(zhì)量”這個(gè)東西？
你可能覺得，這是一個(gè)無理取鬧的問題控硼，“質(zhì)量”難道不是宇宙萬物最基本的性質(zhì)之一嗎泽论？可是，在物理學(xué)家看來卡乾，還真不是這樣翼悴。這里牽涉到一個(gè)很基本的物理學(xué)理論問題，就是物理學(xué)家認(rèn)為幔妨，各種基本粒子鹦赎，它們實(shí)際上都可以用同一個(gè)理論框架去描述，這個(gè)理論框架叫作“規(guī)范場”误堡。
“場”在物理學(xué)里面古话，是一個(gè)非常重要的概念。比方說引力其實(shí)是通過引力場發(fā)生作用的锁施，電磁力則是通過電磁場陪踩。規(guī)范場也一樣。在這里悉抵，咱們不詳細(xì)解釋什么叫作規(guī)范場膊毁，因?yàn)槔锩鏍可娴椒浅８呱畹臄?shù)學(xué)理論。簡單而言基跑，你可以想象這是一套通用的規(guī)則，只要設(shè)定不同的初始參數(shù)描焰，這套規(guī)則就可以對(duì)應(yīng)于各種不同的對(duì)象媳否。
比如說，最先提出規(guī)范場的是一個(gè)叫作魏爾的德國數(shù)學(xué)家荆秦。他就發(fā)現(xiàn)篱竭，給規(guī)范場理論設(shè)定某一種參數(shù)，它就可以描述麥克斯韋的電磁場步绸。這是規(guī)范場理論的開始掺逼。然后到了1954年，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯做出了一個(gè)更加重要的貢獻(xiàn)瓤介。他們發(fā)現(xiàn)吕喘，把規(guī)范場的那個(gè)初始設(shè)定參數(shù)改成另外一種，這個(gè)理論同樣可以用來描述弱力刑桑！他們提出的理論叫作楊-米爾斯理論氯质，是近代物理學(xué)最重要的成就之一。然后祠斧，在楊振寧后面闻察，我們前面說到的，發(fā)現(xiàn)了夸克的蓋爾曼，又推進(jìn)了一步辕漂。蓋爾曼又發(fā)現(xiàn)呢灶，如果把楊-米爾斯理論的參數(shù)再擴(kuò)展一下，規(guī)范場理論還可以用來描述強(qiáng)力钉嘹！
所以你看鸯乃，這個(gè)理論框架非常神奇，只要設(shè)定不同的參數(shù)隧期，它就恰好能夠?qū)?yīng)自然界的三種不同的力飒责。也正因?yàn)榇耍锢韺W(xué)家毫不懷疑仆潮，這個(gè)框架肯定是正確的宏蛉。
然而呢，這個(gè)理論有一個(gè)致命的缺陷性置。就是它沒法解釋為什么各種基本粒子會(huì)有“質(zhì)量”拾并！比方說，在規(guī)范場的理論框架看來鹏浅，各種力的作用模式其實(shí)是類似的嗅义，它們都類似于把某種粒子扔來扔去而造成的結(jié)果。比方說隐砸，電磁力的本質(zhì)之碗，就是兩個(gè)電子之間互相把光子扔來扔去。類似的季希，強(qiáng)力是把稱作“膠子”的東西扔來扔去褪那。所以把膠子互相扔來扔去，產(chǎn)生的強(qiáng)力就像膠水一樣把夸克粘在一起式塌。同樣道理博敬，弱力是把兩種稱為W和Z的玻色子扔來扔去。你看峰尝，原理都是差不多的偏窝。
既然原理差不多，各種不同的力對(duì)應(yīng)的粒子武学，它們的性質(zhì)也應(yīng)該差不多祭往。比如科學(xué)家已經(jīng)知道，在電磁力里面劳淆，被扔來扔去的光子链沼，是一種靜質(zhì)量為0的粒子。那按照規(guī)范場理論沛鸵，弱力里面相對(duì)應(yīng)的括勺、被扔來扔去的那兩種玻色子缆八，質(zhì)量也應(yīng)該為0。但奇怪的是疾捍，事實(shí)并非如此奈辰。在弱力里面，被扔來扔去的玻色子是有質(zhì)量的乱豆，而且質(zhì)量還不小奖恰。正因?yàn)檫@樣，弱力沒法傳遞得很遠(yuǎn)宛裕，它只有在很近的距離上才能發(fā)生作用瑟啃，而不像電磁力那樣，有著很遠(yuǎn)的傳播范圍揩尸。
這就讓科學(xué)家百思不得其解了蛹屿。理論和事實(shí)不符，是規(guī)范場理論錯(cuò)了嗎岩榆？為此错负，科學(xué)家不得不假設(shè)，在宇宙里還存在著一種我們以前不知道的勇边，神秘的場犹撒。各種不同的粒子與這個(gè)場發(fā)生作用，于是就產(chǎn)生了不同的質(zhì)量粒褒。這個(gè)場识颊，就被起名叫作“希格斯場”。
那這個(gè)“希格斯場”奕坟，是怎么讓各種基本粒子有了質(zhì)量的呢谊囚？你可以想象一個(gè)很大的音樂廣場，里面到處都站著狂熱的粉絲执赡。不過，這些粉絲對(duì)于不同的人會(huì)做出不同的反應(yīng)函筋。如果你只是一個(gè)路人小透明沙合，你大可以安安靜靜地穿過這片廣場，不會(huì)受到任何阻礙跌帐。粉絲們壓根就懶得理睬你首懈。不過如果你是一個(gè)大明星，那情況就完全不同了谨敛。不論你走到哪里究履，狂熱的粉絲都會(huì)撲到你的身邊。你的名氣越大脸狸，撲上來的人就越多最仑。
從物理上講藐俺，靜質(zhì)量為0的光子就相當(dāng)于一個(gè)毫無名氣的小透明。它跟希格斯場不發(fā)生任何作用泥彤，所以可以自由穿梭在空間里欲芹，始終保持本身靜止質(zhì)量為0。而電子和夸克就不一樣了吟吝，它們是有點(diǎn)“名氣”的人菱父。所以希格斯場會(huì)在它們身上產(chǎn)生效應(yīng)，就像是粉絲撲到你身上一樣剑逃，于是就產(chǎn)生了不同的“質(zhì)量”浙宜。名氣越高，撲上來的粉絲就越多蛹磺，你的質(zhì)量也就越大粟瞬。如果都是明星，那夸克的名氣就比電子大称开，所以它的質(zhì)量也比電子大亩钟。
就這樣，通過希格斯場的假設(shè)鳖轰，物理學(xué)家們解釋了各種基本粒子質(zhì)量的由來清酥。但是科學(xué)最重要的是講證據(jù)。我們還需要切實(shí)的證據(jù)蕴侣，才能證明這個(gè)希格斯場真的存在焰轻。這個(gè)證據(jù)是什么？這就是我們一直提到的昆雀，很重要的那個(gè)粒子辱志，就是希格斯玻色子。
希格斯玻色子是什么東西狞膘？它其實(shí)是希格斯場在變化過程中揩懒，產(chǎn)生的一種粒子。我們還是把希格斯場想象成廣場上的粉絲挽封，這些粉絲會(huì)原地轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去已球，尋找明星的出現(xiàn)。每個(gè)粉絲手上都拿著一根熒光棒辅愿，隨著他們的轉(zhuǎn)動(dòng)智亮，你在各個(gè)方向上都可以不斷地看到熒光棒發(fā)出的閃光。這種閃光就是希格斯玻色子点待±龋總而言之，希格斯玻色子是希格斯場的產(chǎn)物癞埠。如果我們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子状原，就可以直接證明希格斯場的存在聋呢，這就是它的重要意義所在。
不過遭笋，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子可不是一件容易的事坝冕。因?yàn)檫@種粒子衰變得很快，它一出現(xiàn)瓦呼，迅速就會(huì)變成其他粒子喂窟。而且，我們并不知道希格斯玻色子本身的質(zhì)量到底是多少央串，所以它究竟會(huì)衰變成什么粒子磨澡，我們也不能確定，只好一個(gè)個(gè)地去試质和。這好比大海撈針稳摄，你要把所有的可能性都檢查一遍，可想而知是多么困難饲宿。
科學(xué)家提出希格斯玻色子的猜想是在1964年厦酬，然后整整有48年的時(shí)間，科學(xué)家一直在苦苦尋找這個(gè)粒子的蹤跡瘫想。因?yàn)榈却臅r(shí)間實(shí)在太漫長了仗阅，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主萊德曼甚至在他的書里，把這種粒子稱為“該死的粒子”国夜。該死的减噪，英文就是Goddamn，但這是個(gè)粗話车吹，所以在出版的時(shí)候筹裕，編輯把這個(gè)詞改了。把后面的damn去掉窄驹，只剩下God朝卒。God就是上帝，所以希格斯玻色子就莫名其妙地被叫作了“上帝粒子”乐埠。實(shí)際上它跟上帝半點(diǎn)關(guān)系也沒有扎运。
不過有意思的是，這個(gè)詞在大眾中間卻非常受歡迎饮戳。大家雖然不知道“希格斯玻色子”是什么東西，但一聽“上帝粒子”洞拨，就覺得很高大上扯罐。你可別小看這個(gè)綽號(hào)，之前美國議會(huì)曾經(jīng)投票否決了超級(jí)加速器的建造烦衣，就是因?yàn)樽h員們根本不理解希格斯玻色子究竟是個(gè)什么東西歹河，為什么要花100多億美元造個(gè)機(jī)器來發(fā)現(xiàn)它掩浙。而自從它有了“上帝粒子”這個(gè)稱號(hào)之后，加速器在歐洲通過審核就順利了很多秸歧。大家一聽厨姚，這個(gè)加速器原來可以發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”，不得了键菱，雖然有點(diǎn)貴谬墙，但也值了。所以经备，為什么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不造在美國拭抬，而是歐洲，最后也是歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子侵蒙，跟它這個(gè)拉風(fēng)的綽號(hào)還真不能說沒有關(guān)系造虎。
我們講了希格斯玻色子可以證明希格斯場的存在，而希格斯場是基本粒子具有“質(zhì)量”的源頭纷闺。不過算凿，除了解釋質(zhì)量之外，希格斯場在物理學(xué)上還有更重要的意義犁功，這就是我要為你解讀的：為什么說希格斯玻色子是物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一氓轰？因?yàn)樗俏锢韺W(xué)走向“大一統(tǒng)”的關(guān)鍵所在。
我們中國人向來有著“大一統(tǒng)”情結(jié)波桩，其實(shí)物理學(xué)家也有戒努。物理學(xué)家的“大一統(tǒng)”是什么？就是想把所有的物理現(xiàn)象镐躲，都統(tǒng)一到同一個(gè)理論框架里面去储玫，用一個(gè)萬能的方程去解釋宇宙里所有的事情。不過呢萤皂，我們前面說過了撒穷，宇宙里存在著四種不同的力，對(duì)吧裆熙？引力端礼，電磁力，強(qiáng)力和弱力入录。這四種力要用四種不同的物理理論來描述蛤奥。比如引力要用到相對(duì)論，電磁力要用到麥克斯韋電磁理論僚稿，強(qiáng)力和弱力也各有自己的方程凡桥。這就讓物理學(xué)家很不爽，在他們看來蚀同，這顯然是不合理的：為什么大自然要多此一舉缅刽，創(chuàng)造四種不同的力呢啊掏？
但自從希格斯場的理論提出之后，人們逐漸意識(shí)到了問題所在衰猛。我們前面提到了迟蜜，在電磁作用里，被扔來扔去的交換粒子是光子啡省，而弱力的交換粒子是W和Z兩種玻色子娜睛。光子沒有質(zhì)量，而W和Z玻色子有質(zhì)量冕杠，這就造成了電磁力和弱力的不同微姊。那么，為什么光子會(huì)沒有質(zhì)量分预，兩種玻色子卻有質(zhì)量呢兢交？我們前面也說了，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谙８袼箞隼镌斐傻姆磻?yīng)不同笼痹，光子是“小透明”配喳，兩種玻色子則有點(diǎn)“名氣”，所以有了質(zhì)量〉矢桑現(xiàn)在關(guān)鍵來了晴裹，為什么希格斯場會(huì)造成這種區(qū)別？這里的機(jī)制到底是什么救赐？
20世紀(jì)60年代之后涧团，科學(xué)家想到了一種非常巧妙的解釋，叫作“對(duì)稱性自發(fā)破缺”经磅。這個(gè)概念聽起來有點(diǎn)難泌绣，我們還是用粉絲來打比方。你可以想象在最開始的時(shí)候预厌，每個(gè)粉絲都閉著眼睛阿迈，而且面向不同的方向。這時(shí)候轧叽，任何明星對(duì)他們來說都沒有區(qū)別苗沧。但是，接下來產(chǎn)生了一次關(guān)鍵變化炭晒，所有的粉絲都隨機(jī)轉(zhuǎn)向某個(gè)方向待逞，并且睜開眼睛。這個(gè)關(guān)鍵變化网严，就是對(duì)稱性自發(fā)破缺识樱。變化發(fā)生后，就有了區(qū)別。如果粉絲恰好轉(zhuǎn)向東邊牺荠，那么，只有東邊來的明星才會(huì)被他們看到驴一，并且撲上去產(chǎn)生質(zhì)量休雌。而其他方向過來的明星他們是看不到的，就不會(huì)有什么反應(yīng)肝断。
希格斯場就是這樣杈曲，最開始的時(shí)候，它對(duì)所有的粒子都不理不睬胸懈，可謂一視同仁担扑。然而，在宇宙誕生后很短的時(shí)間里趣钱，希格斯場發(fā)生了一次對(duì)稱性自發(fā)破缺涌献。這之后，它對(duì)不同的粒子就開始“區(qū)別對(duì)待”了首有。有些粒子可以和希格斯場發(fā)生反應(yīng)燕垃，就被賦予了質(zhì)量，有些粒子一直被冷淡對(duì)待井联。這就造成了各種基本粒子的不同卜壕。
這個(gè)解釋后來被三位物理學(xué)家，溫伯格烙常、薩拉姆和格拉肖分別證明轴捎，光子和W、Z玻色子的區(qū)別蚕脏，其實(shí)就來自于對(duì)稱性自發(fā)破缺侦副。證明它有什么用呢？用處就在于蝗锥，這說明在對(duì)稱性自發(fā)破缺發(fā)生之前跃洛，電磁力和弱力實(shí)際上并沒有區(qū)別，它們根本就是同一種東西终议！
這個(gè)理論叫作“電弱統(tǒng)一理論”汇竭，“電”就是電磁力，“弱”就是弱力穴张。這是物理學(xué)上至關(guān)重要的一步细燎。它第一次證明了，在大自然的四種力里面皂甘，有兩種其實(shí)是完全一樣的玻驻，只是由于希格斯場的對(duì)稱性自發(fā)破缺，才變成了看起來不同的兩種東西¤邓玻可以說户辫，這給物理學(xué)家“大一統(tǒng)”的信念打了一劑強(qiáng)心針。從此以后嗤锉，絕大多數(shù)人都開始相信渔欢，在最早的時(shí)候，宇宙里實(shí)際上只有一種力瘟忱，只不過隨著時(shí)間流逝奥额，它們才逐漸分化成了四種看上去不同的形式。這樣一來访诱，物理學(xué)家就有了一個(gè)終極的追求目標(biāo)垫挨，就是找到那個(gè)可以統(tǒng)一描述所有四種力的理論。這是我們宇宙的終極奧秘触菜，也可以說是物理學(xué)的最高榮譽(yù)九榔。
在統(tǒng)一了電磁力和弱力之后，科學(xué)家逐漸開始把強(qiáng)力也拉到這個(gè)框架里來玫氢。我們前面說過了帚屉，這三種力都可以用一種叫作規(guī)范場的理論框架來描述，只不過各自需要設(shè)定不同的參數(shù)漾峡。在電弱統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上攻旦，人們把三種不同的參數(shù)聯(lián)合起來，得到了一個(gè)可以同時(shí)描述三種力的模型生逸，叫作“粒子標(biāo)準(zhǔn)模型”牢屋。這個(gè)模型可以精準(zhǔn)地預(yù)言，在我們的宇宙里槽袄，一共存在著61種基本粒子烙无。其中物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60種，而剩下的那最后一種遍尺，就是希格斯玻色子截酷。
所以現(xiàn)在你可以理解，為什么2012年乾戏，歐洲核子研究中心宣布證實(shí)希格斯玻色子的存在迂苛，會(huì)成為爆炸性新聞了吧？因?yàn)榈谝还脑瘢C實(shí)了希格斯場的存在三幻，解釋了萬事萬物質(zhì)量的來源。第二呐能，它有力地支持了粒子標(biāo)準(zhǔn)模型念搬，從而讓物理學(xué)向著大一統(tǒng)的目標(biāo)又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。
不過，物理學(xué)的萬里長征這才剛剛開始朗徊，擺在我們眼前的道路其實(shí)還很漫長首妖。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型其實(shí)并沒有完全統(tǒng)一電弱力和強(qiáng)力。如果把三種力比喻成三個(gè)國家爷恳，那么悯搔，電磁力和弱力這兩個(gè)王國已經(jīng)是完全合并了，而強(qiáng)力僅僅只是跟它們組成了一個(gè)緊密的聯(lián)盟舌仍，并沒有完全合并成一個(gè)國家。而且還有一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)通危，并不支持標(biāo)準(zhǔn)模型铸豁。所以這個(gè)模型是不是肯定正確，我們現(xiàn)在還不得而知菊碟。
更重要的是节芥，我們對(duì)引力仍然束手無策，還沒有很好的辦法把引力和其他三種力徹底結(jié)合起來逆害。如果你對(duì)物理很感興趣头镊，一定聽說過所謂的“超弦理論”或者“M理論”。這都是在物理學(xué)界很火爆的名詞魄幕。它們就是研究如何把引力和其他三種力統(tǒng)一起來的理論相艇。不過到現(xiàn)在為止，我們還沒有辦法證明這些理論是正確的纯陨。所以坛芽，把宇宙里所有的四種力統(tǒng)一在一起的目標(biāo)，目前仍然還是一個(gè)遙遙無期的前景翼抠。如果有朝一日咙轩，有人能夠完成這個(gè)終極目標(biāo)的話，那么他在物理學(xué)歷史上的地位阴颖，肯定可以媲美牛頓和愛因斯坦活喊。
