图:Bengt Nyman,2013 年 12 月诺奖周(时年 84 岁)/ Wikimedia Commons / CC BY 2.0
彼得·希格斯
Peter Higgs1929–2024 · 生于英国纽卡斯尔 · 英国
为质量的起源写下一行方程,然后等了四十八年
诺贝尔物理学奖 2013 对亚原子粒子质量起源机制的理论发现(与恩格勒同获)
「放在今天,我根本找不到大学的教职。就这么简单——人家不会认为我「产出」够多。」
—— 2013 年赴斯德哥尔摩领奖前接受《卫报》采访(译自英文原文)
现代物理学里很少有这样的对照:一个人一生发表的论文屈指可数,其中一篇只有一页半;而为了验证那一页半上的想法,人类建造了有史以来最大、最贵的科学装置,并等待了四十八年。
一个不高产的理论物理学家
彼得·希格斯 1929 年生于纽卡斯尔,童年因哮喘与父亲工作调动而辗转,大量时间靠自学。他在布里斯托尔的中学里注意到荣誉榜上一个反复出现的名字——保罗·狄拉克,那是他第一次意识到理论物理是一门可以投身的行当。
他在伦敦国王学院念完博士,1960 年到爱丁堡大学,此后一辈子没再离开。他不擅长也不喜欢学术圈那套节奏:不参加社交,很少合作,几乎不发论文。他晚年多次直言,在今天这个以论文数量与经费论英雄的环境里,自己这样的人根本不会有机会——「我不认为人家会觉得我产出够多」。
1964 年:三组人,同一个答案
1960 年代初,理论物理卡在一个死结上。杨振宁与米尔斯 1954 年建立的规范场论优美得让人无法拒绝,却有一处致命伤:规范对称性要求传递力的玻色子质量严格为零。可现实中传递弱相互作用的粒子明显很重。这正是 1954 年泡利当面追问杨振宁的那个问题(见本站「杨-米尔斯规范场论」页)。
另一边,南部阳一郎从超导中借来了「对称性自发破缺」的思想,凝聚态物理学家安德森也指出,超导体里的光子实际上「变重」了。但把这些线索拼成一个适用于相对论性规范场的完整机制,是 1964 年的事。
而且必须说清楚:这不是希格斯一个人的功劳。1964 年有三组人几乎同时、各自独立地给出了答案——比利时的布劳特与恩格勒最早发表(8 月),希格斯紧随其后(10 月),伦敦帝国理工的古拉尼、哈根与基布尔在 11 月发表第三篇。今天这套机制通常被简称为「希格斯机制」,只是历史的简写。
被退稿的那一页半
希格斯那年写了两篇短文。第二篇——真正给出模型的那篇——投给《物理快报》,被退稿,理由是「不值得快速发表」。他很不满,重写时加了一段讨论,其中点明:这个机制必然伴随一种可以被探测到的、自旋为零的重玻色子。改投《物理评论快报》,8 月 31 日收稿,顺利刊出。
希格斯本人后来说,大概正是这补上的一笔,才让人们把那个粒子叫作「希格斯玻色子」。它同时也成了此后半个世纪实验物理的靶心:机制本身很难直接检验,但一个具体的粒子可以被造出来、被看见。
至于「上帝粒子」这个绰号,来自莱德曼 1993 年的科普书书名——据说他原本写的是「该死的粒子」,出版商改成了「上帝粒子」。希格斯本人一直不喜欢这个说法,认为它既不准确,也可能冒犯有宗教信仰的人。
2012 年 7 月 4 日
大型强子对撞机建成后,寻找希格斯玻色子成了它最重要的任务。2012 年 7 月 4 日,CERN 的礼堂里挤满了人,ATLAS 与 CMS 两个实验组分别报告:在约 125 GeV 处发现了一个新粒子。全场起立鼓掌时,83 岁的希格斯坐在观众席,掏出手帕擦眼泪。他后来说:「这居然在我有生之年发生了。」
第二年他获得诺贝尔物理学奖。宣布当天他刻意躲开了媒体,出门吃午饭,没带手机;直到下午在爱丁堡街头,一位从前的邻居下车向他道贺,他才知道自己得了奖——「哦?什么消息?」
他留下的东西
希格斯机制补上了标准模型的最后一块拼图,也终结了规范理论的质量困境。但他本人从不夸大它:日常物体的质量绝大部分来自把夸克束缚在质子、中子里的强相互作用能量,希格斯场直接负责的,是电子、夸克这类基本粒子自身的质量。
2024 年 4 月 8 日,希格斯在爱丁堡家中平静离世,享年 94 岁。爱丁堡大学的讣告里说,他为后世留下的不只是一个粒子,还有一个提醒:科学最重要的进展,有时来自一个安静的人、一个安静的下午。
代表方程
希格斯势
当 μ² 取负值,这个势的形状就像一顶墨西哥草帽:帽顶(场为零处)是不稳定的凸点,最低点绕着帽檐排成一圈。真空必须从帽檐上「随便挑一点」落定,于是原本完美的旋转对称被这次选择打破了——对称性没有消失,只是被真空藏了起来。这就是「自发破缺」。
规范玻色子的质量
落到帽檐上的真空处处充满一种场,其强度 v 约为 246 GeV。传递弱力的 W、Z 粒子在这片场里前进时会「吃掉」被破缺掉的自由度,从而获得质量——质量并非硬塞进方程,而是从真空的选择里长出来的。
费米子的汤川质量
电子、夸克这类基本粒子的质量,等于它与希格斯场耦合的强弱乘上真空场强。耦合强的重,弱的轻——为什么顶夸克比电子重三十多万倍,标准模型只能记录,无法解释。