1964年,英国粒子物理学家彼得·希格斯写了两篇论文,投给著名学术期刊《物理评论快报》,然而该刊只接受了其中的第一篇,第二篇只有两页的论文被退了回来。美籍日裔物理学家南部阳一郎看了希格斯的第二篇论文后感觉很有意思,建议他在文中解释一下他提出的“希格斯场理论”的物理学意义。于是,希格斯在文章中加了一段:“希格斯场的激发,将会犹如海洋中的波浪一样,产生一种新的粒子????”不久,《物理评论快报》重新审核并发表了修改后的文章。文中所描述的新的粒子后来被称为“希格斯玻色子”或“希格斯粒子”。
南部阳一郎因为发现“亚原子物理学中的自发对称性破缺机制”而获得2008年诺贝尔物理学奖。而距希格斯提出“希格斯场理论”半个世纪过去了,南部阳一郎曾工作过的美国费米国家实验室直到最近也只发现了希格斯玻色子的“蛛丝马迹”—— 3月7日,该实验室宣布,经过穷尽数据分析以后,他们已接近证实希格斯玻色子的存在,这个结论的最后确认,有望在今年之内实现。
“该死的粒子”或“上帝粒子”
无论大千世界多么丰富多彩,组成它的物质都是由夸克、电子、光子等基本粒子组成的。基本粒子之间存在着引力、电磁力、弱力和强力四种自然力的相互作用。然而,物理学家一直力图找到把四种自然力统一起来的途径,以证明宇宙具有一种基本的统一性。比如,电磁力就是早期由法拉第和麦克斯韦把电力和磁力统一起来的结果。爱因斯坦的贡献是解决了引力的问题,他的后半生一直致力于进一步把电磁力和引力统一起来,但最终未果。美国理论物理学家格拉肖从数学公式对弱力和电磁力的描述中看出它们在某些方面具有相似性,但是让格拉肖不解的是,弱力的作用非常微小,但是传递弱力的粒子的质量却很重。希格斯论文中提出的设想,为解决格拉肖所无法理解的问题提供了新的思路,同时,也可以解释质量起源的基本问题。
根据希格斯的理论,基本粒子通过和一种看不见、却又似乎无处不在的场发生相互作用来获取质量;相互作用越多,粒子获得的质量也越大。在1993年,英国科学家们还很难向政府解释希格斯所描述的这一现象,为此,英国科学部长威廉·渥德格雷发起一场全国竞赛,寻找对希格斯场最好最通俗的解释。结果,伦敦大学学院的物理学家大卫·米勒成为获胜者之一。米勒将希格斯场比喻成在一个房间内正在举行聚会的政治团体。当一个普通人走进房间的时候,不会引起别人注意,他会没有任何阻力地在房间来回走动。然而如果走进来的是当时的英国首相玛格丽特·撒切尔,情况则会大为不同。许多人会走上来,围起来,使得撒切尔首相放慢脚步,这就像是给了撒切尔首相一种“质量”, 这时被围着的首相具有很大的惯性,而惯性正是质量的物理属性。
英国理论物理学家约翰·埃利斯则对希格斯场做过这样的比喻:把希格斯场想象成一片雪地,如果你想徒步穿越,你将会陷入雪地,并且要花很长时间才能走出去;若是穿上一双雪鞋,你的速度将大大加快;而如果使用雪橇,你则可以轻松快速地穿过雪地。对应到物理学上来,粒子的质量来源于某种基本的物理属性,意义上等同于雪鞋或雪橇,这种属性直接影响到粒子穿过希格斯场的方式。希格斯场正是被赋予了这种属性的场,它决定了一个粒子,是如光子一样在空中轻松飞行, 还是像笨重的质子那样运动。而希格斯粒子是希格斯场的“海洋”中掀起的“波浪”。
然而这样的粒子目前还只是科学家的一种假设,并没有从实验中得到证实。该粒子的重要性及其发现难度,使诺贝尔奖获得者利昂·莱德曼打算用“该死的粒子”来称呼希格斯粒子,并以此作为一本著作的名称。然而出版商认为,如果书名改为“上帝粒子”,则可能有助于图书的销量。经过协商,该书最终以“上帝粒子”命名。希格斯粒子无处不在,但又找不到它,这很容易让人想到上帝的存在,所以很多科学家对于“上帝粒子”这个名称,也跟着“牵强附会”了一把。