本文作者：Sheldon

大厅里济济一堂，洋溢着欢乐的气氛。这里没有觥筹交错，没有歌舞表演，也没人准备在室外燃放烟花。人们聆听台上各位主角的发言，注视着大屏幕上奇怪的图形、符号和数字，时不时爆发出一阵热烈的掌声。

或许会有人认为这是《黑客帝国》中的锡安，屏幕上流动的数据揭示着矩阵的奥秘，人们正向它的发现者、耄耋之年的墨菲斯致以崇高的敬意。但这里其实是位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心（CERN），时间是2012年7月4日，而满头白发的老人名叫皮特?希格斯（Peter Higgs）。他不是尼布甲尼撒号的船长，而是英国爱丁堡大学的退休教授。

【图片出处：】

物理学家已经有很多年没有像今天这样兴奋了，因为他们从数据中看到的是一种新发现的粒子——很可能就是大名鼎鼎的“上帝粒子”或希格斯玻色子。早在20世纪60年代，这种粒子的相关机制就已被希格斯和他的同行提出来，直到2012年7月4日，人们才确信在CERN的大型强子对撞机（LHC）上发现了它的踪影。

【图片出处：】

这是一场48年的漫长等待。像很多做出重大发现的科学家一样，希格斯本以为等待的时间会更长，“那时候我可能已经不在了”。

为什么一个小小粒子让这么多才智不凡的人如此牵肠挂肚？若要说清其中缘由，我们也许得追溯到2600多年前的古希腊。

古希腊的火种

那是在公元前6世纪土耳其西海岸的城邦米利都，当时的人们已经掌握了测量土地、冶炼金属、制造船舶等先进技术，同时又对变幻无常的天气、波涛汹涌的大海和深不可测的星空迷惑不已。在迷信、神话和传说的重重迷雾下，是米利都人点燃了第一只理性的火把，照亮了前进的道路。他们认为，表面上纷乱如麻的现象背后，其实潜藏着一个简单的秩序。米利都学派创始人泰勒斯提出，万物的本原是水。西西里的恩培多克勒假设，万物的本原是土、气、火、水四种元素。色雷斯的德谟克利特的观点则最接近现代科学的理解：万物的本原是原子和虚空，原子不可分割，绝对的虚空是原子活动的场所。

【】

在之后的岁月里，复杂源于简单的哲学与数学理论、实验技术的发展共同促成了一个又一个重大发现。德谟克利特的原子论经过后人的补充和完善，逐渐成为一个血肉丰满的科学理论。原子的地位如今已被基本粒子取代，原子论的升级版本叫做粒子物理的“标准模型”。

【图片出处：~dfehling/，查看大图可点击原链接】

1897年，剑桥大学卡文迪许实验室的汤姆逊（Sir Joseph John Thomson）第一次发现了基本粒子：电子，并于1906年获得了诺贝尔物理学奖。希格斯玻色子是标准模型中最后一个有待发现的基本粒子，它为电子等许多其它基本粒子赋予了质量。CERN的发言人罗尔夫?霍耶尔（Rolf-Dieter Heuer）说，希格斯玻色子的发现是理解自然之路上的一个里程碑 。同时，爱丁堡大学在网站上宣布，他们决定建造一所新的希格斯理论物理研究中心。

基本粒子的里程碑似乎与希格斯有着不解之缘。卡文迪许实验室的创始人是英国理论物理学家詹姆斯?麦克斯韦（James Clerk Maxwell）。麦克斯韦1831年在爱丁堡出生，并在爱丁堡大学度过了4年学生生涯。麦克斯韦是“复杂源于简单”思想的集大成者，他将导电的线圈、好玩的磁铁和无处不在的光用同一组优美的数学方程联系起来。后来人们发现，这个方程的量子版本可以描述一种为电磁现象提供中介的基本粒子：光子。而描述电子的数学方程则是1933年诺贝尔奖得主保罗?狄拉克（Paul Dirac）在1928年时提出的。一年之后，希格斯出生了。巧合的是，希格斯就读的中学（Cotham School）也是狄拉克的母校，当时的希格斯曾受到这位杰出校友的鼓舞。1997年，希格斯因自己的研究工作获得了狄拉克奖。

理论家希格斯

希格斯是一位理论物理学家，他和实验家的区别在于不用做实验。当实验家和数百人的团队在巨大的实验室里因为一根电缆而忙得晕头转向时，几个理论家却可以坐在办公室里喝喝茶，聊聊天，发发呆，然后写写划划。1988年诺贝尔奖得主、实验物理学家里昂?莱德曼（Leon Lederman）在《上帝粒子》一书中略带嘲讽地说：“理论家面临的唯一风险是当他们在查找计算错误时用铅笔戳到自己的头。”不过在理论家眼中，最大的风险不是自己提出了错误的假说，而是同行先自己一天提出正确的理论。

在美国物理学会的网站上，有一个庆祝学术期刊《物理评论快报》（PRL）诞生50周年的纪念页面。1964年的栏目下并列出现了3篇论文。它们描述了类似的物理机制，是由6位理论家在先后四个月的时间里分别寄出的。希格斯的寄出时间排在第二，但他的完成时间较早，因此获得了首创权。2010年，这6位发现者共同获得了美国物理学会颁发的“J.J.樱井理论粒子物理学奖”，他们之中还有恩格勒特（Francois Englert）、布劳特（Robert Brout）、古拉尔尼克（Gerald Guralnik）、海根（C. R. Hagen）和基博尔（Tom Kibble）。

不过希格斯本人十分低调，面对媒体时他不愿直呼那个粒子的学名，而是称之为“以本人命名的玻色子”。论文发表数年以后，希格斯在一次学术会议上见到了其它几位发现者。他表示当时心里略有不安 ，因为觉得他们受到了不公正的对待。历史虽然无情，但希格斯称与其他发现者现在的关系很好。只可惜，布劳特已于2011年去世。

【Robert Brout in 1964，图片出处：维基百科。Brout是不是像一个人？就是下面这位】

就差临门一脚

相似的理论之所以会在同一时期出现，是因为当时的条件已经成熟，就差临门一脚。现实世界的运行规律和《黑客帝国》中的矩阵程序不无共通之处。尽管矩阵中有日月星辰、高楼大厦和红衣女郎，但所有现象都可以归结为一串串由1和0表示的二进制数据，以及数据之间相互影响、发展变化的规则。

到20世纪中叶，科学家将当时已知的现实世界也还原成了几十种基本粒子，以及粒子之间4种基本的相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。于是，基本粒子也就分为两大类，一类是电子、中微子、夸克等等，它们是构成世界的基本成分。而光子、规范玻色子和胶子在其中为引力之外的3种相互作用提供中介。

但是，理论和实际的联系出了问题。1954年，理论家杨振宁和罗伯特?米尔斯（Robert Mills）对麦克斯韦方程进行了推广，提出了杨-米尔斯方程。这套方程彰显了理论界的一套普适价值，叫做“规范对称性”，人们相信这套价值会让理论的数学形式变得简洁。然而，普世价值的简单推广却产生了令人尴尬的后果，杨-米尔斯方程描述的基本粒子都没有质量，如果让这样的粒子为相互作用提供中介，普世价值就会要求狄拉克方程描述的电子、夸克都没有质量。这就与实验现象产生了严重对立。

60年代初，理论家南部阳一郎（Yoichiro Nambu）讨论了超导理论中的“规范对称性”和一种对称性破缺机制。这种机制是说如果初始条件保持对称，结果中的对称性也可以被破坏，就像啤酒瓶里落下的一颗石子，可以停在瓶底圆形凹槽的任何一个方向上。另一位理论家戈德斯通（Jeffrey Goldstone）将这个结果推广到了更一般的量子理论中。

1962年底，凝聚态理论家菲利普?安德森（Philip Anderson）用对称性破缺的方法为一种非相对论系统中的准粒子赋予了质量，论文于1963年4月在《物理评论》发表。在文章的末尾，安德森暗示类似的方法可以用在相对论性的基本粒子理论中。

希格斯机制

于是，希格斯等人吸取了前人的智慧，在1964年时提出一种新的量子场，叫做希格斯场。理论家认为场是一种比粒子更加简单的概念，不同数量的粒子可以看作同一个场的不同激发态，粒子可以产生和湮灭，场却永远存在。如果希格斯场与那些需要质量的粒子保持密切联系，对称性破缺机制就会在保持规范对称性的同时，让相应的粒子带上质量，而另一些粒子则不受影响。英国物理学家戴维?米勒（David Miller）把这套理论比作充满记者的房间。首相一到场就会被围拢起来，导致行动迟缓，因此获得了质量。而无名小辈进入房间则不受阻碍，仍然保持无质量状态。这就是著名的希格斯机制。

【图片出处：】

希格斯机制提出以后，摆在理论家面前的难题就迎刃而解了。理论家从此获得了一系列诺贝尔奖级别的研究成果。1979年的诺贝尔奖授予了阿布杜斯?萨拉姆（Abdus Slam）、谢尔顿?格拉肖（Sheldon Glashow）和史蒂芬?温伯格（Steven Weinberg）。借助希格斯机制，他们取得了麦克斯韦式的成功，将看似不同的电磁力和弱力统一地描述成了一种电弱力。起初，对称性没有破缺，宇宙中只有几种希格斯场激发的粒子和无质量的规范粒子。后来，由于希格斯场的对称性发生破缺，这几种粒子经过兼并和重组之后，就形成了几种新的粒子：有质量的规范玻色子、有质量的希格斯玻色子和无质量的光子。

霍金赌输了，还有谁

相比之下，实验家面临的境况更加复杂。1897年实验家探测电子时，实验装置大都可以摆在桌面上，费用也不会太高。而仅仅过了100多年，CERN在1998-2008年间建造的LHC的周长就已达到27千米，预算更是高达75亿欧元（中国科研经费对此亦有贡献）。这是因为量子物理存在一个基本原理：探测的事物越细微，需要的能量就越高。于是，相应的加速器就得造得越大。

因此在最近的半个多世纪中，理论常常走在实验的前面。理论家几分钟就能在黑板上完成的演算，实验家往往需要等待许多年。先是等各种技术条件逐渐成熟，然后游说政府和财团，期待他们慷慨解囊，实验装置逐步建设完成之后，再进行验收、调试和小规模试验，最后才能进入检验理论的大规模实验环节。与此同时，像希格斯这样的理论家也在等待实验的最后一刻。如果老师讲授希格斯机制时发现，下面有几个研究生因为听不懂而昏昏欲睡，就会开一个善意玩笑说：“LHC若发现了希格斯玻色子，希格斯就会获得诺贝尔奖。为了获奖，80多岁的希格斯老爷子每天都在锻炼身体!”

CERN宣布实验结果之后，包括赌输100美元的史蒂芬?霍金（Stephen Hawking）在内，许多的理论家都认为希格斯会获得今年的诺贝尔物理学奖，不排除其他几位健在的发现者也会获奖。同样研究理论物理学，霍金的专长是宇宙学，以及广义相对论和量子理论的交叉领域。在此之前霍金曾经跟其它理论家打过4个赌 ，涉及内容都是自己的研究领域，结果全部赌输。

【霍金谈输掉的这场赌局】

不过，这一次霍金并不是唯一打赌的人。2009年，德国物理爱好者亚历山大?温茨克（Alexander Unzicker）也下了100美元的赌注。他认为希格斯玻色子不存在，并为此建立了“打赌希格斯”（bet on the higgs）网站。2011年，爱尔兰一家博彩公司也开设了赌局，还为各种情况设置了赔率：如果在2012年发现希格斯玻色子，赔率是4:1；2013年是5:1；如果希格斯玻色子的质量低于130GeV，赔率是6:1。幸运的是，他们都赌输了，某些人可能赔惨了。

专业人士并不认为希格斯玻色子的实验探测已经画上了圆满的句号。相反，这只能算作一个不错的开篇。希格斯机制和标准模型无法预言这种粒子的质量大小，而是预言它衰变成各种不同产物的比例。LHC只探测了其中2种产物的比例，其它产物由于产量太少，暂时还不能确定。因此，专业的说法相当保守。果壳网将CERN的结论作了形象的比喻：“有个东西，看起来像大象，听起来像大象，摸起来也像大象，但我就是不知道它是不是大象。”

老对手的失落

这样的结果令大西洋彼岸的美国科学家内心五味杂陈。因为从1980年代中期起，费米实验室的Tevatron加速器就在试图寻找希格斯粒子，结果一无所获。2011年10月，由于预算不足，这台加速器被迫关闭。更令人遗憾的是，美国科学家本打算从1990年代初开始建造一个周长87千米的超导超大型加速器（SSC），结果在1993年同样是预算原因而被迫放弃，只留下一条24千米长的隧道。“这本该是个在美国做出、并且已经做出的发现”，美国理论家温伯格说，“美国国会选择了放弃，没有为拓展基本知识的边界而做出努力，我们感到很遗憾 。”

就在CERN召开发布会的前两天，已关闭的Tevatron加速器的科学家突然宣称，根据他们的最新分析，Tevatron之前的数据中也包含了希格斯玻色子存在的证据。而且，这些证据所分析的是另外的衰变产物，由于能量原因，Tevatron对这些产物的探测比LHC更加灵敏。这自然有横刀夺爱之嫌。1977年诺贝尔物理学奖得主、普林斯顿大学的菲利普?安德森对此进行了严厉批评：“在这样的时刻宣布这个结果，费米实验室的做法是不公道的。”

有趣的是，CERN选在7月4日这天召开发布会也可能另有隐情。1984年的7月4日，CERN也曾做出了一项声明，宣称发现了标准模型预言的顶夸克，质量在40GeV左右。但是后来他们又发现自己的分析存在错误，包括费米实验室在内的后续实验逐步否定了这个结果，并最终把顶夸克的质量定在了173GeV。

还有很多余地

希格斯玻色子的发现是科学奥德赛旅程中的又一个里程碑。但理论家和实验家的工作还远远没有结束。2004年诺贝尔物理学奖得主、麻省理工学院的弗兰克?维尔切克（Frank Wilczek）说 ：“到目前为止，所有结果都与最简单最经济的标准模型版本相符，没有任何奇特事物的迹象。但事情还有很多余地，还有未知的领域有待探索。”

“满足于希格斯玻色子的发现，并不能为如何超越标准模型寻找线索。”温伯格的看法则更加悲观 ：“如果这是今后几十年中唯一的发现，前途就会非常暗淡。”

“复杂源于简单”的理想远没有成为现实。标准模型需要20个输入参数，在理论家看来还不够简洁。强力和电弱力还没有纳入更简单的统一框架，更不用说困扰人们多年的万有引力。已知的基本粒子和相互作用只能描述已知宇宙4%的物质，而剩下96%的物质是不可言状的暗物质和暗能量。

我们的宇宙已经存在了137亿年，希格斯玻色子让我们等待了48年。还有多少谜团尚未发现？现实世界的终极奥秘究竟是什么？多久之后才能揭开谜底？没有答案。既然我们无法预测未来，不妨学习玩笑中的希格斯老爷子：每天锻炼身体，等待下一个发现的来临。

（删节版已发表于《南方周末》）