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2 男孩们的冒险（第2页）

标准模型理论优雅而巧妙。尽管它仍然包含了太多的参数和许多真正含义尚未完全清楚的常数，但它的成功立即引起了轰动，因为它具有强大的预测能力。它预测新的粒子，有规律地发现新粒子，并且能以高精度计算新的可测量。实验物理学家发现这些量与预测一致，在某些情况下，甚至可以计算到小数点后10位。

标准模型认为物质由三代夸克和三代轻子构成，它们根据精确的定律相互作用并结合在一起，产生了我们所知道的一切。十二种基本粒子（三对夸克和三对轻子）通过交换其他粒子相互作用，这些粒子是四种基本力的载体：光子，即由光构成的粒子，传递众所周知的电磁力，而胶子本身带有色荷，传递强相互作用，这种强相互作用将质子内部的夸克聚集在一起，并且能克服原子核中质子之间的电磁力。另外，弱相互作用通过发射和吸收非常重的粒子（称为W及Z玻色子）来传递。最后，未纳入标准模型的，还有引力。它在具有质量或能量的物体间相互作用，并通过引力子的交换传递作用力，引力子是引力的媒介子，目前还没有被实验检测到。

力的媒介子拥有整数自旋（1或2），它与自旋为0的粒子均为玻色子。夸克和轻子是物质的组成部分，它们的自旋分数为12，通常被称为费米子。

标准模型的原型是弱相互作用与电磁相互作用的统一，这变成了单一力的两种不同表现形式，即电弱相互作用。一切都源于形式上的类推，这种类推加强了费米开始定义弱相互作用的直觉。

描述这两种相互作用的方程实际上是相同的，这种形式的一致不可能是一种巧合。在19世纪，法拉第、麦克斯韦和洛伦兹提出的统一的电磁学理论与电磁学现象交会在一起，奇迹又一次发生。这一发现不仅从根本上改变人们对自然的理解，也可能彻底改变了整个社会。

当普通记者请我用简单的术语解释关于希格斯玻色子的新科学发现可能产生的经济和社会影响时—这是我经常提到的一个话题—我无法回答这个问题，但我知道，如果今天不了解电磁学，我们仍然会乘坐蒸汽火车，会使用蜡烛和煤气灯来照明，用信鸽来交流。我不知道电弱统一是否会带来新技术，但我知道，在19世纪下半叶，当制定麦克斯韦定律时，没有人能想到世界会因这四个方程而发生如此迅速和深刻的变化。

另一个比萨学生的疯狂想法

标准模型的成功与欧洲核子研究组织进入国际物理学领域发生在同一时间。成立于1954年的欧洲实验室起初努力在高能物理领域建立自己的地位，而这一领域传统上是由超级大国美国主导的。欧洲核子研究组织的第一个重要成果是在20世纪70年代发现中性流（中性流是一种难以捉摸的现象，它构成了“标准模型假设的Z玻色子存在的第一个间接证据”）。在20世纪80年代，伴随着弱相互作用的媒介子W及Z玻色子的发现，这一理论达到了顶峰。

这一发现的主角是另一位曾在比萨大学就读的学生，也是一名优秀的师范学院学生。自费米发表关于弱相互作用的文章以来，已经过去了40年，当时还没有人发现这种力的媒介子，该理论预测这种力的质量非常大。为了克服这些困难，年轻的鲁比亚[18]向欧洲核子研究组织提议建造一个前所未有的加速器。这是一个革命性的想法，乍一看很疯狂：在同一台加速器中，让质子束和反质子束循环，并使它们发生碰撞，从而有足够的能量产生幽灵般的粒子。这个想法涉及从根本上改动欧洲核子研究组织最强大的加速器，使其适应新的特性，并涉及解决一系列令人记忆深刻的技术问题。鲁比亚性格暴躁，工作中会忍不住动手。为了帮助他，著名的加速器专家之一、荷兰物理学家西蒙·范德梅尔进入了这个领域，提出了一种建立和保持反质子束聚焦的革命性方法，这是在碰撞中获得足够强度的决定性因素。

即使最不情愿的同事也深信不疑，在20世纪80年代初新加速器将开始运行。一切都进行得完美而迅速，在相互作用区周围建造的巨大探测器里，期待已久的信号出现了。1983年12月，在欧洲核子研究组织的一次研讨会上，鲁比亚向世界宣布了W和Z玻色子的发现。在第二年，他与西蒙·范德梅尔因此共同获得诺贝尔物理学奖。

我也是当时聚集在中央礼堂的数百人中的一员。当鲁比亚一张张地讲述几百张幻灯片，向一群紧凑而安静的观众展示少量Z玻色子和第一批W玻色子时，我仍然记得，在那一刻，我有一个清晰的想法—有点像白日梦。有那么几秒钟，我想象着自己在未来的某一天站在那个讲台上，在那个挤满了物理学家的礼堂里，展示一种新粒子的第一个证据，这种新粒子将永远改变我们对世界的看法。我相信，像我一样出席研讨会的所有年轻物理学家都拥有同一个梦想。

质量的难题

标准模型所积累的成功并不能掩盖隐藏在整个理论构建中处于框缘的一个潜在问题。

这两种如此不同的相互作用，怎么可能是同一种力的表现呢？电磁力的作用范围是无限的，照亮我们街道的灯泡发出的光子，在适当的时间，将抵达宇宙最偏远的角落；而几千年来我们一直可以忽略弱相互作用，因为它只发生在非常小的亚核距离内，并立即消失。物理学的一般定律告诉我们，力的作用范围与其承载的粒子质量成反比。这就是为什么电磁力的作用范围是无限的—这是只有零质量的光子才能给予的礼物。现在人们明白了为什么W和Z玻色子的质量一定如此之大。只有非常重的粒子才能产生像弱力这样的短距离作用力，但是，无质量的光子如何调和W和Z玻色子所带来的相同的电弱相互作用呢？是什么真正将W和Z玻色子与光子区别开呢？质量到底是多少？

用术语说，这些问题的名字统称电弱对称性破缺，参照这一事实—理论上，从一个对称的情景开始，电磁力和弱力应该是同一物体，而事实上，对称性被“打破”并且两种力截然不同。自20世纪60年代起，人们就开始疑惑造成这种破缺的原因，并设计了许多解决办法，但“1964年的男孩们”出现之前，没有一个真正令人信服的答案。再一次，一些年轻人提出了一个新的想法，一个前所未有的想法，打破了常规。他们是两个三十岁出头的比利时男孩以及一个和他们同龄的英国人。

罗伯特·布劳特和弗朗索瓦·恩格勒是很好的朋友。他们有很强的幽默感，他们喜欢美食、美女和笑话。他们性格外向，思想丰富，并富有感染力。他们一直从事固态物理学的工作，但是后来他们决定将注意力集中在粒子物理学上。这不是他们擅长的领域，他们犹豫了很长一段时间，才将他们在这个新学科的第一个作品出版发表。他们担心自己忽略了一些琐碎细节，害怕写废话。对他们来说，解决方案似乎显而易见。他们已经在其他固态的典型情况下看到了它的作用。如果这两种相互作用的方程是相同的，只能是它们传播的方式打破了对称性—那就是真空。换句话说，正是真空“打破了对称性”，因为真空并不是虚无。要证明电磁力和弱力之间的区别，有必要承认存在一个“场”，它占据了空间的每一个角落。

这么说似乎是一件小事。如果你思索一下，就会发现，没人把它们当回事也不足为奇。这两位“新人”到来并告诉我们，宇宙的每个角落都弥漫着一种微妙而神秘的东西，这是之前从未有人考虑过的。他们投递的文章被接受并发表，但一开始没有引起相关的反响。

几周后，同一家杂志又收到了另一篇文章，从完全不同的角度探讨了相同的话题，得出了相似的结论。作者是彼得·希格斯，一位年轻且名不见经传的英国物理学家。他刚被召到爱丁堡，与这两位比利时人年龄大致相同，但性格完全不同。他是一位数学物理学家，他独自工作。他很严肃，很保守，很爱他的妻子，不太喜欢和同事一起来往或欢宴畅饮。他的文章的第一版寄给了另一家杂志，但被拒绝了。他几乎不情愿地，在8月又工作了几周，以回应评审人员，也就是那些被匿名召集来决定提议文章是否应该发表的科学家们的反对意见。最后，彼得决定展开阐述其中一个要求他进一步澄清的论点，他的结论很明确：是的，电弱对称性的自发破缺是一种新的有质量的玻色子产生的场的结果。第二版文章被采纳，并在布劳特和恩格勒的文章出版几周后发表在杂志上，彼得·希格斯引用了前者的文章。

多年后，在斯德哥尔摩，当我们为他们刚刚被授予的奖牌干杯时，彼得向我倾诉：“我总是在想，这个世界是多么奇怪：如果1964年他们没有拒绝那篇文章，我今晚就不会在这里了。”

所提出的机制很简单。如果你用几个公式来描述它，这几乎是显而易见的。质量，基本粒子最普通的特性，隐藏着一个陷阱。我们之前怎么就没想到呢？非常轻的轻子和非常重的夸克诞生了，都没有质量，非常民主。正是占据整个宇宙的希格斯场选择并区分了大质量粒子和轻粒子。与场的相互作用越强，粒子的质量就越大。

即便不是不可能，也很难找到一种在不浪费能量的情况下运行机制的严谨推论。通常使用的图像不能充分反映对称性自发破缺机制的特性。我喜欢把它描绘成橄榄球场上侵略性的、结实的防御者阵线，光子渗透进来，无视他们，然后迅速地从他们**溜过去。但如果W或Z玻色子到达，就无法逃脱了。防守队员抓住他们的脚踝，无情地把他们拉倒。他们试图站起来，但徒劳无功，他们痛苦地拖着自己走了极短的距离，带走了一群玻色子。这就是我们的宇宙形成微妙平衡的方式：光子给我们带来最遥远恒星的光，而使太阳发光的弱相互作用躲避了我们的视线，并被限制在亚核距离之内。

这个想法是革命性的。即使在这种情况下，它也没有立即产生任何显著的反响。用彼得·希格斯的话来说：“我们的文章，一开始绝对是被忽略的。”甚至还有人曾想过换工作。然后，事情又慢慢地发生了变化。一部分是由于布劳特、恩格勒、希格斯提出的解释似乎简单而优雅，另一部分是由于该解释找到了一位杰出的支持者—电弱统一之父史蒂文·温伯格。他开始在他的文章中，在他的研讨会上越来越多地提到希格斯机制。几年后，赫拉尔杜斯·霍夫特，一位非常年轻的荷兰学生，经过几个月的工作证明了这个理论是可靠的，也就是说，他没有遇到那些无休止的分歧，那是理论家的噩梦。他们最终接受了标准模型，并接受了三位陌生人提出的解决方案。

顺便一提，在1999年，也就是在那篇论文发表多年之后，赫拉尔杜斯·霍夫特和他当时的导师马丁努斯·韦尔特曼被授予诺贝尔物理学奖。“如果他们在1967年告诉我，当我疯狂地去寻找那些对我来说似乎不可能计算的答案时，那份工作会让我获得诺贝尔奖，我会发笑。”几年前赫拉尔杜斯对我坦白道。当我看到我的学生没有专注于他们的论文时，我经常对我的学生重复一句话：这可能是他们一生中最重要的工作。

力的大统一

电弱统一又让所有物理学家的梦想迈出了决定性的一步：基本力的大统一。

此事早已众所周知。第一个统一可以追溯到伽利略和牛顿时期。使物体加速向地面运动的重力，以及月球对地球或地球对太阳的引力，这是万有引力的两种不同表现形式。天体引力和地球重力是同一种力。这是苹果掉在这位伟大的英国科学家头上的故事所告诉我们的。

第二个统一花了两个世纪才实现，让我们统一把电磁称为光子所携带的力。自从法拉第、赫兹、麦克斯韦和洛伦兹证明电现象产生磁效应，反之亦然，一切都变得简单而自然。用少量优雅的公式来描述迥然不同的现象。之后当人们发现，是光子传播了这种相互作用，而可见光只不过是一种特殊的电磁波，即传播的磁场扰动时，光学也成为这个家族的一部分。

随着电磁学和弱力的统一，将三种基本相互作用（也包括强核力）考虑为单一超力的不同表现形式的趋势已势不可挡。

机制很简单。这三个基本相互作用由三个称为“耦合常数”的数字来描述，它们定义了力的强度。常数越大，力的强度就越大。这三个常数的值是众所周知的。如果用1来表示强力的耦合常数，则电磁力为1137，即电磁力比强力弱100倍，弱力约为强力的百万分之一。

这些显著的起始不平等被一种机制削弱了，我喜欢称之为“动态社会正义”，这个机制已经在无数实验中得到验证。耦合常数的值，即力的强度，并不是一成不变的静态值。简而言之，这些常数不是恒量，而是取决于能量。随着能量的增加，强者变弱，弱者变强。

这种奇怪的动态已经通过高能碰撞得到了验证。碰撞的能量增加得越多，电磁力和弱力的表现强度增加得越多，强力的表现强度则减少得越多。这种机理是电弱统一的基础。当有足够的能量产生W和Z玻色子时，弱相互作用的强度增长到一定程度，我们可以通过实验来验证数十亿年来没有人看到过的电弱统一。