上帝的粒子：希格斯粒子的发明与发现 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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原文作者： Jim Baggott

若二十世纪最重要的科学是相对论，
无庸置疑，二十一世纪就是希格斯粒子！

　　◎ 首本最完整的希格斯粒子传记
　　◎ Amazon读者四星半推荐

　　耗资数十亿美元、集结上千科学家、寻找长达五十年──希格斯粒子究竟是什么？

　　为了寻找神祕的希格斯粒子，欧洲核子研究组织（CERN）集结了超过六千名科学家，耗资数十亿美元，建造了大型强子对撞机，所处的圆形隧道有二十七公里长，堪称有史以来最昂贵的科学实验！科学家不计一切代价，到底寻找希格斯粒子有多重要？

　　希格斯粒子如何成为质量问题的解谜关键？

　　希格斯机制在一九六四年被发表，解释了标准模型理论的质量问题。当理论中的粒子一一被发现，难以捉摸的希格斯粒子便成了标准模型的最后一块拼图。这段长达五十年的验证过程，希格斯粒子终于在二○一二年七月被CERN研究团队发现，科学界欢欣鼓舞，也显示粒子物理学即将进入新纪元。

　　本书作者将时间拉回一百年前，从物质、能量、质量的概念开始说起，清楚描述粒子物理学的理论进程，随着一个个理论的发明，也让我们看见希格斯粒子的诞生。作者更带领我们聆听物理学家的讨论，彷彿亲自参与希格斯粒子的发现过程，经历标准模型被验证的历史。

　　看看物理学家如何轮番上阵，时而独撑大局，时而连袂出击，一步步过关斩将，验证了希格斯场。而看似扑朔迷离的希格斯粒子，又如何被粒子物理学家米勒轻松解释，还说服英国政府掏钱赞助CERN呢？不仅如此，希格斯粒子的研究计画为何在美国国会胎死腹中，却在欧洲得到万众瞩目，其过程也饶富趣味。

　　本书前言由诺贝尔物理学奖得主暨粒子物理学泰斗温伯格专文推荐，可谓首本最完整的希格斯粒子传记，书中清楚解释众多理论与实验内容，细腻描绘不同理论的消长，直指希格斯粒子为标准模型的关键拼图。寻找希格斯粒子的过程精彩可期，也为希格斯粒子发现后的物理发展留下伏笔。

作者简介

巴格特 Jim Baggott

　　曾任英国里丁大学化学讲师，随后离开校园追求商务职涯，他先效力于壳牌国际石油公司，之后转任独立商业顾问兼培训师，但仍维持对科学、哲学和历史的广泛兴趣，并且持续在闲暇时对这些主题提笔写作。

　　目前的科普着作以原子、量子为主，对物理发展具有独到眼光，在希格斯粒子被发现的前两年，即预测粒子物理学研究会有突破性进展，便早早开始撰写本书，使得本书能在希格斯粒子被发现后随即出版，成为首本最完整的希格斯粒子传记。

　　曾获格勒克斯科学作家大奖，着作包括：《原子：第一次物理战争，以及一九三九至四九年的原子弹祕史》、《不可估量：现代物理、哲学及量子理论的意义》、《现实初学者手册》、《量子故事：历史的四十个瞬间》、《完美对称：富勒烯的意外发现》，以及《量子理论的意义：写给化学系及物理系学生的指南》。

译者简介

柯明宪

　　一九八一年生于云林，清大资工所毕业，正职为软体工程师。崇拜艾西莫夫和叶李华，译有《神择基因》。

好评推荐
深入导读：希格斯粒子奇异之旅－－高涌泉
序
前言－－温伯格

序幕　组成与物质

第一部　发明
　第一章 如诗般的逻辑概念
　第二章 不是个好理由
　第三章 无法理解这理论的价值所在
　第四章 对的想法，却应用错了问题
　第五章 我办得到

第二部　发现
　第六章 捉摸不定的中性流
　第七章 非W粒子莫属
　第八章 放手一搏
　第九章 美妙时刻
　第十章 莎士比亚的问题

尾声　质量从何而来

尾注
词汇表
中英对照表

推荐序

　　许多重大科学发现已经透过科普书介绍给一般读者，但这是我第一次看见有这么一本书，里头大部分写的却是一项预期中的发现。CERN（与费米实验室部分的合作）于二○一二年七月宣布他们很可能发现了希格斯粒子，这本书旋即出版，验证了巴格特和牛津大学出版社卓越不凡的精力和冒险精神。

　　这本书迅速出版，也验证了这是众所瞩目的一次发现，所以如果我在这篇前言加入一些个人评论，谈谈物理学甫企及的成就，应该是很值得的一件事。常有人说，在寻找希格斯粒子的过程中，最岌岌可危的就是质量的起源。这么说并没有错，但我们需要更进一步的解释。

　　到了八○年代，我们已经有个很好的理论，能全面性地说明所有已观测到的基本粒子和它们互相作用的力（重力除外），而该理论最重要的要素就是: 对称性，就像在电磁力和弱核力之间，那一种宛如家庭关系般美好的对称性。电磁学是解释光的基本学说，弱核力则允许原子核内的粒子透过放射性衰变被改变，而对称性将这两种力一起摆到单一的「电弱理论」架构底下。电弱理论的一般性质已经通过充分测试，最近在CERN和费米实验室进行的实验并不会危及其有效性，而且就算没能找到希格斯粒子，电弱架构的正确性也不会遭受严重怀疑。

　　但是电弱对称性有个必然结果，如果我们不在理论里加点新东西，包括电子和夸克在内的所有基本粒子都不会有质量，可是它们显然有，所以电弱理论一定还有缺漏，缺了某种在实验室或自然界里还没观测到的新物质或场。寻找希格斯粒子也就等于是在寻找下面这个问题的答案：到底我们需要的新玩意是什么？

　　寻找这个新玩意不能只是拿高能加速器胡搞一通，然后就等着看会跑出什么东西来。电弱对称性是粒子物理学基本方程式的精确特性，不知何故，这对称性非得打破不可，电弱对称性不能直接套用到我们实际观测到的粒子和力上头。自南部阳一郎和戈德斯通在一九六○至六一年的研究成果之后，我们就知道在很多理论里有可能发生对称性破裂，不过这样的对称破裂也意谓着一定有新的零零质量粒子产生，但就我们所知，这种粒子并不存在。

　　一九六四年，布绕特和恩格勒、希格斯、古拉尼、哈庚和基博尔等四组学者都独立发现到，只需要赋予质量给那些力的媒介粒子，这些零零质量的南部─戈德斯通粒子在某些种类的理论里可以消失无踪。萨拉姆和我本人于一九六七至六八年提出的弱力和电磁力理论，里头就允许发生这样的事。但是问题还是没有解决，我们仍不知道实际在破坏电弱对称性的，到底是什么新物质或场。

　　有两个可能。第一个是散布在空间中，但迄今尚未观测到的几种场。就像地球磁场能区别北方和其他方向，这些场能区别弱力和电磁力，它们赋予质量给媒介弱力的粒子和其他粒子，但是让光子（媒介电磁力的粒子）维持零质量。这些场被称作「纯量」场，意思是它们不像磁场，不会在一般空间中区别出方向性。在戈德斯通和后来的一九六四论文说明对称破裂的范例中，首次引进了这种一般型的纯量场。

　　当萨拉姆和我将这种对称破裂用来发展弱力和电磁力的现代「电弱」理论时，我们便假定对称破裂的原因就是这种散布所有空间的纯量场。（格拉肖、萨拉姆与沃德等两组学者早就假设有这一类的对称性存在，但并没有作为他们的理论方程式的精确性质，所以这几位理论学家没有继续往纯量场的方向前进。）

　　对这些会造成对称性破裂的物理模型而言 （包括戈德斯通和一九六四论文所考虑的模型，以及萨拉姆和我的电弱理论），必然的结果就是，虽然有些纯量场只会赋予质量给媒介力的粒子，但其他纯量场会在自然界中创造出新的物理粒子，而且应该已经在加速器和粒子对撞机里被创造、观测到。萨拉姆和我发现，我们的电弱理论需要加入四种纯量场，其中三种纯量场用以赋予W+、W 和Z0粒子质量，而这三种粒子像是比较重的光子一般，是我们理论中媒介弱核力传递时的媒介粒子（CERN已经于一九八三至八四年发现了W+、W 和Z0粒子，而且它们的质量符合电弱理论的预测值）。剩下的第四种纯量场，会引导出一个新的物理粒子，此粒子的特性正表现了纯量场的能量和动量，这个粒子也就是物理学家寻找了将近三十年的「希格斯粒子」。

　　但永远有第二个可能性。或许散布所有空间的新纯量场并不存在，也没有希格斯粒子，而电弱对称性是被称之为「天彩力」（technicolour forces）的强大力量所破坏的。天彩力作用在全新类别的一种粒子上，而这些粒子因为太重了，所以还没能被观测到。像是超导理论当中就允许这样的事发生。七○年代末期，苏士侃和我分别独立提出这种基本粒子的理论，预测有一大群被天彩力束缚在一起的新粒子。所以这下我们得二选一了：纯量场？还是天彩力？

　　CERN发现的新粒子对纯量场造成对称性破裂（而不是天彩力）投下重量性的一票，这就是这次发现如此重要的原因。

　　但还得等许多工作完成，才能真正盖棺论定。一九六七至六八年的电弱理论能够预测希格斯粒子的全部特性，但没办法预测其质量；如今透过实验，我们已经知道它的质量了，所以可以计算出希格斯粒子各种衰变的机率，并在接下来的实验里验证这些预测。这得花上一点时间。

　　这次发现的「类」希格斯粒子也给理论学家留下了一个难题：该如何理解希格斯粒子的质量？希格斯粒子是一种质量不会因为电弱对称性破裂而增加的基本粒子，但在电弱理论的基础原则下，希格斯粒子的质量可以是任何值。正因为如此，不管是萨拉姆还是我，才都无法预测它的质量。

　　事实上，我们实际观测到的希格斯粒子质量也叫人大惑不解，这就是所谓的「层级问题」（hierarchy problem）。既然希格斯粒子的质量决定了所有其他已知基本粒子质量的尺度，可能会有人猜想它的质量应该和另一个在物理学里扮演基础角色的质量很类似，也就是所谓的普朗克质量。普朗克质量是重力理论里的质量基本单位（它是一种假想粒子的质量，这种粒子彼此间的重力强度跟间隔相同距离的两个电子间的电力一样），但是普朗克质量大约是希格斯粒子质量的十万兆倍。所以，虽然希格斯粒子很重，重到我们需要建造巨大的粒子对撞机才能创造出来，但我们还是得问：为什么希格斯粒子的质量这么小？

　　巴格特建议我或许可以在这里加入一些个人观点，谈谈在这个领域中想法的演变。我只提两点。

　　如同巴格特在第四章里所描述的，早在一九六四年之前，安德森就认为零零质量的南部─戈德斯通粒子并不是对称破裂的必要结果。为何我和其他粒子理论学家没有被安德森的论点说服呢？当然这并不代表安德森个人不值得受到认真看待，因为在所有关注凝态物理学的理论学家里，没人比安德森更透彻地看出对称原则的重要性，而这些原则已被证实在粒子物理学里是至关重大的。

　　我认为安德森的论点之所以普遍不被重视，是因为他的论点立基在像超导性这种可类比于「非相对性」的现象上（换句话说，「非相对性」的现象可以安全地忽略爱因斯坦的狭义相对论）。但是在一九六二年，戈德斯通、萨拉姆和我已经透过相对论的必然存在性（显然很残酷地）证明了零质量的南部─戈德斯通粒子是无法避免的。安德森的论点在非相对性的超导理论上是正确的，粒子理论学家随时准备好要相信这一点，但是在基本粒子理论里就行不通了，因为基本粒子理论不能不考虑到相对论。一九六四论文的研究成果清楚显示，戈德斯通、萨拉姆和我的证明并不能应用到包含力的媒介粒子的量子理论当中，因为这种理论里的物理现象虽然可以满足相对论，但是在量子力学中，这些理论的数学公式却违反相对论。

　　这个因相对论导致的问题，就是为什么尽管历经艰苦努力，在一九六七年之后，萨拉姆和我都无法证明，电弱理论里那些没有意义的无限大，可以用类似于电磁量子理论当中消除无限大的方法来消除。巴格特在第五章里提到，特胡夫特于一九七一年证明了消除无限大的方法，他使用了和韦尔特曼共同得到的技巧，延伸量子力学的基本原则，让理论能够以相容于相对论的方法被公式化。

　　第二点是，巴格特在第四章里写到，我在一九六七年所提出的电弱理论论文里头没有引入夸克，是因为我考量到该理论可能会预测出牵涉到所谓「奇异」粒子（strange particle）的作用过程，但事实上「奇异」粒子并没有被观测到。我真希望我当时的理由有这么明确，其实我在该理论里之所以没有引入夸克，只是因为我在一九六七年时还不相信有夸克罢了。在从来没有人观测到夸克的情况下，我很难相信这是因为夸克比那些已被观测到粒子（如质子和中子）还要重得多，毕竟这些已观测粒子是由夸克组成的。

　　就和大多数理论学家一样，我一直到一九七三年格娄斯与韦尔切克，以及波利策这两组学者的研究成果发表后，才完全接受夸克的存在。他们的研究显示，在应用于夸克和强核力的「量子色动力学」理论当中，夸克彼此间的距离愈近，强核力就愈弱。我们之中有些人接着突然想到，如果是这样，那么当夸克距离较远时，夸克之间的强核力就会违反直觉地增强，也许这股强大的力量使得组成原子的夸克们无法被拆开并且观测到。直到现在还是没有证据能证明这一点，但是大家普遍都接受了。量子色动力学在目前为止已经通过诸多测试，但还是无人有缘见到单一夸克。

　　我很高兴看到本书是以二十世纪早期的数学家诺特开场，因为没有人比诺特更早看出对称性在自然界的重要性。这提醒了我们，科学的传统过程是，我们总是先尝试猜测自然界的运作方式，然后交由实验验证，而如今科学家的成就，不过只是这项隆重传统的最后一步。透过巴格特的这本着作，读者应该能对拥有悠久历史的科学有些许感受。

温伯格
二○一二年，七月六日

第二章　不是个好理由

杨振宁和米尔斯尝试发展解释强核力的量子场论，并惹恼了包立狄拉克在一九二七年结合了量子理论和爱因斯坦的狭义相对论，发现电子自旋和反物质。狄拉克的方程式很适切地被视为绝对的奇蹟，但物理学家同样很快就意识到，这并不是故事的结局。

物理学家开始承认，他们需要一个具有完备相对性的量子电动力学（一般简称QED），这套理论本质上会是马克士威方程式的量子版本，且合乎爱因斯坦的狭义相对论，还需要合併量子版本的电磁场。

有些物理学家相信「场」比「粒子」更基本，一般认为，对量子场适当的描述应该要能产生场的「量子」（quanta），量子是与场本身相对应的粒子，负责在两个交互作用的粒子间，将媒介力从一个粒子媒介到另一个粒子。光子似乎很明显是量子电磁场的粒子，随着带电粒子的交互作用被产生或消灭。

在一九二九年，德国物理学家海森堡和来自奥地利的包立便发展出了这样一个版本的量子场理论，但有个大问题，这两位物理学家发现他们无法精确解出场方程式（field equations）。换句话说，替这个场方程式求得单一且具有自身完备性（self-contained）的数学表达式，而且让这个数学表达式被运用到所有条件底下，是一件不可能办到的事。

海森堡和包立必须求助另一种方法来解出场方程式，其基础称作「微扰展开式」（perturbation expansion）。在这个方法中，方程式被拆解成无穷级数的和，此无穷级数可展开为：x0 + x1 + x2 + x3 + ……，级数的第一项是能够被精确求解的「零阶」（或「零作用」），再接着加入额外（或「微扰」）的项，代表一阶（x1）、二阶（x2）、三阶（x3）等等的修正。原则上，表达式里的每一项都对零阶的结果提供了愈来愈小的修正，逐渐使计算趋近于实际结果。所以最终结果的准确度，端视计算里所包含的微扰项之个数而定。

但是他们没有找到愈来愈小的修正项，反而发现微扰展开式里的某些项会迅速扩展成无限大。当结果被应用到电子的量子场论，这些无限大的项被认为是由电子的「自有能量」所致，也就是电子和自身的电磁场互动后的结果。

明确的解法仍未可得。

先暂时把这个问题放到一边。查德威克于一九三二年发现了中子，在中子发现后的几年内，义大利物理学家费米使用高能量的中子轰击不同化学元素的原子，希望借此寻找有趣的新物理。因为对费米的实验结果感到困惑，德国化学家哈恩和斯特拉斯曼研究了铀原子在接受过中子轰击后的产物，但得到的结果更加难解。

哈恩的长期研究伙伴迈特纳和她的物理学家外甥弗里施逃离了纳粹德国，甥舅两人在一九三八年的圣诞夜，热烈地讨论哈恩和斯特拉斯曼的研究结果，最终促成了核分裂的发现。

迈特纳和弗里施的研究成果于一九三九年一月公诸于世，这是个不祥的发现，仅仅九个月后，第二次世界大战就开打了。物理学家的身分从「空想的无用学者」摇身一变，成为各国最重要的战争资源，此刻他们正致力于将核分裂的发现转变成世上最致命的战争武器。