关于“上帝粒子”(Higgs boson)的一篇通讯

王令隽

一位朋友最近来信问及有关“上帝粒子(Higgs Boson)”的报道，我想也许不少读者对此会有兴趣，于是把它译成中文，作点补充，和网友分享。

“上帝粒子”不像许多人想像的那么神秘。基本粒子理论的“标准模型”的基本假定之一是理论必须对称。即是说，运动方程中的相互作用哈密尔顿函数和波 函数都必须具有“对称性”。理论物理中的“对称性”的含义是，哈密尔顿函数和波函数都必须具有规范不变性。把“对称性”当作自然定律或原理完全是一种信 仰，并不是实验所能证实的普适原理。最早讨论对称性原理的不是物理学家，而是一位德国女数学家诺特（A.E. Noether, 1882-1935）。她发现每一种对称性都对应于一个物理量守恒定律。这称之为诺特定理。但是诺特定理并没有说所有的物理量在坐标变换或规范变换下一定 守恒，因而并不能推广至所有的力学系统以保证物理量的对称性。事实上，弱相互作用就不遵守宇称守恒定律。在经典物理里面，描述热力学第零定律的热传导方程 和斯蒂芬-波尔兹曼定律都不具有协变对称性。

尽管如此，对称性假定还是作为理论物理的一种行会规矩传承下来。这里其实有一个苦衷：微观世界的相互作用的方程式谁都不知道，要靠理论家们去猜想。 可是如果没有一些限制，则可能的哈密尔顿函数的选择几乎是无穷无尽的，这样就没法玩。加上对称性假定以后，可以选择的哈密尔顿函数形式就大大减少了。当然 也并不能唯一确定，不过加上一些其他考虑，可以写出看来比较靠谱的哈密尔顿函数。（实在不成还可以修改。）

由温伯格和萨拉姆 提出的弱电统一“标准模型”中的哈密尔顿函数当然也具有规范协变性。他们因为这一工作获得了诺贝尔物理学奖。可是标准模型有一个基本问题，就是这一理论容 不得质量。一旦加入质量，就破坏了对称性。可是一个没有质量的系统不可能是实际存在的系统。于是几个理论家，主要是希格斯 ，高尔斯坦和温伯格，提出了一个“自发对称破坏(spontaneous symmetry breaking) ”的假定。根据这一假定，相互作用哈密尔顿函数和运动方程还是应该保持规范协变性，可是波函数可以不对称。由于波函数的基态是退化的 （degenerate），人们可以从诸多退化的波函数中任意选择一个，并认定我们选择的这个波函数就是大自然中可以实现的波函数，而其他的基态波函数则 可以随便扔掉。因为扔掉了基态波函数中的广大群众，只保留一个合格的分子，对称性也就破坏了。他们不说这种对称性的破坏是理论家们人为选择波函数造成的， 而说这是“自发对称破坏”，以示正统合法。在这一修正过程中，希格斯假设了一种“希格斯场”的存在，场粒子就叫“希格斯波色子”，又叫“上帝粒子”。其实 它和上帝没有任何关系。之所以叫这个名字，完全是一种市场销售手段。有了希格斯波色子，标准模型中就有质量存身之所了。“自发对称破坏”现在成了规范场理 论中的又一条行规。（实在很难称之为定律。）

所以可以说，没有希格斯波色子，标准模型中就没有质量。有的理论家说：“如果没有希格斯波色子，我们将不存在。” 我没有如此悲观。如果找不到希格斯波色子，我们仍将存在。不存在的，或存在不了太长时间的，应该是“标准模型”。

欧洲的大强子对撞机（LHC）大概花了五十亿美元。建造这一昂贵设备的最重要的理由就是寻找希格斯波色子，所以这位“上帝粒子”阁下必须找到，或者必须宣称找到了它存在的“证据”（EVIDENCE），以证明这笔钱花的值。

美国前些年曾经打算建造一个超高能对撞机（SSC），设计能量为40 TeV，相当于LHC的五倍（8 TeV)。SSC于1993年下马。美国理论学界有些人感到惋惜。我觉得这是好事，标志着美国物理学界在开始觉醒。记得当年田纳西州也在竞争，希望把 SSC造在田纳西州。一位老公民兴冲冲地来找我说：“王教授, 您认为SSC这个项目怎麽样？我们想为田纳西争取到这个项目。参议员戈尔大力支持此事。”（戈 尔后来为克林顿的副总统。）我沉吟了一下，说：“这笔钱用于其他的物理研究更好。”回答大大出乎他的意料之外。1987年筹划SSC的时候，预算44亿美 元，可是到了1993年，预计要120 亿美元才能完工。经过激烈争论以后，克林顿总统终于签字下马。此时已经耗费了20 亿美元。

回到对称性问题，在此理论物理陷入了一个逻辑佯谬：物理定律必须是对称的，同时又必须是不对称的（自发对称破坏）。大自然到底是对称的还是不对称的？全能的主呀，您在创造世界的时候倒是拿定了主意没有？您创造的世界到底是对称的，还是不对称的？