一度困擾著科學家謎題，物質為什麼會有質量

揭示質量來源之謎

眾所周知，我們自己和周圍的物質都是真實存在的，它們都具有質量。然而，這個我們所熟知的現象以前卻一度困擾著科學家們，因為科學家們在很長一段時間內都不知道物質為何具有質量。這個謎底終於在1964年被比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒、英國理論物理學家彼得·希格斯等人揭開了。他們認為，有一種玻色子賦予了其他基本粒子以慣性，從而讓物質具有了質量。

然而，為了驗證他們的這一猜想，則整整花了將近50年的時間。直到近幾年，物理學家才通過尖端科學儀器找到了希格斯玻色子。希格斯等人也因此在提出猜想將近50年後，獲得了一個「遲到」的大獎——諾貝爾物理學獎。

質量從何而來

物質具有質量似乎是天經地義的事情，但是，至於物質為何會具有質量，則是一個十分重大的科學問題。直到進入20世紀以後，科學家才發現，物質是由原子組成的，而原子則是由一些更基本的粒子組成。

在粒子物理學裡，標準模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質的基本粒子。標準模型中的粒子可分為三大類共62種，分別是12種輕子、36種夸克和14種玻色子。

在希格斯玻色子沒有提出之前，物理學的標準模型中只有61種基本粒子，科學家不知道這些基本粒子為何會讓物質具有質量，儘管許多基本粒子的質量已經被測量出來了。更讓人困惑的事情是由楊振寧引發的。1954年，當時的旅美物理學家楊振寧與同事米爾斯一起，提出了楊-米爾斯理論。按照這個理論，標準模型中的矢量玻色子是沒有質量的。然而，根據當時的一些實驗結果進行推算，矢量玻色子卻是有質量的。

在理論和實驗產生矛盾的情況下，如果實驗結果沒有誤差的話，那麼肯定是理論存在一定的問題，也就是還不夠完善。也正是如此，楊-米爾斯理論提出後，在很長時間內，一直沒有得到物理學界的重視。直到10年後希格斯等人發現了可以讓矢量玻色子產生質量的玻色子，這個理論才得以重視。在20世紀60年代初，不少理論物理學家研究弱力、強力和電磁力統一理論的時候，也遇到了類似楊振寧的困境。按照當時的物理理論，傳遞作用力的粒子只能是沒有質量的粒子，這也意味著被傳遞的作用力是長程力（長程力是指作用強度隨距離的增加而減少。如靜電力、萬有引力等）。按照我們的常識，光波似乎符合這樣的結論，因為我們感受不到光子的質量，儘管光子也是有質量的。然而，按照這些理論，電子、質子也都沒有質量，這就導致了這種說法：所有物質都是沒有質量的。

誰發現物質有了質量

按照理論物理學家的研究，我們似乎生活在一個沒有質量的虛幻空間中，但事實上，我們生活的世界明明是具有質量的。那麼，為什麼那些理論物理學家卻讓世界失去了質量呢？ 對於20世紀50年代的物理學家來說，楊振寧等人的物理理論是無懈可擊的。那麼，問題究竟出在哪裡呢？許多科學家開始研究這個問題。因此，從某種意義上來說，楊振寧等人促成了希格斯等人獲得2013年諾貝爾科學獎。當然，希格斯等人也令楊振寧等人的理論獲得了重視。

1964年，恩格勒和布魯特發表論文稱，是一種特殊的場使基本粒子產生慣性而擁有了質量。他們進一步預言，產生這種場的粒子是一種玻色子。當年，希格斯也發表了類似的論文來闡述物質獲得質量的機制。按照當時的發表順序，恩格勒和布魯特在1964年8月發表了相關論文，而希格斯在1964年9月發表了相關論文。可是，在這之前，人們只知道希格斯，如果不是今年諾貝爾獎的公布，公眾可能很難知曉恩格勒的名字，更不用說布魯特了。

那麼，為何希格斯獲得了新粒子的命名且名揚天下，而恩格勒和布魯特卻一直寂寂無名呢？按照科學界的規則，新發現的命名如果不是多人聯名，那就按照最先發現者的名字給予命名。但是，這個發現出現了一點意外。原來，在理論物理學界頗有影響的美國物理學家史蒂文·溫伯格在一篇論文中引用錯了兩組科學家發表論文的順序，這就導致其他研究人員誤以為希格斯是最早的提出者。因此，讓物質擁有質量的「玻色子」最終以「希格斯」的名字命名。

「希格斯玻色子」產生的場（也被命名為「希格斯場」）就像電場、磁場、引力場那樣可以對其他物質產生作用。按照希格斯等人的理論，「希格斯玻色子」在宇宙中廣泛存在，是所有物質的質量之源，其他粒子在「希格斯場」中游弋併產生慣性，進而形成質量，構築成大千世界。

1988年，諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼曾經以「上帝粒子」來稱呼「希格斯玻色子」，因為在西方的一些宗教理論中，上帝創造了萬物。而「希格斯粒子」賦予了萬物以質量，它就像上帝一樣偉大。如果宇宙中的「希格斯粒子」突然消失，整個宇宙將分崩離析，成為難以聚積起來的「一盤散沙」。對於「希格斯玻色子」的名字，據說希格斯本人表示謙遜，自認不配。他堅稱自己是無神論者，更是反對「上帝粒子」的叫法。現在，「希格斯粒子」已成為整個粒子物理學界研究的中心，萊德曼則更形象地將其稱為「指揮著宇宙交響曲的粒子」。

實驗驗證希格斯玻色子的存在

在「希格斯粒子」相關理論的傳播過程中，恩格勒被埋沒了，比恩格勒更「冤」的是布魯特。他在2011年5月去世。他不僅未能見證希格斯玻色子獲得實驗證實，也未能領取諾貝爾獎，因為諾貝爾獎不授予過世的科學家。這不能不說是一種遺憾。或許有人會問，「希格斯玻色子」早在1964年就由3位科學家提出來了，為何諾貝爾評獎委員會要在將近幾十年後才頒獎呢？以後豈不是活得更長的科學家才能獲得諾貝爾科學獎？

這倒不怪諾貝爾評獎委員會。因為諾貝爾評獎委員會有一個不成文的慣例，科學獎如果要頒發給理論科學家，只能頒發給那些獲得實驗驗證的科學理論。比如，愛因斯坦是舉世公認的偉大的理論物理學家，他因相對論而名揚天下，然而，他獲得1921年諾貝爾物理學獎不是因為他提出了「相對論」，而是因為他發現了光電效應。

後者顯然沒有前者重要，但是卻是實驗可以驗證的。又比如，霍金是舉世公認的重要的理論物理學家，但是學界都知道他不可能獲得諾貝爾獎，因為他的理論超前得快接近「科幻」了，很難被現在的技術手段所驗證。

我們把話題再拉回到希格斯玻色子。希格斯玻色子是一種自旋為0的玻色子。所謂玻色子，就是一些自旋為0或正整數的粒子，比如光子、中子、質子、電子等。當粒子（比如希格斯玻色子）自旋為0時，它圍繞粒子中心無論怎麼自旋，都可以和原來的粒子重合。也就是說，希格斯玻色子從各個角度看都是一樣的，這個特性也導致了要探測和捕獲它都是一件十分困難的事情。

然而，科學家沒有放棄捕獲希格斯粒子的努力。就在布魯特逝世的2011年，歐洲核子研究中心利用大型強子對撞機（LHC），已經對捕獲希格斯粒子進行了不少實驗。

幾年前研究人員根據實驗數據推算希格斯粒子的質量。2016年歐洲核子研究中心宣布，他們發現了一種獨特的亞原子粒子，它很可能就是希格斯粒子。當時希格斯在接受採訪時說，那「真是難以置信」的結果，因為希格斯本人深知希格斯粒子個性獨特，很難把它們捕捉到。

不過，其他物理學家卻比希格斯有信心多了，大家一致認為這次是真的。逢賭必輸的已故科學家霍金曾經和人打賭，歐洲核子研究中心找不到希格斯粒子。賭注是100美元。儘管歐洲核子研究中心還沒有最終確認，但是霍金已經通過閱讀相關論文認為希格斯粒子已經找到了，他為此付出了100元「賭資」。當時霍金還預言，希格斯很快就可獲得諾貝爾物理學獎了。（這次霍金賭贏了）

早些年，歐洲核子研究組織發布新聞，先前探測到的新粒子的確是希格斯玻色子。正是這最終的確認，讓希格斯和恩格勒等人將近幾十年年前的理論研究獲得了實驗的證實，他們獲得諾貝爾獎也算是眾望所歸。甚至有媒體和研究人員此前放出「狠話」：要是諾貝爾物理學獎不頒給希格斯，那就將是一大丑聞。

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