?關(guān)于作者

本書作者是日本理論物理學(xué)家大栗博司。他是加州理工大學(xué)的教授，同時(shí)也是東京大學(xué)物理研究所的主任。大栗博司寫過多本關(guān)于理論物理的科普書，除了這本《強(qiáng)力與弱力》之外，還有《引力是什么》《超弦理論》等等，他的作品有一種非常獨(dú)特的“日式科普”的風(fēng)味，曾獲得過日本講談社的科學(xué)出版獎(jiǎng)。

關(guān)于本書

本書以“強(qiáng)力和弱力”為切入點(diǎn)切入，實(shí)際上講述的是希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)以及它在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中所扮演的重要作用。這本書從最基本的概念開始，講述了現(xiàn)代物理學(xué)關(guān)于物質(zhì)結(jié)構(gòu)的前沿理論，以及人們?yōu)榱私y(tǒng)一大自然全部四種作用力而做的努力。通過這本書，你可以大致弄明白希格斯玻色子和希格斯場(chǎng)究竟是個(gè)什么東西，理解它為什么會(huì)是近年來最重要的物理發(fā)現(xiàn)之一，同時(shí)也對(duì)粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的理論框架有一個(gè)基本的理解。

核心內(nèi)容

大自然里有四種不同的“力”，除了我們熟悉的引力和電磁力之外，還有兩種叫做“強(qiáng)力”與“弱力”。強(qiáng)力與弱力不但是原子聚合和衰變的根本原因，同時(shí)還解釋了為什么萬物會(huì)有“質(zhì)量”。原來在我們的宇宙里，到處都充滿了叫做“希格斯場(chǎng)”的東西，它與不同的粒子發(fā)生反應(yīng)，就賦予各種粒子不同的質(zhì)量。

更重要的是，從希格斯場(chǎng)的假設(shè)出發(fā)，我們可以推斷，強(qiáng)力、弱力和電磁力在宇宙誕生之初，很有可能是同一個(gè)東西，這就讓我們向物理學(xué)“大一統(tǒng)”的目標(biāo)邁出了堅(jiān)實(shí)的一步。為了把強(qiáng)力、弱力和電磁力結(jié)合在同一個(gè)框架之下，物理學(xué)家打造出了被稱為“粒子標(biāo)準(zhǔn)模型”的理論，這是現(xiàn)代物理學(xué)最輝煌的成就之一。

前言

你好，歡迎每天聽本書。本期音頻我們要解讀的這本書叫做《強(qiáng)力與弱力》。這兩個(gè)物理概念你可能不太熟悉，但在中學(xué)里，你一定學(xué)過萬有引力，也學(xué)過電磁力。這四種力合在一起，被稱為自然界的四種基本力。沒有它們，就沒有我們今天的這個(gè)宇宙。

雖然強(qiáng)力和弱力和我們今天要說的內(nèi)容也有關(guān)系，但是要我說，這本書的書名其實(shí)應(yīng)該用另一個(gè)物理學(xué)名詞來命名，那就是“希格斯玻色子”。這是這幾年科學(xué)界非常火爆的一個(gè)名詞。在很多新聞里，它還被稱為“上帝粒子”。這個(gè)名字你可能有點(diǎn)耳熟，因?yàn)?012年，歐洲核子研究中心宣布，他們證實(shí)了希格斯玻色子的存在，成為了當(dāng)時(shí)的一個(gè)爆炸性新聞。但是為什么這是個(gè)爆炸性新聞，希格斯玻色子到底重要在哪兒，你可能還不太清楚。

咱們可以類比一下，另一個(gè)曾經(jīng)被媒體爭(zhēng)相報(bào)道的物理學(xué)名詞，引力波。2016年初，美國(guó)航空航天局宣布，人類第一次捕捉到了引力波信號(hào)。當(dāng)時(shí)人們都說，引力波是證明廣義相對(duì)論的最后一塊拼圖。希格斯玻色子也是這樣的存在，它也是最后一塊拼圖。

不過，它證明的是一個(gè)叫作標(biāo)準(zhǔn)模型的理論。你可能對(duì)這個(gè)理論不太熟悉，但標(biāo)準(zhǔn)模型是物理學(xué)里面最精巧、最復(fù)雜的理論，可以說是人類智慧的頂級(jí)杰作之一，有幾十個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)都是圍繞著這個(gè)模型而誕生的。引力波的發(fā)現(xiàn)證明了廣義相對(duì)論的正確，而希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，證明了標(biāo)準(zhǔn)模型的正確。

這兩個(gè)發(fā)現(xiàn)，都是理論先于實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家先猜測(cè)，應(yīng)該有這么個(gè)東西，然后事實(shí)證明，還真有。可以說，引力波和希格斯玻色子，這是近十年來，物理學(xué)界最為重要的兩個(gè)發(fā)現(xiàn)。

關(guān)于引力波，“每天聽本書”曾經(jīng)解讀過同名的圖書，歡迎你搜索收聽。那在這期音頻里，我們就來圍繞希格斯玻色子來詳細(xì)地講一講。這本書的作者是一位日本物理學(xué)家，叫大栗博司。大栗博司是加州理工學(xué)院的物理學(xué)教授。說到加州理工，那可是物理學(xué)家的圣地。美劇《生活大爆炸》里的那位科學(xué)奇人謝爾頓，就是加州理工的。當(dāng)然，謝爾頓只是電視劇里的虛擬人物，我們后面會(huì)講到，和我們今天這個(gè)故事息息相關(guān)的幾位真正的著名科學(xué)家，他們也都來自加州理工。由一位加州理工的物理學(xué)教授來為我們講這個(gè)故事，那是再適合不過了。

接下來，我將從三個(gè)方面來為你解讀這本書。第一，咱們先從書名入手，說說為什么強(qiáng)力和弱力對(duì)這個(gè)世界非常重要？第二，希格斯玻色子在這里面擔(dān)任了什么樣的角色？第三，為什么說希格斯玻色子是近年來最重要的物理發(fā)現(xiàn)？

第一部分

首先我們來看看，為什么說強(qiáng)力和弱力對(duì)這個(gè)世界非常重要？

我們知道，這個(gè)世界是由物質(zhì)組成的，而在不同的物質(zhì)之間，有著各種相互作用，這種作用，物理學(xué)家就用“力”來表示。不過長(zhǎng)期以來，人們只知道兩種“力”的存在，就是我們之前說的，我們?cè)谥袑W(xué)里學(xué)到的兩種。一種是萬有引力，任何兩個(gè)有質(zhì)量的物體之間，都存在著相互吸引的萬有引力。還有一種就是電磁力，它和引力有點(diǎn)不一樣，不但會(huì)吸引，還會(huì)排斥。你肯定知道磁鐵之間同性相斥，異性相吸，這中間就是電磁力的作用。

不過20世紀(jì)以來，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了“原子”的存在，這就為我們認(rèn)識(shí)世界打開了一扇新的大門。但物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很奇怪的現(xiàn)象。在高中物理課上，咱們都學(xué)過，原子核是由質(zhì)子和中子組成的，其中中子不帶電，質(zhì)子帶正電。但你有沒有想過，電磁力是同性相斥啊。那為什么那么多的帶著正電的質(zhì)子，都擠在原子核里面，卻沒因?yàn)殡姶帕ハ嗯懦舛鴱楅_呢？這里肯定有一種全新的，我們不知道的力，它比電磁力還要強(qiáng)。只有這樣，才能把很多同樣帶正電的質(zhì)子，強(qiáng)行聚集在原子核里面。這種比電磁力還要強(qiáng)的力，科學(xué)家就給它起了一個(gè)名字，叫作“強(qiáng)相互作用力”，簡(jiǎn)稱“強(qiáng)力”。

發(fā)現(xiàn)強(qiáng)力之后不久，人們很快就又發(fā)現(xiàn)了另一種力。它的強(qiáng)度比電磁力要弱，所以自然而然，大家就順理成章地給它起名叫作“弱相互作用力”，也就是弱力。弱力有什么作用？科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，它是造成原子產(chǎn)生放射性的原因。比方說，我們知道著名的放射性元素鐳，就是居里夫人發(fā)現(xiàn)的那個(gè)。它的原子核會(huì)不斷放射出射線，然后裂變成其他元素的原子。為什么原子核會(huì)發(fā)生這種變化呢？這就是弱力在其中作用的結(jié)果。

到此為止，科學(xué)家就發(fā)現(xiàn)，原來在宇宙里存在著4種不同的力：引力、電磁力、強(qiáng)力和弱力。其中任何一種力，對(duì)這個(gè)世界來說都是很重要的。引力就不說了，我們都很熟悉。電磁力呢，是電力和磁力的統(tǒng)稱，它能讓原子聚攏成分子，分子聚攏成物質(zhì)。如果沒有電磁力，我們的身體都會(huì)四分五裂。

強(qiáng)力和弱力同樣也不可或缺。沒有強(qiáng)力，質(zhì)子就根本不可能被聚集在原子核里，也就不能形成絕大多數(shù)的物質(zhì)。至于弱力，也同樣重要。比方說，太陽之所以能夠穩(wěn)定地持續(xù)燃燒，為地球的生命提供源源不斷的能量，那就主要依賴于弱力的作用。

因?yàn)樘柕娜紵龑?shí)際上是一種核聚變。在太陽內(nèi)部，兩個(gè)質(zhì)子聚集到一起，變成了氦的原子核，同時(shí)釋放出能量。在這個(gè)過程里，兩個(gè)質(zhì)子都帶有正電，本來很難撞到一起。但是多虧弱力的作用，其中的一個(gè)質(zhì)子會(huì)偶然變成中子，這才能跟另一個(gè)質(zhì)子結(jié)合起來，走出聚變的第一步。

而且，我們還要感謝弱力非常之“弱”，所以這種轉(zhuǎn)變只能慢慢發(fā)生，太陽才有長(zhǎng)達(dá)一百多億年的壽命，不至于一下子就燃燒殆盡?？偠灾瑳]有了任何一種力，我們的宇宙就不會(huì)是這個(gè)樣子，我們也就不可能存在。

更有意思的是，強(qiáng)力和弱力解釋了一件非常重要的事情。就是為什么宇宙萬物會(huì)有“質(zhì)量”？這個(gè)質(zhì)量，差不多就是我們平時(shí)所說的“重量”，咱們?cè)谶@里不細(xì)摳概念。比方說，為什么一個(gè)人體重是150斤？你可能從來也沒想過這個(gè)問題，這不是天經(jīng)地義嗎？有什么值得問的？

但實(shí)際上，在物理學(xué)家眼里，“質(zhì)量”是一個(gè)很神秘的東西。在宇宙里，大部分的質(zhì)量都集中在原子的原子核里面，而原子核又主要是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的。所以，如果不算暗物質(zhì)的話，可以說質(zhì)子和中子集中了宇宙里絕大多數(shù)的質(zhì)量。

然而，質(zhì)子和中子并不是最基本的，后來人們發(fā)現(xiàn)，它們都由一種更加基本的粒子組成，這種粒子叫作“夸克”。做出這個(gè)發(fā)現(xiàn)的物理學(xué)家叫作蓋爾曼，他就是加州理工出來的。蓋爾曼就發(fā)現(xiàn)，不管是質(zhì)子還是中子，都由3個(gè)不同的夸克組成。

然而有趣的是，如果你仔細(xì)計(jì)算的話，你就會(huì)驚奇地發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子和中子的質(zhì)量，竟然并不等于組成它們的3個(gè)夸克之和。換句話說，如果把質(zhì)子的質(zhì)量比作1千克，那么，組成它的3個(gè)夸克的質(zhì)量加起來差不多只有10克，僅占質(zhì)子質(zhì)量的1%。這就奇怪了，那質(zhì)子其他99%的質(zhì)量是從哪里來的呢？

答案就是強(qiáng)力。我們99%的體重，實(shí)際上就來自于夸克之間強(qiáng)力的轉(zhuǎn)換。在質(zhì)子內(nèi)部，強(qiáng)力以非常巨大的能量把3個(gè)夸克聚合在一起。我們知道，愛因斯坦有一個(gè)著名的質(zhì)能方程E=mc^2，也就是能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。能量和質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)換。強(qiáng)力的這些能量，根據(jù)公式，就可以計(jì)算為對(duì)應(yīng)的質(zhì)量。這就是質(zhì)子和中子99%質(zhì)量的由來，也可以說是，我們宇宙萬物99%質(zhì)量的由來。

不過，這轉(zhuǎn)換來的99%還不是最困擾科學(xué)家的，剩下的那1%，才是真正的麻煩。我們剛剛說，如果質(zhì)子的質(zhì)量是1千克，那組成它的3個(gè)夸克的質(zhì)量只有10克。那為什么說這10克的質(zhì)量才是真正的麻煩呢？因?yàn)樵谖锢韺W(xué)家看來，這些粒子根本就不應(yīng)該有質(zhì)量！按照物理學(xué)家的理論預(yù)言，夸克也好，電子也好，統(tǒng)統(tǒng)都應(yīng)該是質(zhì)量為0的基本粒子！這是一個(gè)長(zhǎng)期困擾物理學(xué)界的難題，而它的最終解決，就牽涉到我們最開始講的那個(gè)神秘的名詞，希格斯玻色子。接下來就是我們要講的第二部分，什么是希格斯玻色子？為什么它是構(gòu)成我們世界的關(guān)鍵所在？

第二部分

前面說了，世間萬物99%的質(zhì)量，實(shí)際上是夸克之間強(qiáng)力的轉(zhuǎn)化，而剩下的那1%，才是各種基本粒子“本身”的質(zhì)量。不過，物理學(xué)家一直想不通一個(gè)問題，就是為什么基本粒子會(huì)有“質(zhì)量”這個(gè)東西？

你可能覺得，這是一個(gè)無理取鬧的問題，“質(zhì)量”難道不是宇宙萬物最基本的性質(zhì)之一嗎？可是，在物理學(xué)家看來，還真不是這樣。這里牽涉到一個(gè)很基本的物理學(xué)理論問題，就是物理學(xué)家認(rèn)為，各種基本粒子，它們實(shí)際上都可以用同一個(gè)理論框架去描述，這個(gè)理論框架叫作“規(guī)范場(chǎng)”。

“場(chǎng)”在物理學(xué)里面，是一個(gè)非常重要的概念。比方說引力其實(shí)是通過引力場(chǎng)發(fā)生作用的，電磁力則是通過電磁場(chǎng)。規(guī)范場(chǎng)也一樣。在這里，咱們不詳細(xì)解釋什么叫作規(guī)范場(chǎng)，因?yàn)槔锩鏍可娴椒浅８呱畹臄?shù)學(xué)理論。簡(jiǎn)單而言，你可以想象這是一套通用的規(guī)則，只要設(shè)定不同的初始參數(shù)，這套規(guī)則就可以對(duì)應(yīng)于各種不同的對(duì)象。

比如說，最先提出規(guī)范場(chǎng)的是一個(gè)叫作魏爾的德國(guó)數(shù)學(xué)家。他就發(fā)現(xiàn)，給規(guī)范場(chǎng)理論設(shè)定某一種參數(shù)，它就可以描述麥克斯韋的電磁場(chǎng)。這是規(guī)范場(chǎng)理論的開始。然后到了1954年，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯做出了一個(gè)更加重要的貢獻(xiàn)。他們發(fā)現(xiàn)，把規(guī)范場(chǎng)的那個(gè)初始設(shè)定參數(shù)改成另外一種，這個(gè)理論同樣可以用來描述弱力！他們提出的理論叫作楊-米爾斯理論，是近代物理學(xué)最重要的成就之一。然后，在楊振寧后面，我們前面說到的，發(fā)現(xiàn)了夸克的蓋爾曼，又推進(jìn)了一步。蓋爾曼又發(fā)現(xiàn)，如果把楊-米爾斯理論的參數(shù)再擴(kuò)展一下，規(guī)范場(chǎng)理論還可以用來描述強(qiáng)力！

所以你看，這個(gè)理論框架非常神奇，只要設(shè)定不同的參數(shù)，它就恰好能夠?qū)?yīng)自然界的三種不同的力。也正因?yàn)榇耍锢韺W(xué)家毫不懷疑，這個(gè)框架肯定是正確的。

然而呢，這個(gè)理論有一個(gè)致命的缺陷。就是它沒法解釋為什么各種基本粒子會(huì)有“質(zhì)量”！比方說，在規(guī)范場(chǎng)的理論框架看來，各種力的作用模式其實(shí)是類似的，它們都類似于把某種粒子扔來扔去而造成的結(jié)果。比方說，電磁力的本質(zhì)，就是兩個(gè)電子之間互相把光子扔來扔去。類似的，強(qiáng)力是把稱作“膠子”的東西扔來扔去。所以把膠子互相扔來扔去，產(chǎn)生的強(qiáng)力就像膠水一樣把夸克粘在一起。同樣道理，弱力是把兩種稱為W和Z的玻色子扔來扔去。你看，原理都是差不多的。

既然原理差不多，各種不同的力對(duì)應(yīng)的粒子，它們的性質(zhì)也應(yīng)該差不多。比如科學(xué)家已經(jīng)知道，在電磁力里面，被扔來扔去的光子，是一種靜質(zhì)量為0的粒子。那按照規(guī)范場(chǎng)理論，弱力里面相對(duì)應(yīng)的、被扔來扔去的那兩種玻色子，質(zhì)量也應(yīng)該為0。但奇怪的是，事實(shí)并非如此。在弱力里面，被扔來扔去的玻色子是有質(zhì)量的，而且質(zhì)量還不小。正因?yàn)檫@樣，弱力沒法傳遞得很遠(yuǎn)，它只有在很近的距離上才能發(fā)生作用，而不像電磁力那樣，有著很遠(yuǎn)的傳播范圍。

這就讓科學(xué)家百思不得其解了。理論和事實(shí)不符，是規(guī)范場(chǎng)理論錯(cuò)了嗎？為此，科學(xué)家不得不假設(shè)，在宇宙里還存在著一種我們以前不知道的，神秘的場(chǎng)。各種不同的粒子與這個(gè)場(chǎng)發(fā)生作用，于是就產(chǎn)生了不同的質(zhì)量。這個(gè)場(chǎng)，就被起名叫作“希格斯場(chǎng)”。

那這個(gè)“希格斯場(chǎng)”，是怎么讓各種基本粒子有了質(zhì)量的呢？你可以想象一個(gè)很大的音樂廣場(chǎng)，里面到處都站著狂熱的粉絲。不過，這些粉絲對(duì)于不同的人會(huì)做出不同的反應(yīng)。如果你只是一個(gè)路人小透明，你大可以安安靜靜地穿過這片廣場(chǎng)，不會(huì)受到任何阻礙。粉絲們壓根就懶得理睬你。不過如果你是一個(gè)大明星，那情況就完全不同了。不論你走到哪里，狂熱的粉絲都會(huì)撲到你的身邊。你的名氣越大，撲上來的人就越多。

從物理上講，靜質(zhì)量為0的光子就相當(dāng)于一個(gè)毫無名氣的小透明。它跟希格斯場(chǎng)不發(fā)生任何作用，所以可以自由穿梭在空間里，始終保持本身靜止質(zhì)量為0。而電子和夸克就不一樣了，它們是有點(diǎn)“名氣”的人。所以希格斯場(chǎng)會(huì)在它們身上產(chǎn)生效應(yīng)，就像是粉絲撲到你身上一樣，于是就產(chǎn)生了不同的“質(zhì)量”。名氣越高，撲上來的粉絲就越多，你的質(zhì)量也就越大。如果都是明星，那夸克的名氣就比電子大，所以它的質(zhì)量也比電子大。

就這樣，通過希格斯場(chǎng)的假設(shè)，物理學(xué)家們解釋了各種基本粒子質(zhì)量的由來。但是科學(xué)最重要的是講證據(jù)。我們還需要切實(shí)的證據(jù)，才能證明這個(gè)希格斯場(chǎng)真的存在。這個(gè)證據(jù)是什么？這就是我們一直提到的，很重要的那個(gè)粒子，就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子是什么東西？它其實(shí)是希格斯場(chǎng)在變化過程中，產(chǎn)生的一種粒子。我們還是把希格斯場(chǎng)想象成廣場(chǎng)上的粉絲，這些粉絲會(huì)原地轉(zhuǎn)來轉(zhuǎn)去，尋找明星的出現(xiàn)。每個(gè)粉絲手上都拿著一根熒光棒，隨著他們的轉(zhuǎn)動(dòng)，你在各個(gè)方向上都可以不斷地看到熒光棒發(fā)出的閃光。這種閃光就是希格斯玻色子。總而言之，希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的產(chǎn)物。如果我們發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，就可以直接證明希格斯場(chǎng)的存在，這就是它的重要意義所在。

不過，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子可不是一件容易的事。因?yàn)檫@種粒子衰變得很快，它一出現(xiàn)，迅速就會(huì)變成其他粒子。而且，我們并不知道希格斯玻色子本身的質(zhì)量到底是多少，所以它究竟會(huì)衰變成什么粒子，我們也不能確定，只好一個(gè)個(gè)地去試。這好比大海撈針，你要把所有的可能性都檢查一遍，可想而知是多么困難。

科學(xué)家提出希格斯玻色子的猜想是在1964年，然后整整有48年的時(shí)間，科學(xué)家一直在苦苦尋找這個(gè)粒子的蹤跡。因?yàn)榈却臅r(shí)間實(shí)在太漫長(zhǎng)了，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主萊德曼甚至在他的書里，把這種粒子稱為“該死的粒子”。該死的，英文就是Goddamn，但這是個(gè)粗話，所以在出版的時(shí)候，編輯把這個(gè)詞改了。把后面的damn去掉，只剩下God。God就是上帝，所以希格斯玻色子就莫名其妙地被叫作了“上帝粒子”。實(shí)際上它跟上帝半點(diǎn)關(guān)系也沒有。

不過有意思的是，這個(gè)詞在大眾中間卻非常受歡迎。大家雖然不知道“希格斯玻色子”是什么東西，但一聽“上帝粒子”，就覺得很高大上。你可別小看這個(gè)綽號(hào)，之前美國(guó)議會(huì)曾經(jīng)投票否決了超級(jí)加速器的建造，就是因?yàn)樽h員們根本不理解希格斯玻色子究竟是個(gè)什么東西，為什么要花100多億美元造個(gè)機(jī)器來發(fā)現(xiàn)它。而自從它有了“上帝粒子”這個(gè)稱號(hào)之后，加速器在歐洲通過審核就順利了很多。大家一聽，這個(gè)加速器原來可以發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”，不得了，雖然有點(diǎn)貴，但也值了。所以，為什么大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)不造在美國(guó)，而是歐洲，最后也是歐洲核子研究中心發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，跟它這個(gè)拉風(fēng)的綽號(hào)還真不能說沒有關(guān)系。

以上是我們解讀的第二部分，我們講了希格斯玻色子可以證明希格斯場(chǎng)的存在，而希格斯場(chǎng)是基本粒子具有“質(zhì)量”的源頭。不過，除了解釋質(zhì)量之外，希格斯場(chǎng)在物理學(xué)上還有更重要的意義，這就是我要為你解讀的第三部分：為什么說希格斯玻色子是物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一？因?yàn)樗俏锢韺W(xué)走向“大一統(tǒng)”的關(guān)鍵所在。

第三部分

我們中國(guó)人向來有著“大一統(tǒng)”情結(jié)，其實(shí)物理學(xué)家也有。物理學(xué)家的“大一統(tǒng)”是什么？就是想把所有的物理現(xiàn)象，都統(tǒng)一到同一個(gè)理論框架里面去，用一個(gè)萬能的方程去解釋宇宙里所有的事情。不過呢，我們前面說過了，宇宙里存在著四種不同的力，對(duì)吧？引力，電磁力，強(qiáng)力和弱力。這四種力要用四種不同的物理理論來描述。比如引力要用到相對(duì)論，電磁力要用到麥克斯韋電磁理論，強(qiáng)力和弱力也各有自己的方程。這就讓物理學(xué)家很不爽，在他們看來，這顯然是不合理的：為什么大自然要多此一舉，創(chuàng)造四種不同的力呢？

但自從希格斯場(chǎng)的理論提出之后，人們逐漸意識(shí)到了問題所在。我們前面提到了，在電磁作用里，被扔來扔去的交換粒子是光子，而弱力的交換粒子是W和Z兩種玻色子。光子沒有質(zhì)量，而W和Z玻色子有質(zhì)量，這就造成了電磁力和弱力的不同。那么，為什么光子會(huì)沒有質(zhì)量，兩種玻色子卻有質(zhì)量呢？我們前面也說了，這是因?yàn)樗鼈冊(cè)谙８袼箞?chǎng)里造成的反應(yīng)不同，光子是“小透明”，兩種玻色子則有點(diǎn)“名氣”，所以有了質(zhì)量。現(xiàn)在關(guān)鍵來了，為什么希格斯場(chǎng)會(huì)造成這種區(qū)別？這里的機(jī)制到底是什么？

20世紀(jì)60年代之后，科學(xué)家想到了一種非常巧妙的解釋，叫作“對(duì)稱性自發(fā)破缺”。這個(gè)概念聽起來有點(diǎn)難，我們還是用粉絲來打比方。你可以想象在最開始的時(shí)候，每個(gè)粉絲都閉著眼睛，而且面向不同的方向。這時(shí)候，任何明星對(duì)他們來說都沒有區(qū)別。但是，接下來產(chǎn)生了一次關(guān)鍵變化，所有的粉絲都隨機(jī)轉(zhuǎn)向某個(gè)方向，并且睜開眼睛。這個(gè)關(guān)鍵變化，就是對(duì)稱性自發(fā)破缺。變化發(fā)生后，就有了區(qū)別。如果粉絲恰好轉(zhuǎn)向東邊，那么，只有東邊來的明星才會(huì)被他們看到，并且撲上去產(chǎn)生質(zhì)量。而其他方向過來的明星他們是看不到的，就不會(huì)有什么反應(yīng)。

希格斯場(chǎng)就是這樣，最開始的時(shí)候，它對(duì)所有的粒子都不理不睬，可謂一視同仁。然而，在宇宙誕生后很短的時(shí)間里，希格斯場(chǎng)發(fā)生了一次對(duì)稱性自發(fā)破缺。這之后，它對(duì)不同的粒子就開始“區(qū)別對(duì)待”了。有些粒子可以和希格斯場(chǎng)發(fā)生反應(yīng)，就被賦予了質(zhì)量，有些粒子一直被冷淡對(duì)待。這就造成了各種基本粒子的不同。

這個(gè)解釋后來被三位物理學(xué)家，溫伯格、薩拉姆和格拉肖分別證明，光子和W、Z玻色子的區(qū)別，其實(shí)就來自于對(duì)稱性自發(fā)破缺。證明它有什么用呢？用處就在于，這說明在對(duì)稱性自發(fā)破缺發(fā)生之前，電磁力和弱力實(shí)際上并沒有區(qū)別，它們根本就是同一種東西！

這個(gè)理論叫作“電弱統(tǒng)一理論”，“電”就是電磁力，“弱”就是弱力。這是物理學(xué)上至關(guān)重要的一步。它第一次證明了，在大自然的四種力里面，有兩種其實(shí)是完全一樣的，只是由于希格斯場(chǎng)的對(duì)稱性自發(fā)破缺，才變成了看起來不同的兩種東西?？梢哉f，這給物理學(xué)家“大一統(tǒng)”的信念打了一劑強(qiáng)心針。從此以后，絕大多數(shù)人都開始相信，在最早的時(shí)候，宇宙里實(shí)際上只有一種力，只不過隨著時(shí)間流逝，它們才逐漸分化成了四種看上去不同的形式。這樣一來，物理學(xué)家就有了一個(gè)終極的追求目標(biāo)，就是找到那個(gè)可以統(tǒng)一描述所有四種力的理論。這是我們宇宙的終極奧秘，也可以說是物理學(xué)的最高榮譽(yù)。

在統(tǒng)一了電磁力和弱力之后，科學(xué)家逐漸開始把強(qiáng)力也拉到這個(gè)框架里來。我們前面說過了，這三種力都可以用一種叫作規(guī)范場(chǎng)的理論框架來描述，只不過各自需要設(shè)定不同的參數(shù)。在電弱統(tǒng)一理論的基礎(chǔ)上，人們把三種不同的參數(shù)聯(lián)合起來，得到了一個(gè)可以同時(shí)描述三種力的模型，叫作“粒子標(biāo)準(zhǔn)模型”。這個(gè)模型可以精準(zhǔn)地預(yù)言，在我們的宇宙里，一共存在著61種基本粒子。其中物理學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60種，而剩下的那最后一種，就是希格斯玻色子。

所以現(xiàn)在你可以理解，為什么2012年，歐洲核子研究中心宣布證實(shí)希格斯玻色子的存在，會(huì)成為爆炸性新聞了吧？因?yàn)榈谝唬C實(shí)了希格斯場(chǎng)的存在，解釋了萬事萬物質(zhì)量的來源。第二，它有力地支持了粒子標(biāo)準(zhǔn)模型，從而讓物理學(xué)向著大一統(tǒng)的目標(biāo)又邁進(jìn)了堅(jiān)實(shí)的一步。

不過，物理學(xué)的萬里長(zhǎng)征這才剛剛開始，擺在我們眼前的道路其實(shí)還很漫長(zhǎng)。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型其實(shí)并沒有完全統(tǒng)一電弱力和強(qiáng)力。如果把三種力比喻成三個(gè)國(guó)家，那么，電磁力和弱力這兩個(gè)王國(guó)已經(jīng)是完全合并了，而強(qiáng)力僅僅只是跟它們組成了一個(gè)緊密的聯(lián)盟，并沒有完全合并成一個(gè)國(guó)家。而且還有一些實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并不支持標(biāo)準(zhǔn)模型。所以這個(gè)模型是不是肯定正確，我們現(xiàn)在還不得而知。

更重要的是，我們對(duì)引力仍然束手無策，還沒有很好的辦法把引力和其他三種力徹底結(jié)合起來。如果你對(duì)物理很感興趣，一定聽說過所謂的“超弦理論”或者“M理論”。這都是在物理學(xué)界很火爆的名詞。它們就是研究如何把引力和其他三種力統(tǒng)一起來的理論。不過到現(xiàn)在為止，我們還沒有辦法證明這些理論是正確的。所以，把宇宙里所有的四種力統(tǒng)一在一起的目標(biāo)，目前仍然還是一個(gè)遙遙無期的前景。如果有朝一日，有人能夠完成這個(gè)終極目標(biāo)的話，那么他在物理學(xué)歷史上的地位，肯定可以媲美牛頓和愛因斯坦。

總結(jié)

這本書的解讀就到這里。最后，讓我們回顧一下本期音頻的內(nèi)容。

咱們今天說了很多物理學(xué)里非常重要的概念，像是強(qiáng)力、弱力、質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)模型等等。但是我覺得如果聽完這本書，最值得你記住的概念，那應(yīng)該是希格斯玻色子。它就像一個(gè)樞紐，能把這一堆概念都串起來。

你看，我們?cè)诘谝徊糠种v到，強(qiáng)力、弱力、電磁力，看起來是完全不同的三種力，但是其實(shí)，它們是因?yàn)橄８袼箞?chǎng)的“對(duì)稱性自發(fā)破缺”，才造成的區(qū)分。本質(zhì)上，它們是同一種東西。我們?cè)诘诙糠?，用?qiáng)力和弱力解釋了世間萬物“質(zhì)量”的來源。如果把這個(gè)問題往下深挖，還是會(huì)回歸到希格斯場(chǎng)。希格斯場(chǎng)對(duì)不同粒子的不同態(tài)度，讓不同粒子有了不同的質(zhì)量。而我們?cè)谛侣勆辖?jīng)?？吹降摹跋８袼共Ｉ印保褪窍８袼箞?chǎng)的產(chǎn)物，也是它存在的直接證據(jù)。

最后在第三部分，我們說到了最重要的部分。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，有力地支持了粒子的標(biāo)準(zhǔn)模型。為什么說希格斯玻色子是近年來物理學(xué)最重要的發(fā)現(xiàn)之一？就是因?yàn)樗辛Φ刂С至宋锢韺W(xué)“大一統(tǒng)”的終極夢(mèng)想，讓我們向這個(gè)目標(biāo)又邁進(jìn)了決定性的一步。

雖然粒子標(biāo)準(zhǔn)模型還不是宇宙的終極理論，但可以說，這是有史以來人類智慧最偉大的構(gòu)建之一，也是人類文明發(fā)展到現(xiàn)在為止的最高成就之一。我今天為你介紹的，其實(shí)還不是這個(gè)理論的全部。你可以去看一看今天介紹的這本書。請(qǐng)相信，如果真的能夠深入了解這個(gè)理論，你一定會(huì)跟大栗博司在前言里寫的那樣，從內(nèi)心里發(fā)出由衷的贊嘆：“人類，真了不起！”