“霍金对粒子物理的知识并不像他自己认为的那样高明”

读书笔记《希克斯玻色子：预言与验证》

• 三个小组相继发现，为什么希克斯胜出
• 希克斯玻色子的命名是一个误会
• 只有一项发现的伟大物理学家
• "霍金对粒子物理的知识并不像他自己认为的那样高明"

（Elusive: How Peter Higgs Solved the Mystery of Mass，Basic Books 2022年4月，304页）。作者Frank Close是粒子物理学家、牛津大学教授。

01

希格斯的发表竞争

1964年，在差不多的时间里有三个小组的六名科学家发现了希格斯玻色子和希格斯场的数学原理，希格斯还不是其中第一个发表成果的。可是，为什么这项原理以希格斯名字为世人所知？

据《科学》杂志的一篇文章介绍，这是因为只有希格斯在论文中明确提出了一个具体的可以通过实验检验的物理说明。而他之所以加上这个说明，是因为论文投稿被拒绝。

希格斯先是向欧洲的期刊投稿，被拒绝后改投美国。有了退稿的经验，他决定增加卖点。论文本身主要是数学证明，他又加了两段有关物理含义的说明，其中提到有质量的玻色子。

在当时的粒子物理学模型中，解释基本粒子的质量是一个难题。希格斯的论文补上了这一缺陷，指出了基本粒子质量的形成机制，即希格斯机制。

本书作者Close说，在三个小组所有发表的论文中，只有希格斯的这一篇明确提到了实验上可检验的玻色子，也就是后来的希格斯玻色子（当时还没有这个称谓）。

从其他两个小组的论文同样可以得到存在希格斯玻色子的结论。但是，三个小组的论文的初衷都是为了解决南部—戈德斯通定理导致的一个佯谬。

在这些科学家看来，相对于数学证明，物理意义上的有质量的希格斯玻色子只是推论之一，并不那么重要。

只是他们没有考虑到，数学公式能够看懂的人很少，玻色子作为一种基本粒子的分类却是一个相对通俗的概念。

希格斯后来回忆说，加上这两段话的工作量微不足道，但它的结果却让我震惊。他也承认，自己的主要目的同样是为了改进南部—戈德斯通定理，而不是想要发现新的粒子，也不是要引导整个物理学界发现粒子质量形成机制。

02

图书室主任是一个要职

希格斯在剑桥大学时对粒子物理有兴趣，想做这个方向的研究。他的导师告诉他，粒子物理遇到理论困难（无穷大谜题），解决不了，是诺贝尔奖级别的难题。

导师劝他考虑分子生物学，这是当时最活跃的研究方向。希格斯是个听人劝的好学生，写了一篇分子生物学的论文，还得了奖。

后来他才知道，原来无穷大谜题已经解决。他决定还是回到粒子物理专业，选择了爱丁堡大学，英国粒子物理研究的中心。

不知道是不是因为之前错过粒子物理进展的原因，希格斯在爱丁堡大学物理系负责图书室，能够第一时间看到物理学期刊和预印论文。

就算这样，他还是错过了南部阳一郎（2008年诺奖）关于自发对称性破缺的第一篇论文。1961年，希格斯终于注意到南部阳一郎的另一篇论文。

物理学界当时并不理解南部阳一郎理论的重要性，但希格斯由此得到启发，希格斯玻色子和希格斯场就是自发对称性破缺的例子，现实的物理场景则是宇宙创生之时。

03

物理学的鄙视链

南部阳一郎的自发对称性破缺论文受到超导理论的启发，超导理论也是希格斯发现的基础。

超导理论对希格斯机制的发现非常重要，因为在超导体内部，光子是有质量的，这和光子没有质量的定义是相互矛盾的，希格斯机制正是为了解决这一困惑而形成的。

但当时粒子物理学家看不起凝聚态物理，称之为肮脏状态物理学。今天，我们主要的生活改变得益于凝聚态物理中的晶体管发明。

04

只有一项成果的物理学家

希格斯在物理学上的主要贡献只有两项研究，一项是本科时期完成的有关分子生物学的研究，解释了分子螺旋对称结构。另一项就是希格斯机制，以及它所预言的希格斯玻色子和希格斯场。

在希格斯机制之前，他没有在粒子物理方发表过任何论文显示他将成为这一领域的重大突破领导人物。在这组论文之后，他也没有继续研究。之后有关希格斯玻色子和希格斯场证明的重要论文都是其他人完成的，他甚至没有任何参与，包括没有参与学术会议。

希格斯机制出名于1967年温伯格提出轻粒子理论，这篇论文是20世纪下半页最重要的理论物理论文，引用次数超过1万次。将希格斯等人的理论引入标准模型，最终为温伯格赢得了1979年的诺贝尔物理学奖。

由于温伯格主要参考了希格斯的论文，尽管他将三个小组的论文都列入文献，但将希格斯的论文列为第一。为了引用时简便，就简称其中的数学方程为希格斯机制，其他学者的贡献因此无人知晓。

温伯格的论文发表后，物理学界开始时并不理解它的意义，也包括希格斯。希格斯当时的博士生曾经建议他跟踪研究，但他的反应和其他物理学家一样。

事后，他曾经表示，未能认真看待温伯格的论文并继续这个方向的研究，是一个错误。他承认，自己对这一领域理解非常少，因此无法指导学生研究。

1971年，荷兰天才少年特·胡夫特（1999年诺奖）有关希格斯场的研究取得突破，希格斯玻色子形成机制在理论上得到确认。以希格斯场研究为题的国际会议频繁召开，希格斯在爱丁堡大学当他的教授，讨论希格斯机制的学术会议却没有邀请他，因为他没有可以报告的学术成果。

他对本书作者Close说，自己不是量子场论计算方面的专家，对新的数学工具不熟悉，无法参与新的学术前沿。1964年，希格斯写出论文时35岁，此时他已经43岁，缺乏从技术上追赶的决心。

05

做好科普也是物理学家的责任

本书的缘起是作者与希格斯在多次公众场合科普希格斯玻色子的对话。希格斯玻色子以难以寻找而闻名，因为它的形成需要巨大的能量。

现实中，只有宇宙大爆炸初期才有足够高的能量。按照希格斯的理论，那时曾经出现过有质量的希格斯玻色子。为了模拟这一情景，需要大型强子对撞机来产生足够高的能量。

20世纪80年代末，随着欧洲核子研究中心LEP正负电子对撞机临近落成。为了解释对撞机的用途，欧洲核子中心宣布将寻找希格斯玻色子列入计划。

媒体不明白希格斯玻色子是什么。但他们知道希格斯还健在，于是找上门去。最早的采访是在1988年，各大媒体科学记者的专业多数是生物学、行为科学或医学背景，希格斯试图向他们解释什么是自发对称性破缺，结果自然是无法交流。

当时英国的科学偶像是霍金。媒体对他的崇拜让希格斯反感。霍金擅长运用媒体，希格斯则比较老派笨拙。比如，霍金曾经打赌希格斯玻色子不存在，引发大量报道，想来希格斯未必会很高兴。

一次在和媒体见面时，希格斯忍不住说，你应当允许有人不把霍金当做绝对权威，他对粒子物理的知识并不像他自己认为的那样高明。媒体先是惊愕，之后是狂喜。

一个意外的结果是有关两人矛盾的报道使得希格斯名声大振，成为与霍金齐名的物理学家明星，这完全违背他本人的意愿。

当然，为了让公众理解基础物理研究的意义，这是必要的过程。毕竟LEP那次没有成功，后来又不得不再投资100亿美元建造LHC强子对撞机，才算是最终发现了希格斯玻色子。

花了能够造两艘航空母舰的钱，总要让公众知道钱花得值不值。好在希格斯也在学习，后来他在接受媒体访问时就会自然得多。

2012年，在系列论文发表50年之际，欧洲核子中心确认发现希格斯玻色子。2013年，希格斯获得诺奖。和他同时获奖的是比利时物理学家François Englert，Englert小组的论文先于希格斯发表。

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https://www.science.org/doi/10.1126/science.337.6100.1287