2013年諾貝爾物理學獎獲得者： 弗朗索瓦·恩格勒、皮特·希格斯

今年諾貝爾物理學獎授予比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒（Francois Englert）和英國物理學家皮特·希格斯（Peter Higgs），他們的獲獎理由是“對于我們理解亞原子粒子如何獲得質量的機制的理論性發現，這個發現在近期由歐洲核子中心的ATLAS和CMS實驗通過大型重子對撞機找到的基本粒子得以確認”。

瑞典皇家科學院宣布的頒獎理由對于普通人來說或許有些晦澀，但是大多數人都會立刻聯想到一個詞：“希格斯玻色子”（Higgs Boson），這個詞自從2012年7月起就開始充斥全世界各種媒體的報道。本屆諾貝爾物理學獎的頒發與歐洲核子中心在2012年7月4日宣布發現的希格斯玻色子有直接關系，這個震動世界的發現因為在當時已經錯過了2012年諾貝爾物理學獎提名而被拖到了2013年，可以說，很少有這樣一屆缺乏懸念、“眾望所歸”的諾貝爾物理學獎，頒給這兩位已經白發蒼蒼的80多歲老人，感謝他們在近50年前對物理學做出的貢獻，而這50年，也是人類在基礎物理學領域突飛猛進，通過對稱性尋求物理學的大統一的50年。

1964年6月26日，比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒和他的同事羅伯特·布繞特（Robert Brout）向《物理評論快報》（PhysicalReviewLetters）雜志投寄了一篇論文《對稱性殘破和規范矢量介子的質量》（Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons），探討一種可能使基本粒子獲得質量的機制，這篇論文在1964年8月31日發表。幾乎與此同時，皮特·希格斯也在同樣的領域撰寫了一篇論文。希格斯首先把論文投寄到《物理評論》（Physics Letters）雜志，卻被《物理評論》拒絕接收（他們無法保證可以迅速發表希格斯的論文），于是希格斯在1964年8月31日把這篇名為《對稱性殘破和規范玻色子的質量》（Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons）的論文轉投《物理評論快報》雜志。也正是在這篇只有不到兩頁的論文中，希格斯首次提出了亞原子粒子獲得質量的機制（這種機制后來被稱為“希格斯機制”）。他提出在宇宙中可能存在一種無所不在的場（也就是希格斯場），其他基本粒子通過與其相互作用獲得質量（美國物理學會已經開放了這兩篇論文的權限，提供免費下載）。這最先發表的兩篇關于粒子獲得質量機制的文章，完成了當時人類構建的“標準模型”中最核心的部分，而之后人類則花費了將近50年去驗證這個機制。

物體由何處獲得質量？質量的本質又是什么？在牛頓力學中，質量是物體一種固有的性質，物體質量由它的密度和體積決定，這實際上是一個含混而狡黠的定義，因為物體的密度又是由質量來決定。物理學家們一直追尋質量的本質問題，直到找到希格斯玻色子，物理學家們才確定物質獲得質量的真正原因。在20世紀上半葉，人類在宇宙射線和粒子對撞機中發現了越來越多的新粒子，這些粒子讓物理學家們沒有頭緒，他們希望在紛繁復雜的表象之下找到真正制約粒子行為和它們之間相互作用的準則。同時，在還原論的思想指導之下，物理學家們希望可以實現不同相互作用之間的“大統一”，這已經成為當今所有物理學家的最高追求。

1864年，英國物理學家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋（James Clark Maxwell）發表著作《電磁場的動力學理論》（A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field），標志著人類統一了電力和磁力，這也是人類第一次統一兩種看上去并不相關的相互作用，揭示出它們的共同本質，這也給了人類信心，相信可以在深層次統一所有類型的相互作用，尋找到宇宙的“大統一”理論。但是這項工作卻顯得艱苦且漫長，至今仍然沒有完成。

隨著人類對于原子核內部了解的越來越深刻，先后發現了制約原子核放射性的弱相互作用和把原子核結合在一起的強相互，描述原子核內部構造的夸克理論也被提出，如何描述不同粒子間各種相互作用，成為20世紀下半葉物理學的主要課題。“標準模型”正是在這種情況下發展起來的。標準模型理論是一種量子場理論，在這個理論中，粒子和場是宇宙中最基礎的組成部分。這個模型包含了人類已知的所有基本粒子（還有幾種在當時尚未被發現的粒子），以及三種相互作用（電磁相互作用、強相互作用和弱相互作用，引力相互作用不在其中），但是這個模型卻預測傳遞弱相互作用的W介子和Z介子不能具有質量——這與實驗觀測不符，W介子和Z介子很明顯都具有質量。

弗朗索瓦·恩格勒、羅伯特·布繞特和皮特·希格斯的理論正是在這種矛盾的情況下出現的，他們在保證原有標準模型成立的前提下，證明了W介子和Z介子也可以擁有質量，通過自發對稱性殘破機制解決了這個矛盾。同時希格斯也首次預測，在宇宙中其他粒子都是通過和一個無所不在的特殊的“希格斯場”發生相互作用而獲得質量（質量的大小則取決于與希格斯場發生相互作用的程度，光子因為不與希格斯場發生相互作用，因此不具有質量），而希格斯場存在的證據，正是由它在空間中的波紋，希格斯玻色子的存在來證明。

希格斯機制是標準模型理論的中心，也是其中至關重要的一環，而希格斯機制是否成功的關鍵就在于是否能夠找到希格斯玻色子。在這場長達半個世紀的尋找中，人類在基礎物理學領域取得了長足的進步，但是直到2012年7月4日，歐洲核子中心確認發現了希格斯玻色子（并且在9個月后再次確認了這個發現），標準模型才算真正完成，其中包含的所有粒子都已經出現，粒子之間的相互作用（除了引力）也都被包含在標準模型之中。

日內瓦歐洲核子物理實驗室內的大型強子對撞機

標準模型的完成，是人類認識自然界本質的里程碑，但是它遠不是人類認識自然界本質的終點。首先，標準模型理論并未包含自然界所有的相互作用，引力始終游蕩在標準模型理論之外，而物理學家們對于引力的量子化嘗試始終沒有成功。其次，標準模型僅僅包含了這三種相互作用，并未實現這三種相互作用的統一（電磁相互作用和弱相互作用已經被統一，但是并未和強相互作用實現統一）。再次，對于人類剛剛認識到的新物質，比如暗物質和暗能量，標準模型也完全沒有涉及到，因此，這說明標準模型是一個并不完整卻有效的模型。

在20世紀初，物理學家們大多自信已經理解了自然界運轉的所有規律（牛頓力學和電磁學），卻始終無法解釋黑體輻射問題，這個難題最終催生了量子力學。而在21世紀初期，物理學家們發現自己陷入了與20世紀初截然相反卻同樣尷尬的境地——人類目前所掌握的自然定律無法描述和解釋已經觀察到的宇宙，但是目前的實驗結果卻和已知的物理定律符合得很好。種種粒子物理學的實驗只是從各個角度證明了標準模型的正確，物理學家們發現他們陷入了自己編織的牢籠——在標準模型的限制下，找不到物理學的突破口來尋找新的理論，而他們又清楚現有的理論并不完備。

那么人類是否有可能找到可以囊括宇宙中一切基本粒子、相互作用，以及一切自然規律的“大統一”理論？是的，起碼現在的物理學家們仍然對此抱以信心，并且仍然把這作為物理學研究的最高目標。在沒有實驗證據的情況下，理論物理學家們仍然熱衷于發掘有可能囊括一切的物理學理論，超對稱理論，超弦理論，以及其他各種理論，都試圖從其他角度或是更高的維度來解釋宇宙中目前難以理解或是難以統一的現象。這些理論大多通過數學形式包含了各種相互作用，甚至是暗物質和暗能量，起碼在形式上實現了物理學的統一。但是物理學畢竟是一門基于實驗的自然科學，在沒有經實驗證實之前，這些美妙的理論都只是漂亮的數學形式而非確鑿的物理定律。這些理論中預測的超粒子、多維度等奇異的粒子或現象至今并沒有被實驗證實。1993年美國物理學家加來道雄撰寫的介紹大統一理論的《超越時空》一書中，作者以極大的熱忱介紹各種大統一理論，在當時顯然認為這些優美的數學形式本身已經說明它們必定是描繪宇宙規律的定律，通過實驗證實這些理論只是個時間問題。但是在20年后，盡管仍然有眾多物理學家研究這些課題，卻已經沒有了當時的自信心。

按照規定，每屆諾貝爾物理學獎的得主不能超過三個人。因為弗朗索瓦·恩格勒的合作者羅伯特·布繞特已經于2011年去世，因此本屆諾貝爾物理學獎的獎金由弗朗索瓦·恩格勒和皮特·希格斯平分也在人們的意料中。但是對于這樣一個持續了半個世紀，舉世矚目的科學項目，最終只有兩個人獲得這項物理學的最高榮譽是否公平，則是另外一件事了。不止弗朗索瓦·恩格勒、羅伯特·布繞特和皮特·希格斯，在1964年還有其他幾位物理學家也相繼提出了這個機制，但是他們卻無緣諾貝爾獎。

另一個不可忽視的就是尋找希格斯玻色子的實驗環節，即使不提早期曾經嘗試尋找希格斯玻色子的美國費米國家實驗室，也絕不可能忽略在2012年發現希格斯玻色子的工作在歐洲核子中心ATLAS和CMS實驗的幾千名粒子物理學家。這幾千名實驗物理學家通過操作人類科學和工程學成果的結晶——大型重子對撞機，進行尋找希格斯玻色子的漫長而艱苦的工作，可以說，是他們最終完成了粒子標準模型，但是這些實驗物理學家卻不可能獲得這項榮譽，這不能不說是諾貝爾獎的遺憾。

瑞典皇家科學院在宣布諾貝爾物理學獎的得主時，極其少見地比預定時間推遲了一個小時，有人風趣地說，人類為了尋找希格斯玻色子花費了將近50年的時間，他們在這一個小時里可能也在焦急地“尋找希格斯”，因為每屆諾貝爾獎評選的細節需要保密50年，人們可能永遠都無法知道究竟是為什么推遲一小時宣布獲獎名單。但實際上瑞典皇家科學院和媒體至今也都沒有聯系到皮特·希格斯教授本人。

2012年7月4日，在歐洲核子中心召開新聞發布會時，特地邀請了皮特·希格斯教授出席，當他聽到發現了希格斯玻色子的消息時，顯得非常激動。而在一年多后，當他實至名歸獲得了物理界的最高榮譽時，卻不愿再面對鋪天蓋地的贊頌，人們很難去想象這位84歲老人的內心感受。也正是在2012年7月4日，皮特·希格斯與弗朗索瓦·恩格勒才首次見面，一年多之后弗朗索瓦·恩格勒對于獲得諾貝爾物理學獎顯得非常高興，但是顯然并不認為標準模型的完成意味著物理學結構的最終完整，在被問到現代物理學面臨的最重要的幾個問題時，他認為超對稱理論是否成立，暗物質的本質問題，都是物理學家亟須面對和解決的問題，而解決這些問題，可能都需要超出他所完成的標準模型的范疇。這兩位物理學家獲得諾貝爾物理學獎算得上是人類基礎物理學發展的一個里程碑，之后物理學即將進入迷茫的未來，繼續尋找宇宙規律中的對稱與統一。