空間膨脹，希格斯場的密度會越來越低嗎？

鬼魅般的希格斯場

希格斯場與物理學中其它場之間存在顯著不同。其它場都存在強度的變化，並且在其最低能級時強度降為零。但希格斯場並非如此。即便你將空間徹底清空，你永遠無法清除希格斯場，它無法被關閉，它永遠鬼魅般的存在著。但我們不會注意到它，它就像空氣對於我們，水對於魚兒們一樣自然。但是離開了它我們卻將不復存在，因為正是藉助於與這一場之間的相互作用，粒子才獲得了質量。正是這一過程讓原子和分子的形成成為可能。如果希格斯場突然消失，所有物質都將瞬間崩潰解體，因為在這一瞬間沒有質量的電子將會以光速從原子中逃逸。

那麼究竟是什麼讓希格斯場如此與眾不同？它打破了自然界精妙的對稱性。在自然界，到處體現著對稱性：你的臉基本是對稱的，花朵，雪花，它們都顯示著某種對稱的特點。物理學揭示出其它一些描述我們世界的對稱性，儘管其所在的層次可能會更深一些。舉一個相對簡單的例子，對稱性要求當你做一個實驗時，不管你是在斯德哥爾摩還是在巴黎，你應當會得到相同的結果。對稱性也規定，你在不同的時間進行相同的實驗也應當會得到相同的結果。愛因斯坦的狹義相對論在時空框架中討論對稱性問題，它已經構成許多其它理論的基石，如粒子物理學中的標準模型。標準模型中的方程式都是對稱的，就像一個球體，無論你從哪個角度觀察，它都是一樣的。相似的，標準模型給出的方程式，即便觀察者的角度發生變化，這些方程也不會有所改變。

這種對稱性也會產生一些意想不到的結果。在1918年，德國數學家Emmy Noether發現一些物理學中非常基本的守恆定理背後也是對稱性，如大家熟知的能量守恆以及電荷守恆定律。

然而這種對稱性也會帶來一些嚴苛的要求。一個球必須是完美的球體，任何一點突起都會損害其對稱性。對於方程式來說，情況也是類似。在標準模型框架中不允許存在有質量的粒子，現在我們知道，這明顯是不符合自然界實際情況的。因此這些粒子一定是從外部，以某種方式“獲得”了質量的屬性。而這，正是此次物理學獎所獎勵的成果：它提供了一種機制，既保全了這種對稱性，又將其掩蓋了起來。

你看不到對稱性，但它依舊存在

我們的宇宙誕生時可能是對稱的。在大爆炸發生時，所有粒子都不具有質量，所有的力都統一為一種單一的原始力形式。但這最初的秩序已經不復存在——這種對稱性已經被隱藏起來。這件事大約是在宇宙大爆炸之後10-11秒時發生的，希格斯場失去了其最初的平衡態。但這一切為何會發生？

一切都是以對稱形式開端的。這一情形大致可以用一隻被置於一個圓形碗內的一個圓球來描述，即位於其最低能級態。當其受到一個推力，這個球開始轉動，但很快它又會回到最低能級態。

然而，如果這個碗的中心部位出現一個凸起，那麼這個球位於碗中央的部位就不再是穩定的了，儘管它此時仍然保持了對稱性。此時這個球會向四周任何方向落下去。在這個球落下去之前，這個碗都一直是對稱的，但一旦這個球落下去，這個球偏離了碗中央位置的外表掩蓋了碗本身仍然是對稱的這一事實。相似的，希格斯場打破了這種對稱性並在真空中找到了一種穩定的能級態，但這一能級態是偏離能級為零的位置的。這種自發的對稱性破缺也被稱作希格斯場相變，就像是水變成冰。

要想發生相變，需要4種粒子，但是其中只有一種粒子，即希格斯粒子可以倖存下來。其它3種都會被弱核力消耗：即兩種帶電的W粒子，以及一種Z粒子，在這一過程中，這三種粒子獲得了質量的屬性。通過這一途徑，標準模型中弱電磁力的對稱性得以保全——即三種弱核力控制下的重粒子，以及電磁力控制下沒有質量的光子之間的對稱性得到保存，只是從視野中被隱去了。

極端物理學的極端機制

今年的這兩位獲獎者或許沒有想到他們當年提出的這項理論會有機會在他們的有生之年得到驗證。為了驗證他們的理論，來自全球各地的物理學家們做出了巨大的努力。長期以來，兩個著名的實驗室——美國芝加哥的費米實驗室，以及位於歐洲法國和瑞士邊境地區的歐洲核子中心(CERN)，一直致力於對希格斯粒子的搜尋工作。然而隨著數年前美國費米實驗室Tevatron加速器的停擺，歐洲核子中心就成了全球範圍內仍然能夠開展希格斯粒子搜尋工作的唯一機構。

CERN創立於1954年，當時建立的目的是想在二戰的浩劫之後重建歐洲的研究工作，以及歐洲各國之間的相互關係。目前這一機構擁有20個成員國，全球則共有超過100個國家參與到了這一機構的合作關係當中。

CERN最大的成就便是這裡建成了大型強子對撞機(LHC)設備，這可能是人類有史以來建成的規模最大，技術最複雜的機器。兩個研究組：ATLAS和 CMS，每個都由超過3000名科學家組成，在這裡全力搜尋希格斯粒子的蹤跡。其探測器被安置在地下100米深處，每秒可以觀測4000萬次粒子對撞事件。在LHC設備長達27公里的地下隧道中，兩束粒子流被以相反方向射出併發生對撞。

每隔10小時，科學家們會從相反方向各發射一束質子流。1億億個質子堆積在一起並被壓縮成一束狹窄的粒子流——這非常不容易，因為質子帶有正電荷，它們會互相排斥。隨後這一質子流被以99.99999%的光速發射出去，當撞擊發生時，每個質子的能量約為4 TeV，兩兩相撞時總體則約為8 TeV(1 TeV=1萬億電子伏特)。1TeV聽上去可能並不是很大的能量，其或多或少也就與一隻飛行中的蚊子相當，但當這些能量被壓縮在單個的質子之中，並且你同時擁有500萬億個這樣的質子在加速器中瘋狂運行，其具備的能量則與一輛全速行進中的火車相當。而經過升級改造，到2015年，LHC能夠達成的能級還將翻一倍。

謎中之謎

粒子實驗有時被比作同時砸碎兩塊瑞士手錶以檢查它們的結構，但它實際上更加困難，因為科學家要尋找的是全新的粒子，它們是碰撞釋放出的能量所創造出來的。

根據愛因斯坦的著名公式E = MC 2 ，質量是一種能量。正是這個神奇的方程式使兩個物體在碰撞時能夠創造出新的物質，即使對無質量粒子來說也是如此。兩個光子碰撞會產生一個電子和它的反粒子——正電子；如果如果能量足夠高，兩個膠子碰撞能夠產生一個希格斯粒子。

質子像裝滿了粒子——夸克、反夸克和膠子——的小袋子。這些粒子中的大多數彼此相安無事，兩個粒子群相撞時，平均只有二十個粒子會完全正面碰撞。在10億次碰撞中，只有不到一次碰撞是進行到底的。這可能聽起來不多，但每一次這樣的碰撞都會導致約一千個粒子的劇烈爆炸。當能量達到125 GeV時，希格斯粒子的質量居然超過質子一百倍，這就是為什麼它是如此難以被創造出來的原因之一。

然而，這項實驗還遠沒有結束。CERN的科學家們希望在未來數年內取得更大的突破。儘管他們發現希格斯粒子這件事便已經可以載入史冊，這是標準模型中缺失的一環，但是這並不就意味著我們揭開了宇宙的終極奧秘。就舉其中一個例子，根據標準模型，中微子應當是沒有質量的，然而近期的一些研究卻發現這種粒子似乎的確擁有質量。另一個原因是，標準模型只能對可見物質進行描述，而可見物質僅僅佔到整個宇宙中所有物質總量的1/5左右。我們對於神秘的暗物質的本質仍然知之甚少。

我們無法直接觀測到暗物質，但是卻可以通過其施加的引力作用感知到它的存在，正是由於暗物質的引力作用，宇宙中的星系才不至於解體。暗物質幾乎完全不會與可見物質發生反應。然而我們現在知道希格斯粒子是與眾不同的，或許它將幫助在這兩種完全不同的兩者之間建立起某種聯繫。科學家們希望能捕捉到暗物質的身影，哪怕僅僅是一瞬間。為此，在未來數十年間，他們將在LHC設備上繼續努力工作。

獨立學者，科普作家，國學起名師靈遁者整理提供。