2013年諾貝爾物理學獎授予彼得·W·希格斯（Peter W. Higgs） 和弗朗索瓦·恩格勒（Fran·ois Englert），以表彰他們對希格斯玻色子（又稱“上帝粒子”）所做的預測。那么，到底什么是希格斯玻色子呢？

希格斯粒子是一種亞原子粒子，也就是說，理論上認為它應當是構成宇宙的最基本組成部件之一。但是它仍然有待實驗觀測證實。科學家們提出的物理學標準模型預言了這種粒子的存在，其作用是解釋為何其它粒子會擁有質量。根據這一理論，在宇宙大爆炸之后，一種看不見的力，即希格斯場和與之相對應的粒子 ——希格斯-玻色子一同形成。正是這個場賦予其它基本粒子以質量的屬性。

為何這一粒子如此重要？

希格斯場賦予整個宇宙中其它粒子以質量的方式可以用游泳者在水池中受到的水的阻力來做比喻。如果粒子沒有質量，它們便可以在宇宙中以光速前進，因為質量的本質便是對物體改變其速度的制約性。

這種粒子最早是什么時候被提出來的？

有關這一粒子的理論最早是在1964年由6位物理學家共同提出來的，其中就包括英國愛丁堡的皮特?希格斯（Peter Higgs）教授。他們當時提出這一粒子的目的就是為了解釋質量的起源。

理論上，這一粒子的存在將正好補全描述整個宇宙如何運行的物理學標準模型的缺陷，因此它便顯得尤其重要。

如何對其進行搜尋？

歐洲核子中心的大型強子對撞機（LHC）是人類有史以來建造的最強大的粒子加速器，它的工作原理是將兩束質子流以接近光速的速度迎頭相撞，在此過程中得到其它粒子。

在1989年至2000年之間，科學家們也曾使用同樣位于歐洲核子中心的另一臺加速器LEP進行搜尋工作，而由于經費不足被關停之前，美國的Tevatron加速器也進行過對這一神秘粒子的搜尋工作。

科學家們如何能知道自己究竟是否發現了這樣的粒子呢？

如果在LHC加速器中進行的數以十億計的對撞實驗中真的產生了希格斯-玻色子，根據預測，它應當是不穩定的，會迅速衰變為更加穩定，質量更小的粒子。物理學家們需要對這些衰變產物進行分析，并且通過分析來推斷這種被稱為“上帝粒子”的神秘粒子是否存在。在分析過程中，希格斯粒子是否存在會從數據圖形的峰值中體現出來。

六點重大影響：

1. 揭開質量起源之謎

物體的質量是怎么來的？這個問題一直困擾物理學界，而希格斯玻色子恰恰被認為與宇宙中一切物體的質量起源有關。希格斯玻色子與一種場有關，那就 是所謂的希格斯場，理論上認為這種場充斥著整個宇宙。當宇宙中的其它粒子在這一場中運行時便獲得了質量的屬性。這就有點像是大家都在一個游泳池里游泳，然 后身上都會被打濕，在這里，被水打濕就像是物體獲得質量一樣。

美國哈佛大學物理學家杰奧?哥斯達（Joao Guimaraes da Costa）表示：“希格斯粒子的機制讓我們能夠理解粒子獲得質量的途徑和方式。” 哥斯達是去年歐洲核子中心宣布疑似希格斯粒子發現時，大型強子對撞機（LHC）所屬ATLAS探測器設備的標準模型召集人。他說：“如果沒有這種機制，那 么所有的一切物體都將失去質量。”

確認此次發現的粒子確實是希格斯粒子將證明我們設想的粒子獲得質量屬性的方式是正確的。美國加州理工學院物理學教授瑪利亞?斯皮羅普魯 （Maria Spiropulu）表示：“這項發現從量子層面支持了我們對于質量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項無與倫比的成就。”

而后，這將進一步為一個更深層次的問題提供解決的線索，那就是：為什么這些粒子擁有這一質量數值？這個值是如何確定的？對此，哈佛大學物理學家 麗薩?蘭德爾（Lisa Randall）表示：“這是一個大得多的問題。確認這的確是希格斯粒子只是整個過程的第一步，此后我們才能更往前走，這兩者之間是相互聯系的。”

2. 完善標準模型

標準模型是當代粒子物理學的基石，它描述了整個宇宙中所有的粒子。所有被標準模型所預言的粒子此前都已經被找到了，除了希格斯粒子。就在去年宣 布初步結果時，歐洲核子中心ATLAS實驗設備科學家喬納斯?斯蘭德伯格（Jonas Strandberg）就曾表示：“這是標準模型中缺失的一環，因此如果這一發現得到最終確認，那么它將最終證明我們目前的認識是正確的。”

到目前為止，科學家們所發現的這一疑似希格斯粒子似乎和標準模型中預言的性質相吻合。但即便如此，標準模型本身也并不完整：例如它沒有包括引力，也沒有將被認為占據整個宇宙物質總量約98%的暗物質成分考慮進去。

美國費米國家實驗室CMS中心的物理學家帕提?麥克布雷德（Patty McBride）在上周四表示：“即便有證據清晰地證明目前我們新發現的這一粒子確確實實就是標準模型所預言的希格斯玻色子，即便如此我們對宇宙的認識仍 然模糊不清。”他說：“我們仍然不能理解為何引力如此微弱，我們還要面對巨大的暗物質的存在。不過，對于這一已經有48年歷史的經典理論來說，邁出了完善 的第一步仍然不失為一件令人高興的事。”

3. 電弱相互作用

確認希格斯粒子還將對電弱相互作用的構建產生重要影響。這種作用是對電磁作用與弱相互作用的統一描述，這兩者都是自然界的基本力類型之一。電磁作用描述帶電粒子之間的相互作用，而弱相互作用則描述放射性衰變過程。

自然界中所有力的作用都和某種粒子有關。比如與電磁力有關的粒子是光子，這是一種質量為零的特殊粒子。而弱相互作用力則和名為W和Z的玻色子有關，這兩種粒子都擁有很高的質量值。而所有這些粒子的質量來源，便被認為是希格斯玻色子的作用造成的。

歐洲核子中心的斯蘭德伯格表示：“如果引入希格斯場的概念，那么W和Z玻色子就會和這個場混雜在一起，在這一過程中它們便獲得了質量。”他說：“這解釋了為何W和Z玻色子會有質量，并將電磁作用和弱相互作用兩種基本力統一了起來，構成電弱相互作用。”

4. 超對稱理論

超對稱理論也將受到希格斯粒子發現的影響。這一理論認為任何一種已知的粒子都有一個“超級伙伴”粒子，這種伙伴粒子擁有輕微差異的性質。超對稱 理論擁有很大的吸引力，因為它可以統一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭開暗物質構成之謎。然而到目前為止這一理論的前景黯淡，科學家們只找到了和 標準模型預言的希格斯粒子性質極其相似的粒子，但是卻沒有能發現任何和超對稱粒子有關的線索。

5. 大型強子對撞機

大型強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設備率屬于歐洲核子研究中心（CERN），其目的是創建地球上能 級最強大的粒子加速器設施。而其中找出希格斯玻色子則被列為了該設備的最優先目標之一。此次最新宣布的結果為LHC此前的結果提供了強有力的證明，也是對 此前一直在這里為達成這一目標而忘我工作的物理學家們所取得豐碩成果的最好證明。

斯皮羅普魯在去年的一份聲明中表示：“這項發現從量子層面支持了我們對于質量來源的看法，而這正是我們當初建造大型強子對撞機的目的。這是一項 無與倫比的成就。”他說：“科學家們已經等待了整整一代人的時間，為的就是這一刻。來自全世界各地大學和研究機構的粒子物理學家，工程師和技術人員們已經 為了達成今天的這一成就奉獻了數十年的辛勤工作。現在是時候讓我們暫時停下腳步，回過頭去審視這項發現的意義了，然后再繼續進行海量的數據收集和分析工 作。”

希格斯玻色子最早是在1964年由英國物理學家皮特?希格斯和同事們提出的。而這個名字的后半部分則是為了紀念杰出的已故印度物理學家和數學家 玻色，他與愛因斯坦一同給出了玻色子的定義。玻色子是一類基本粒子，主要包括膠子和引力子等。其負責傳遞費米子之間的相互作用，如夸克，電子和中微子等 等。費米子是宇宙中的另外一種基本粒子類型。

6. 宇宙的命運

希格斯玻色子的確認將為科學家們開啟一扇大門，讓他們得以進行此前無法進行的一些計算。其中一些計算的結果有關宇宙的命運。有一種觀點認為宇宙將在未來數十億年內毀滅。

在進行這樣的計算時，希格斯玻色子本身的質量是一個非常關鍵的參數，它預示了時空的未來命運。目前的測量值顯示，希格斯玻色子的質量約為質子的126倍，這一質量值幾乎已經處在了一個臨界點上，它將有可能讓宇宙在未來數十億年內走向毀滅。

約瑟夫?林肯（Joseph Lykken）是美國費米國家實驗室的物理學家，他表示：“計算的結果告訴我們，在數十億年之后宇宙將可能面臨災難。”他說：“這或許意味著我們所生活于其中的這個宇宙本身存在著內在的不穩定性，在數十億年之后這一切都將歸于瓦解。”

基本粒子質量之源

若沒有希格斯粒子，其他基本粒子就會仍以光速運行，宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，不能組成物質，生命無從談起。


希格斯粒子究竟是什么？為什么找到它如此重要？

早在2000多年前，人類便開始追問，我們所生活的世界是怎樣形成的？從德謨克利特的“原子說”到如今被科學家普遍接受的標準模型理論，從樸素的形而上學概念到標準模型所預言的粒子陸續被證實，人類似乎越來越接近這一問題的答案。

在標準模型里，宇宙由62種不可再分的基本粒子構成，通過強力、弱力及電磁力這三種基本作用力組合成各種復合粒子，進而構成物質世界。

歐洲的大型強子對撞機

基本粒子可以分為兩大類：自旋為半整數的費米子（fermion）和自旋為整數的玻色子（boson）。費米子是構成物質“實體”的粒子，也稱之為物質粒子，而玻色子則傳遞基本相互作用，也可稱為載力粒子。

然而在標準模型建立過程中，有一個問題卻一直困擾著科學家：按照標準模型理論，基本粒子并沒有質量，但實驗結果卻又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有質量的。

1964年，希格斯等人提出了“希格斯機制”的概念，在理論上解決了這個問題。希格斯們認為宇宙間遍布“希格斯場”，基本粒子在與希格斯場的相互作用下獲得了質量，而形成希格斯場的就是一種新的粒子，被命名為希格斯粒子。

根據對希格斯粒子性質的預言，希格斯粒子的自旋為零，是一種玻色子，所以又把希格斯粒子稱為希格斯玻色子。

希格斯理論提出，在宇宙誕生的最初，并沒有希格斯粒子的存在，其他的各種基本粒子都如光子一般，以光速橫沖直撞。宇宙誕生十幾秒后，希格斯粒子 誕生，形成了“希格斯場”。除了光子，其他的基本粒子與希格斯粒子發生碰撞后，就如同輕巧的棉花吸飽了水分一般，獲得了質量，而速度就慢下來了。

慢下來的基本粒子“夸克”在強相互作用下，抱團組成了質子、中子等粒子，質子和中子又組成了原子核，原子核與電子在電磁力作用下又形成了原子，原子構成分子，由此形成了我們所見到的大千世界。

如果沒有希格斯粒子，其他的基本粒子就會仍然以光速運行，不能聚合在一起，我們的宇宙將仍然是一鍋沸騰的基本粒子湯，根本不能組成物質，生命也無從談起。

希格斯玻色子的存在是希格斯機制的必然結果之一，假若實驗證實希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機制極大的肯定。更重要的是，它的發現彌補了標準模型的缺漏，奠定了標準模型的基礎。

由于希格斯粒子一直未被發現，這些重要的問題一直懸而未決。這個標準模型理論預言的最后一個粒子便一直成為科學家們苦苦追求的目標。

等等，萬一希格斯理論被證明是錯誤的，希格斯粒子根本就不存在呢？

曾獲諾貝爾獎的著名粒子物理學家萊德曼表示，如果這樣，標準模型理論將被推翻，至少需要進行修改。他表示，“這就像哥倫布啟程去尋找印度群島一樣，他和他的信徒們相信，如果沒有達到目的，他也會發現一些別的東西，這些東西可能會更有意義。”

在這個意義上來說，很多科學家反倒有些失望，畢竟找到一個48年前就被預言了的“老粒子”多少有些無趣，他們期盼的是更為顛覆性的發現：假如標準模型被推翻，整個物理世界的理論都有可能要重新改寫。

尋找希格斯粒子歷程艱難花費驚人

上帝粒子之所以取名為希格斯，是因為它是英國科學家彼得?希格斯（Peter Higgs）于1964年提出的（與他差不多同時提出希格斯這一機制的還有其他幾個人，一旦希格斯粒子的存在最后被確認，他們將分享諾貝爾物理獎）。

尋找希格斯的工作早在上世紀90年代的LEP對撞機上就開始了。LEP似乎看到了希格斯的小尾巴， 可惜LEP對撞機由于要讓位于LHC的修建而過早關閉了，從此便與希格斯擦肩而過（現在看來，LEP的能量再提升一點就有能力看到希格斯了）。

接下來前赴后繼的是美國費米實驗室的Tevatron對撞機，這一領世界風騷近20年的對撞機也對希格斯進行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的嬌容，可惜這一對撞機正值壯年就被關閉了（被關閉的原因是在能量和亮度兩方面都競爭不過歐洲人的LHC對撞機）。

其實在LHC建造之前，美國人已經開始建造超級超導對撞機SSC，按照設計它將是真正的巨無霸對撞機，其能量比LHC還要高3倍，目標也是尋找 希格斯。可惜，SSC由于花費驚人（被稱為“吞噬金錢的無底洞”）而被美國國會終止了，已經挖好的地洞也被填平（很多第三世界國家的人為此嘆息，這些花巨 資挖的地道可以作防空洞或地道戰用啊）。

但是，歐洲人并沒有因此而停頓建造LHC的步伐，歐共體成員國共同出錢如期完成了LHC工程（世界上其他大國包括中國在內，也不同程度地出了錢）。LHC對撞機是人類歷史上投資最大的科學研究機器，造價高達100億美元，這一人類歷史上最高能量對撞機的主要目標就是尋找上帝粒子——希格斯。由于LHC涉及到幾十個國家和幾百個大學，它的發言人在7月4日的發布會做最后總結時說，LHC是全球的力量、全球的成功。

這是歐洲核子中心大型強子對撞機的ATLAS探測器獲得了數據的模擬粒子路徑圖。希格斯玻色子是當兩個質子以14TeV的極高能級相撞時產生的，此后它會迅速衰變為4個μ子，這是一種不會被探測裝置吸收的大質量電子。這一圖像中，μ子的運行路徑用黃色線標示。

當地時間2011年12月13日，歐洲強子對撞機實驗室進行的高能量光子軌跡圖

看到這里證明大家都是好學的孩子，還是沒看懂么？

沒關系，其實我也不是很懂，那我們看看來自科學松鼠會的九維空間的繼續解讀：

希格斯玻色子的意義

希格斯玻色子——或者，至少是0自旋，衰變產物等特性和希格斯玻色子一模一樣的新粒子。這也是物理學在2012年最大的進展。判定這個粒子依據是：在質量125-126 G電子伏左右出現信號，置信度達到5個標準誤差，意味著可信度大于99.99994% 。

為什么希格斯玻色子如此重要？主要有兩個原因，第一個是它是標準模型中唯一還沒有被發現的粒子，因為它的質量最大，以前加速器的能量都無法把它轟出來，只有LHC可以。第二個原因是它和電子，光子，夸克等我們耳熟能詳的基本粒子不同，它是個奉獻者，是其它粒子靜質量的來源。

大型強子對撞機

如果沒有希格斯玻色子，世界會變成什么樣？那樣的世界里，由于沒有靜質量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在運動。由于基本粒子間傳遞相互作用的速度就是光速，于是意味著難以存在由夸克形成的穩定原子核。而電子若靜質量為零，更意味著不可能形成原子，分子。這樣，宇宙中便不會有出現各式各樣的星球，更不會出現生命。

怎樣比喻希格斯粒子給其它基本粒子提供質量的原理？希格斯粒子的發現完善了粒子物理的標準模型，標準模型的根基是量子場論，量子場論則是量子力學和狹義相對論的結合。在量子場論中，所有的粒子都是分布在全空間的場。場的最低能量狀態叫“真空態”，隨著能量的提高出現場的單粒子態，雙粒子態，三粒子態等等。而這個“真空態”并不是一無所有，因為場的最低能量并不為零。希格斯場與其它所有基本粒子的場都不同的是，它在宇宙誕生那一刻，真空態經歷了瞬間的破缺，變成現在這個樣子。正是這個瞬間破缺給了每一種基本粒子靜質量（光子和膠子除外）。

前天在歐洲核子中心（CERN）確認發現的希格斯玻色子，就是希格斯場經過真空對稱性破缺后的產物，也可以說是希格斯場給了其它基本粒子靜質量之后，剩下的那部分所對應的粒子。這部分還會跟很多粒子發生作用而產生衰變，所以能通過衰變產物來夠探測到。當然，它不會再給基本粒子們靜質量了，因為在宇宙創生之初已經給過了。

粒子世界里，自旋為整數的粒子稱為玻色子，如光子，膠子的自旋都是1。自旋為半整數的粒子稱為費米子，如電子，夸克，中微子的自旋都是1/2。希格斯粒子屬于玻色子，因為他的自旋是0，這也是目前知道唯一自旋是0的玻色子。

希格斯玻色子是如何被理論上預言的？主要原因來自量子場論的兩個成果，物理學家一開始并沒有看出這兩個成果的深刻聯系。借用一句評書體：花開兩朵，咱各表一支。第一支是和楊振寧先生密切相關的Yang-Mills理論，第二支是Goldstone定理。

楊振寧先生在物理學上最重要的貢獻，并不是和李政道先生一起發現的宇稱不守恒，當然更不是娶了個小他54歲的老婆。他最重要的貢獻是50年代和Mills提出的Yang-Mills場論。Yang-Mills場論不允許有靜質量的玻色子存在，而當時實驗結果暗示傳遞弱相互作用的玻色子是有質量的，因此Yang-Mills場論未受重視。

另一方面，Jeffrey Goldstone 在1962年證明了量子場論中，一個真空態存在自發對稱破缺的標量場（自旋=0的場），會伴隨著一個質量，電荷，自旋都是零的粒子出現。自然界當然沒有這種粒子，所以Goldstone定理一開始只被看成一個數學游戲。

Yang-Mills場論和Goldstone定理就這樣同命相憐。時間很快到了1964年，量子場論出現了重大突破，Brout，Englert和Higgs等人的工作讓前面這兩個屌絲理論一夜之間合體成了高富帥理論。他們發現這兩個理論是完美的互補！Yang-Mills場論通過某些限定條件（學名規范對稱性）限制了玻色子的形式，希格斯（Higgs）等人證明這些玻色子和Goldstone定理中的對稱破缺后標量場相互作用，會獲得靜質量，同時標量場剩余的部分就對應自旋為0但是有靜質量的粒子。有些眼熟？沒錯，這就是希格斯機制和希格斯玻色子！

這就是希格斯機制的意義，同時挽救了Yang-Mills場論和Goldstone定理，一箭雙雕，一石二鳥。之后進一步研究可以發現電子和夸克等費米子也能通過希格斯機制獲得靜質量。隨后溫伯格，薩拉姆，格拉肖三位物理學家通過希格斯機制實現了電磁相互作用和弱相互作用的統一，并因此獲得1979年諾貝爾物理學獎。

粒子物理學的標準模型，就是包含希格斯機制的電弱統一理論，和描述強相互作用的量子色動力學（QCD）。而希格斯機制要求希格斯玻色子的存在。一旦找不到希格斯玻色子，那么標準模型就需要修改，物理學家必須給出其它的原因來解釋Yang-Mills規范玻色子和費米子的質量來源，模型都比希格斯機制復雜。

7月4日公布的新粒子，CERN方面通過分析數據，說可以確定95%以上的可能性就是標準模型中的希格斯玻色子。作為標準模型中最后一個被實驗發現的粒子，可以說這次發布的結果標志著標準模型的實驗證據完善。但標準模型并不是物理世界的終極理論，因為他的基礎——量子場論本身就不是終極的物理理論。

在更小的時空尺度下，基本粒子們所符合的可能是含有超對稱的量子場論，而標準模型只是它在稍大尺度下的近似。如果時空尺度小到普朗克尺度之下，可能是超弦理論等含有引力的更深層次理論來主導這個世界。當然尋找相應的實驗證據需要更大更貴，更耗能的加速器，甚至也許會超過人類文明的極限。

無論如何，人類還走在這條發現宇宙最基本單元的路上，LHC的下一個目標是驗證超對稱。超對稱是費米子和玻色子之間的深層次的內在聯系，它如果存在，基本粒子的數量會翻番，三維空間也不再會滿足要求，超弦理論就是超對稱和弦論的結合，它要求空間是九維甚至是十維。人類對空間的觀念將會產生變革。

最后還要補充一下，媒體總用“上帝粒子”來代表希格斯玻色子，實際上諾貝爾物理學獎得主Lederman在其介紹希格斯玻色子科普書中，想把讓物理學家頭疼的希格斯玻色子起個外號“Goddamn particle”。出版商覺得不妥，遂改為“God particle”。也就是說，別以為希格斯玻色子和上帝真有什么關系。

竟然能看到這里，我真服了你，還是看不懂么？沒關系。我相信很多人看不懂的，所以你們不要自卑，好學本質來說不是個壞事！只是告訴你一下，這是一個很厲害的東西。