一種可能填滿“虛無”空間的粒子——《華爾街日報》

插圖：托馬斯·瓦倫塔諾貝爾物理學獎得主弗蘭克·維爾切克探索宇宙奧秘。閲讀往期專欄請點擊此處。

今年是希格斯粒子發現十週年。如今我們可以更全面地審視它。

要理解其意義，想象一個海洋星球上進化出智慧魚類，它們開始構建物體運動的理論。通過實驗和推導方程，卻得到雜亂無章的大雜燴——因為這些魚將無處不在的海洋視為"真空"。經過數十年研究，一些魚意識到：若假設"真空"是具有自身質量和運動的介質（即水），就能用簡潔優美的定律（牛頓定律）解釋一切。接着，魚羣開始探究假想中的海洋由何構成。它們煮沸海水，進行精密光譜分析，最終識別出水分子。想象的美麗指引它們觸及具體真相。

地球上曾上演極為相似的故事。20世紀初物理學家發現支配核轉變與粒子衰變的亞原子"弱力"時，最初得出的描述方程並不完美。這些方程假設存在名為"W"的粒子——如同光子激發電磁力那樣激發弱力。但矛盾的是，嚴格應用這些方程會推導出W粒子應與光子一樣質量為零，而實際並非如此。

一個看似遙遠的現象——超導性，為問題提供瞭解決思路。1935年物理學家弗裏茨·倫敦和海因茨·倫敦兄弟首次提出，光子進入超導材料後會獲得非零質量。這種質量恰好修正了方程，使其能準確描述超導體內部的電動力學行為。1957年，約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·羅伯特·施裏弗證明，超導體內的電子會凝聚成由雙電子分子構成的粘滯"海洋"，阻礙光子自由運動並使其變得遲緩，從而賦予光子質量。

現在讓我們聚焦彼得·希格斯的作用。1964年，他與獨立研究的羅伯特·布勞特、弗朗索瓦·恩格勒特大膽提出：W粒子具有質量是因為我們所謂的"真空"其實如同假想智慧魚羣所處的海洋般並非真正空曠。對W粒子而言，“真空"是一種流體介質：一種超級超導體。

這個大膽假設使方程得以自洽。但究竟是什麼構成了這種無形卻無處不在、能阻礙W粒子自由運動並賦予其質量的介質？已知物質成分的任何組合都無法勝任。

為攻克這一難題，物理學家讓質子對撞，將能量壓縮至極小空間，試圖從這種流體中撞擊出碎片。2012年7月4日，日內瓦大型強子對撞機的兩個實驗組（每組包含數百名研究人員）提交證據，證實以希格斯命名的新粒子正是這種宇宙超級超導體的主要成分。

經過十年密集的實驗與驗證，希格斯粒子已被確認具備賦予我們所處超導宇宙質量的關鍵特性，但它仍是一個神秘的異類。雖然希格斯粒子能賦予其他粒子質量，其自身質量來源卻完全成謎；當所有已知粒子都能完美融入"大統一理論"時，希格斯粒子卻像被遺棄的孤兒。這些未解之謎暗示着更深層的物理圖景，對希格斯粒子的深入研究或許能打開通往未知世界的大門。因此，發現十年後的希格斯粒子仍充滿青春活力。

本文曾以《可能填補"虛空"的粒子》為題發表於2022年12月31日印刷版。