作者：程鶚
朋友們出去聚餐時(shí)有時(shí)候會(huì)遇到一點(diǎn)小尷尬：不知道自己座位邊上的水杯或 餐具是給自己還是旁座用的。但這點(diǎn)麻煩很容易解決，因?yàn)槲覀冏鳛槿祟?lèi)有自己 做判斷、決定的智力和與別人交流的能力。如果沒(méi)有自主意識(shí)的自然界遇到了同 樣的問(wèn)題，它是否也能找到解決方法？這個(gè)問(wèn)題聽(tīng)起來(lái)匪夷所思，但正是這方面 的研究導(dǎo)致了20世紀(jì)物理學(xué)最輝煌的成就——對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺。
其實(shí)，早在14世紀(jì)，人類(lèi)便開(kāi)始思考這個(gè)問(wèn)題。一個(gè)以法國(guó)哲學(xué)家讓·布里 丹命名的“驢子悖論”設(shè)想有一頭位于兩堆草料之間的驢子。因?yàn)椴萘舷鄬?duì)于驢 子完全對(duì)稱(chēng)，驢子沒(méi)有任何理由選擇是吃左邊還是右邊的草料，最終只能眼睜睜 地看著美味食品餓死。（“布里丹之驢”是作為道德和理性選擇的困境提出的， 但其根源在于對(duì)稱(chēng)性。）
在1950年代前后，物理學(xué)家在基本粒子領(lǐng)域里也遇到了同樣的難題。但與哲 學(xué)家不同的是，物理學(xué)家不會(huì)滿(mǎn)足于思辨悖論本身的“奇妙”，而是尋求解決的 途徑。他們更感興趣的問(wèn)題是，假如驢子餓極了“冒昧”吃了左邊（或右邊）的 草料，因此打破了原有的對(duì)稱(chēng)性，會(huì)發(fā)生什么樣的情況？而這樣的情形是否確實(shí) 是在自然界發(fā)生著？
這一研究過(guò)程非常不順利，很多物理學(xué)家在距離答案咫尺之遙時(shí)裹足不前痛 失良機(jī)，最后的成功則是在走了大量的彎路后才取得的。在那之前，物理學(xué)界已 經(jīng)意識(shí)到對(duì)稱(chēng)性的重要性。一個(gè)能夠描述自然界的理論必須保證做到“規(guī)范”對(duì) 稱(chēng)，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)散，也就是得出荒唐的結(jié)果。但在規(guī)范對(duì)稱(chēng)的方程里，傳遞作 用力的粒子質(zhì)量必須是零，因此以光速傳播，造成作用力是長(zhǎng)距離的。這對(duì)于電 磁相互作用天然吻合——該作用由無(wú)質(zhì)量的光子傳遞。但核子的強(qiáng)、弱相互作用 都是非常短距的，傳遞這些相互作用的粒子必然有質(zhì)量，才會(huì)在短距離（時(shí)間） 內(nèi)衰變，不能將作用力傳遞很遠(yuǎn)。但幾乎一切在規(guī)范場(chǎng)方程中引進(jìn)質(zhì)量的嘗試都 因?yàn)槠茐牧藢?duì)稱(chēng)性而導(dǎo)致結(jié)果發(fā)散的失敗而告終。
設(shè)想一張圓形的餐桌，沿著桌邊為每個(gè)座位擺放了供人就餐的食品。假如座 位和餐具擺放得精細(xì)，它會(huì)有一種非常優(yōu)美的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性：我們?nèi)绻麖纳隙赂?視桌面，把桌子旋轉(zhuǎn)一定角度后，所有座位、餐具均與原來(lái)位置重疊，就像沒(méi)有 旋轉(zhuǎn)過(guò)一樣。這便是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)的一個(gè)表現(xiàn)形式。旋轉(zhuǎn)便是這個(gè)例子中的“規(guī)范”， 這張餐桌便具備了一種規(guī)范對(duì)稱(chēng)性。食客坐下后可以按部就班地享受自己面前的 美味，不需要與鄰座或他人打交道——相對(duì)于質(zhì)量為零的規(guī)范粒子。
接著設(shè)想擺桌子的人正好把水杯放在兩個(gè)座位的中間位置，這樣并沒(méi)有破壞 原有的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。但坐下來(lái)的食客發(fā)現(xiàn)自己左右各有一個(gè)水杯，卻無(wú)法決定哪 一個(gè)是為自己準(zhǔn)備的——他們陷入了那頭驢子的困境。如果就此不喝水的話顯然 不是一件很爽的事情。這在物理學(xué)的語(yǔ)言里叫做該系統(tǒng)沒(méi)有處于能量最低的基態(tài)， 因此具有一定的不穩(wěn)定性，會(huì)自己找到并轉(zhuǎn)換到更合適的基態(tài)。
如果餐桌上的食客都與那頭驢一樣犟，我們無(wú)疑會(huì)陷入僵局。但如果能有一 個(gè)渴極了的家伙不顧社交禮儀，伸手去取右邊的水杯。這個(gè)隨機(jī)的動(dòng)作會(huì)立刻解 決桌上所有人的困境——大家都會(huì)隨之看出自己右邊的水杯是屬于自己的，可以 伸手取之。（如果那個(gè)人是左撇子，拿的是左手邊的水杯，其他人也會(huì)跟著他取 左邊的水杯，結(jié)果是一樣的。）這樣，就餐的食客的行為突然與鄰座相關(guān)了。
其實(shí)，這樣的對(duì)稱(chēng)破缺在現(xiàn)實(shí)世界中比比皆是。一個(gè)放置在尖頂上的大球有 可能平衡在針尖上面，但極其不穩(wěn)定，總會(huì)自己滾下來(lái)，雖然該球本身沒(méi)有依據(jù) 選擇往哪個(gè)方向滾。液體中的分子是均勻分布的，也就是具備完全的空間平移和 旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。足夠冷卻之后，液體會(huì)突然凝固成固體，分子只能出現(xiàn)在特定的晶 格點(diǎn)上，不再具備當(dāng)初的對(duì)稱(chēng)性。液體與固體之間的這種變化叫做相變，而很多 相變都會(huì)伴隨著類(lèi)似對(duì)稱(chēng)性的永久破缺。這一事實(shí)原先沒(méi)有引起太大注意，因?yàn)?在經(jīng)典物理中并不存在理想的對(duì)稱(chēng)性。一絲微風(fēng)的輕拂便能夠?yàn)榧忭斏系拇笄蛱?供滾落的方向，而液體中的雜質(zhì)和邊界環(huán)境主宰了晶體結(jié)構(gòu)形成的方式。微風(fēng)、 雜質(zhì)、邊界等等的存在表明這些系統(tǒng)本身并沒(méi)有具備完全的對(duì)稱(chēng)性，而是早就已 經(jīng)破缺了。
后來(lái)，相變的研究進(jìn)入了量子效應(yīng)在宏觀世界的表現(xiàn)，尤其是固體中的超導(dǎo) （也就是金屬在低溫時(shí)電阻突然消失的）現(xiàn)象。1957年，超導(dǎo)現(xiàn)象由一個(gè)被稱(chēng)作 BCS理論的模型完全解釋。后續(xù)的研究發(fā)現(xiàn)，BCS理論實(shí)際上就是規(guī)范場(chǎng)論的一種 特殊形式，其中也包含了對(duì)稱(chēng)的破缺。更神奇的是，該理論中的對(duì)稱(chēng)破缺不依賴(lài) 于雜質(zhì)等外在因素的存在，而是系統(tǒng)本身完全自發(fā)的作為。這一發(fā)現(xiàn)令物理學(xué)家 豁然開(kāi)朗：原來(lái)我們的自然世界并不是一頭蠢驢。
但規(guī)范場(chǎng)論的問(wèn)題并沒(méi)能因此解決。我們進(jìn)一步想像一下那個(gè)餐桌上的人反 應(yīng)比較遲鈍的情形。第一個(gè)人拿起水杯的動(dòng)作首先被他身邊的人注意到，他們也 隨之拿起（現(xiàn)在知道是）屬于自己的杯子。這個(gè)行動(dòng)再度影響他們的鄰居而持續(xù) 下去。這樣在外人看來(lái)大家的動(dòng)作并不是同時(shí)的，而是取水的行為像一個(gè)“波” 一樣從第一個(gè)人那里向外傳播，直到所有人都拿起水杯。波動(dòng)在相應(yīng)的數(shù)學(xué)語(yǔ)言 中代表一個(gè)“場(chǎng)”的存在。也就是說(shuō)，我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的場(chǎng)，也相應(yīng)地發(fā)現(xiàn)應(yīng) 該有一種新的粒子作為這個(gè)場(chǎng)的激發(fā)子。
如果就餐的人記憶不好，他們還可能一會(huì)兒用右邊的水杯，一會(huì)兒用左邊的 水杯。只要大家不顧忌由此帶來(lái)的衛(wèi)生問(wèn)題并保持步調(diào)一致的話，我們可以看到 剛發(fā)現(xiàn)的這個(gè)粒子不斷地出現(xiàn)和消失，卻沒(méi)有改變系統(tǒng)的狀態(tài)。在物理模型中， 不改變系統(tǒng)能量狀態(tài)的粒子質(zhì)量為零。這個(gè)零質(zhì)量的新粒子初始是由物理學(xué)家南 部和杰弗里·古德斯丁通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)發(fā)現(xiàn)的，被稱(chēng)為“古德斯丁玻色子”。古德 斯丁還證明了在規(guī)范對(duì)稱(chēng)的理論中必須存在這樣的玻色子。
問(wèn)題是這樣的粒子在我們這個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中并不存在。古德斯丁的發(fā)現(xiàn)一度宣 判了規(guī)范場(chǎng)論的死刑，盡管其理論本身很漂亮。其后幾十年中的理論上的諸多突 破（其中一些后來(lái)獲得諾貝爾獎(jiǎng)）在發(fā)表時(shí)都因此未能引起注意。
回到我們的餐桌上。現(xiàn)在設(shè)想餐桌很大，人很多。能夠自作主張打破對(duì)稱(chēng)性 取水的可能不止一個(gè)人。如果餐桌某處的“第一個(gè)人”取了右手的水杯，而另一 處卻有另一人取了左手的水杯，他們鄰近的人分別隨他們的選擇行事，這樣出現(xiàn) 的兩個(gè)波必然會(huì)在某些地方相遇，造成有人兩邊的水杯都被鄰座取走沒(méi)有水喝， 而另有人卻面對(duì)左右兩杯水都屬于自己的尷尬局面。這顯然不爽，也就是我們沒(méi) 有能夠到達(dá)所要的基態(tài)。
要解決這個(gè)不愉快的場(chǎng)面，餐桌上的人不能再保持紳士風(fēng)度默默地取水。他 們必須與他人商量，調(diào)換水杯。這樣，原來(lái)的對(duì)稱(chēng)便完全被打破了，造成了一個(gè) 局部的“混亂”。如果就餐的人足夠理智，每一次混亂都是暫時(shí)的，很快便能平 息。但如果他們不能吸取教訓(xùn)，這樣的混亂便會(huì)此起彼伏，成為一個(gè)常規(guī)的現(xiàn)象。
亂卻也有亂的好處。在數(shù)學(xué)上，原來(lái)井然的秩序?qū)?yīng)于規(guī)范場(chǎng)論的那個(gè)重要 特征：其中所有的粒子都是零質(zhì)量的。被攪亂的情形則相當(dāng)于這些粒子被迫與所 處的環(huán)境發(fā)生作用，而在這過(guò)程中改變了自己的性質(zhì)：它們的效應(yīng)變成暫時(shí)的、 短距的，也就是它們獲得了質(zhì)量。
那么，這個(gè)“混亂”本身又是什么呢？想像一下那個(gè)從尖頂上轟隆隆地滾下 來(lái)的大球。如果底部并不是平面，而是一個(gè)凹槽，這球不會(huì)一下子停留在凹槽的 底部，而是在底部附近的槽面上來(lái)回振蕩。這和餐桌上的沖突使得系統(tǒng)不能實(shí)現(xiàn) 能量最低的基態(tài)是同樣的情形。這種在基態(tài)附近的振蕩便是“混亂”的根源。而 振蕩本身也是一種波動(dòng)，說(shuō)明還存在有一個(gè)新的場(chǎng)，是這個(gè)場(chǎng)與規(guī)范粒子的相互 作用而使后者獲取了質(zhì)量。這個(gè)場(chǎng)便是現(xiàn)在大家所聽(tīng)說(shuō)的“希格斯場(chǎng)”，它相應(yīng) 的激發(fā)子便是那神秘的“希格斯粒子”。
希格斯粒子與規(guī)范粒子作用使其獲取質(zhì)量的同時(shí)也破壞了當(dāng)初古德斯丁發(fā)現(xiàn) 其定理的前提條件——在存在混亂的餐桌上不可能再有步調(diào)一致的取杯子動(dòng)作， 也就是說(shuō)，那鬼魅一般的古德斯丁粒子其實(shí)的確并不存在。
希格斯場(chǎng)是在1960年代中期由多名物理學(xué)家?guī)缀跬瑫r(shí)提出的。希格斯本人并 不是首先提出者。該場(chǎng)和粒子后來(lái)以他命名其實(shí)是一個(gè)歷史的巧合或誤會(huì)。但這 一機(jī)制的提出，既解決了規(guī)范場(chǎng)論中粒子零質(zhì)量的難題，也清除了子虛烏有的古 德斯丁粒子，可謂一舉兩得，為后來(lái)的弱電統(tǒng)一理論以及一舉統(tǒng)一弱、電磁和強(qiáng) 相互作用的所謂“標(biāo)準(zhǔn)模型”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
“標(biāo)準(zhǔn)模型”的成功當(dāng)然并不只在于上面描述的模型之自洽和漂亮，而是該 理論可以精確預(yù)測(cè)其中諸多規(guī)范粒子的質(zhì)量。過(guò)去幾十年來(lái)，高能物理試驗(yàn)實(shí)際 上便是在按圖索驥，一個(gè)個(gè)地發(fā)現(xiàn)了所預(yù)測(cè)的粒子，一次次地證明該理論的正確 和準(zhǔn)確。就連因?yàn)橘|(zhì)量最大而最難捕獲的希格斯粒子本身也在今年7月被觀測(cè)到 （雖然尚未完全證實(shí)）。在這個(gè)重大發(fā)現(xiàn)之前，許多物理學(xué)家曾評(píng)論道，找到希 格斯粒子并不稀奇，如果找不到才是稀奇。
這一系列實(shí)驗(yàn)證明，自然界的確能夠自發(fā)地作出會(huì)導(dǎo)致對(duì)稱(chēng)破缺的選擇，而 這樣的選擇機(jī)制完全能夠被智慧的人類(lèi)所理解。這才是比“悖論”更為奇妙之所 在。
也就是這樣，在近10個(gè)世紀(jì)的哲學(xué)家盯著一頭垂死的蠢驢苦思冥想之際，物 理學(xué)家已經(jīng)以不斷地新發(fā)現(xiàn)將人類(lèi)對(duì)自然的認(rèn)知推進(jìn)到新的境界。
(XYS20120918)
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