一种可能填满“虚无”空间的粒子——《华尔街日报》

插图：托马斯·瓦伦塔诺贝尔物理学奖得主弗兰克·维尔切克探索宇宙奥秘。阅读往期专栏请点击此处。

今年是希格斯粒子发现十周年。如今我们可以更全面地审视它。

要理解其意义，想象一个海洋星球上进化出智慧鱼类，它们开始构建物体运动的理论。通过实验和推导方程，却得到杂乱无章的大杂烩——因为这些鱼将无处不在的海洋视为"真空"。经过数十年研究，一些鱼意识到：若假设"真空"是具有自身质量和运动的介质（即水），就能用简洁优美的定律（牛顿定律）解释一切。接着，鱼群开始探究假想中的海洋由何构成。它们煮沸海水，进行精密光谱分析，最终识别出水分子。想象的美丽指引它们触及具体真相。

地球上曾上演极为相似的故事。20世纪初物理学家发现支配核转变与粒子衰变的亚原子"弱力"时，最初得出的描述方程并不完美。这些方程假设存在名为"W"的粒子——如同光子激发电磁力那样激发弱力。但矛盾的是，严格应用这些方程会推导出W粒子应与光子一样质量为零，而实际并非如此。

一个看似遥远的现象——超导性，为问题提供了解决思路。1935年物理学家弗里茨·伦敦和海因茨·伦敦兄弟首次提出，光子进入超导材料后会获得非零质量。这种质量恰好修正了方程，使其能准确描述超导体内部的电动力学行为。1957年，约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗证明，超导体内的电子会凝聚成由双电子分子构成的粘滞"海洋"，阻碍光子自由运动并使其变得迟缓，从而赋予光子质量。

现在让我们聚焦彼得·希格斯的作用。1964年，他与独立研究的罗伯特·布劳特、弗朗索瓦·恩格勒特大胆提出：W粒子具有质量是因为我们所谓的"真空"其实如同假想智慧鱼群所处的海洋般并非真正空旷。对W粒子而言，“真空"是一种流体介质：一种超级超导体。

这个大胆假设使方程得以自洽。但究竟是什么构成了这种无形却无处不在、能阻碍W粒子自由运动并赋予其质量的介质？已知物质成分的任何组合都无法胜任。

为攻克这一难题，物理学家让质子对撞，将能量压缩至极小空间，试图从这种流体中撞击出碎片。2012年7月4日，日内瓦大型强子对撞机的两个实验组（每组包含数百名研究人员）提交证据，证实以希格斯命名的新粒子正是这种宇宙超级超导体的主要成分。

经过十年密集的实验与验证，希格斯粒子已被确认具备赋予我们所处超导宇宙质量的关键特性，但它仍是一个神秘的异类。虽然希格斯粒子能赋予其他粒子质量，其自身质量来源却完全成谜；当所有已知粒子都能完美融入"大统一理论"时，希格斯粒子却像被遗弃的孤儿。这些未解之谜暗示着更深层的物理图景，对希格斯粒子的深入研究或许能打开通往未知世界的大门。因此，发现十年后的希格斯粒子仍充满青春活力。

本文曾以《可能填补"虚空"的粒子》为题发表于2022年12月31日印刷版。