质量是什么？从平常的尺度来看，这似乎易于理解。物体包含的物质越多，它就越重；但在较小尺度上，在物质的基本粒子水平上看，就不完全了解质量的真实意义。很幸运，我们对其了解的前景已大有进展。高能实验已近于测试关于粒子质量问题的似乎有理的解释 · 这些概念的被肯定或被否定，其结果都将使我们更进一步地搞清质量的意义。

本世纪早期，爱因斯坦把质量理解为能量的一种形式，两者可互换。故原子及其核的质量不仅依赖于它们的总质量，还依赖于把原子的组分束缚在一起的能量。在过去的70年中，对这些已很有了解，这使得我们可精确计算出放射性过程中所释放的能量。当我们考虑原子和核内基本粒子的质量时，就出现了这个问题。

约30年来，粒子物理的研究导致了所谓标准模型，其主要内容是物质粒子和作用在它们身上的力。“物质粒子”是夸克（质子、中子和其他复合粒子由其组成）和轻子（电子包括在内）。它们能感受电磁力、强力、弱力，所有这些力似乎通过“信使”粒子（称之规范玻色子）而作用。夸克和轻子感受引力，但其影响跟别的力相比十分微弱，迄今在一种所有力的理论中有所描述。

近来，欧洲核子研究中心CERN的大型电子 - 正电子对碰机的实验结果表明，轻子不多于6种，暗示出夸克也是6种。虽然这些夸克和轻子在质量上有很大差异。中性轻子（中微子）极轻，也可能无质量；带电轻子的质量，从电子到τ子（比电子重3600倍）有很大变化，类似地，各种夸克的质量也相差很大，从几分之一质子质量，到尚待发现的“顶”夸克，其质量估计为质子的100倍。

质量范围的宽阔并不限于“物质”粒子，“信使”粒子（规范玻色子）也存在着类似的差别。最熟悉的规范粒子是光子，是一种媒介电磁力的电中性无质量粒子。正如实验所证明的，电磁力与弱力密切相关，它是某些核（包括多种放射性的形式）过程的基石。而弱力的载体（带电W+、W-粒子和中性Z0粒子）不像光子那样无质量，其质量近于质子的100倍。

我们今天可想象，重粒子仅比轻粒子更大、更密实而已。但这种看法并不接近于对基本问题的解答。为何这些粒子表现出如此宽的质量范围？究竟是什么东西给它们以质量。

目前，标准模型不能预言夸克和轻子的质量，但它具有赋予粒子质量的机制，即我们所说的希格斯机制，取名于此机制的提出者，爱丁堡大学的P. Higgs。

希格斯机制提出于60年代早期，并为杨－米尔斯理论引入了质量，最初将场（类似电磁场）的形式用来描述强力。这些理论表明，它们跟人们熟知的十分成功的电磁理论具有同类的“对称性”。希格斯机制的重要性，在于它允许粒子跟杨－米尔斯场耦合而产生质量，这一特征在希格斯机制不存在时，就破坏了理论的对称性。

希格斯机制是如何给粒子以质量的？其基本思想是空间充满了某种物理场，即使是完全真空的空间也如此。这种场类似于电磁场或引力场，但又不完全一样。电磁场和引力场皆有方向性，你由于指向地球的引力而被地球所束缚。而希格斯场是无方向的，只是在空间各点上有个强度。（用术语来说，希格斯场是一个标量场，与力场相对照，后者是一个矢量场，这进而暗示。与希格斯场相联系的载体粒子，其内禀角动量为零，而与力场载体相对应，其自旋为1）。

希格斯场还具有另一个不平常的性质：其能量处于最低态时，并非场值为零而是处在某一其他值。这很像一块磁铁的亚原子行为。在低能态，低于称之居里温度之下时，磁性物质内部的原子磁石皆排列有序，此时磁场具有某特定值，而在居里温度之上当系统的能量很大时，原子磁石的排列变得混乱，磁场的净值等于零。

你可把希格斯场的势能，想象为一个处在酒瓶底上的一粒滚珠的势能。当滚珠处在瓶底凸出部位的顶端，它对应为希格斯场的零值，滚珠此时的位置对瓶底来说是对称的，因它可从各方向滚下去，但其势能并非处在可能的最低态。只有在滚珠落到瓶底时，其势能才最小，这对应为具有某个非零值的希格斯场，而其对称性明显地已破缺。

若你现在写出一个描述对称场的无质量载体粒子能量的方程式，你将发现，如果你引入一个具有上述特性的额外的场，那么在方程中将出现新的项，这些新项是与二个场的相互作用有关的，而其他项则具有大质量粒子的特征。换言之，引入一个新的场，将把无质量载体粒子的原有方程，转变成为一个有质量载体粒子的方程，包括跟新场（希格斯场）有联系的粒子，这个粒子称之希格斯玻色子，它能跟任何东西相互作用。若大自然确如此，那么它们为揭开谜底提供一把钥匙。

希格斯场帮助了理论家

希格斯机制提出后不久，美国哈佛大学的S · 温伯格、伦敦皇家学院的A · 萨拉姆，他们各自独立地认识到，该机制有助于他们建立一个弱－电磁力统一理论，那是基于单一的“弱－电力”基础之上。走向统一论的一个明显障碍，是弱力载体——W粒子和Z粒子，从实验获得的证据来看，它们的质量相当于一个中型原子核。另方面，电磁力的载体——光子，却明显地无质量。

这一质量上的差异，在两种力的相对强度上显傅很清楚，例如，弱力（在放射性β衰变中起作用）至少要比电磁力小1000倍，再者，弱力局限在小于一个中子（或质子）的宽度上，而电磁力具有无限大的作用距离，这一点是容易理解的，因重粒子不易迅速交换，故其力显得较弱，且作用距离有限。

希格斯场机制被证明正好合乎温伯格和萨拉姆之所需。它允许弱电理论在电磁力和弱力相互作用之间保持其基本的对称，并给出了W粒子和Z粒子的质量，而同时又让光子无质量。在甚高能时，W粒子和Z粒子的质量相对来说并不重要。该理论揭示了它们的真实对称性，即弱力载体实质上是无质量的，就如光子那样，只是在低能（如日常世界所碰到的能量水平）时，对称性隐藏了，或说破缺了，此时弱力载体的质量才变得重要，而电、弱力显现出不同的强度。

证实了的预言

1917年，乌德勒支大学的G · 胡夫特发现，在弱－电理论中希格斯机制还有别的重要作用，通过其附加的相互作用，可消除理论中的无意义的无限大值，而在别的情况下是办不到的。胡夫特的发现，证实了该理论的自洽性，因而须认真对待。现在，20余年后的今天，由大量的与理论预言吻合的实验数据，建立了弱－电统一论，已成为标准模型的一个重要组成部分。

由于希格斯机制使得弱－电理论十分成功，很明显，它是标准模型的关键部分，再者，在模型内，不仅给出了W粒子和Z粒子的质量，夸克和轻子（物质粒子）也然。

这些粒子之所以具有质量，是因它们跟希格斯场相互作用，粒子有多大质量，取决于它们跟希格斯场的作用强度。光子无质量，因它未跟希格斯场相互作用，而W粒子和Z粒子跟希格斯场有很强的相互作用，故其质量显得很大。从某种意义上看，希格斯场滞碍了W粒子和Z粒子的速度，因场给了它们质量。

但迄今还有一个大问题尚在讨论中，因尚未见到希格斯场的实验证据，具体地说，没有发现哪怕是一个希格斯玻色子的踪影，而这是一个最起码的要求。这是现代流行的标准模型的最大缺点，故寻找希格斯机制的证据，已成为今日粒子物理学的主要任务，准希格斯场已结合到关于宇宙演化的最新宇宙学理论之中。

40年代后期，G · 盖莫夫提出了起源于“热大爆炸”的宇宙一直在膨胀的学说，但在以后的几十年中，这一理论碰上了不少难题。具体地说，它无法解释微波背景（大爆炸的热所留下的辐射）像测量所显示的那样，均匀地遍布于宇宙，其平滑度仅10-5的差异。

如此地平滑，意味着我们今天观察到的整个宇宙，在辐射不再跟原始物质保持平衡时（约在大爆炸后30万年），必处于相同的温度；而这又意味着，整个观察宇宙在此时必保持着密近的热接触。但从测得的宇宙膨胀速率，使我们了解到，当我们从两个相反方向望天空时，我们看到的两个空域相隔甚远，在大爆炸后30万年时，它们彼此是无法联系的，即使以光速通信也然。那么它们是如何保持在同一温度上的呢？

来自大爆炸的线索

1980年，A · 古斯提出了一个大爆炸的变型，它解决了这个和别的一些问题。他提出，在宇宙处在大爆炸后仅10-35秒的初始期，宇宙通过一种所谓“暴胀”的高速膨胀而演化。在这过程中，其尺寸每隔10-34秒翻一番。这使得甚早期的宇宙小区域暴胀，而产生一个巨大、均匀的空域，就像我们今天看到的那样。自1981年以来，“暴胀理论”已修正几次，而其基本思想，仍是宇宙初始期经历过一次甚高速膨胀。

现在流行的暴胀假设，要求在宇宙甚早期存在一种准希格斯标量场。这种假设是这样的，在宇宙某个小区域，这种场处在准稳态中，类似于滚珠放在酒瓶底凸出部的顶上，换言之，宇宙在这个区域的势能并非是可能的最小值。这种状态称之“假真空”，以区别于对应为最小能态的“真真空”。在此阶段，宇宙这一特殊区域的能量密度，是由假设真空的势能决定的，且随着宇宙膨胀，其能量密度不变。广义相对论的方程告诉我们，这意味着，宇宙的这一小区域将呈幂级数膨胀，或即暴胀。

一个微小的波动（为把滚珠从底顶部打落提供了轻微的一击），都足以使该区域从假真空“滚入”真真空，一旦进入真真空，宇宙的这一区域就慢慢膨胀了（一如标准大爆炸论所说的那样），从而成为我们今日所见的那个模样。从假真空中所释放的能量变成了我们观察到的全部物质和辐射。

这个暴胀论在宇宙学中是如此吸引人，最重要的是，因其基本思想都是已证实了的和易于理解的。其主要特征是假真空的存在，而这又依赖于一个准希格斯场的标量场的存在。故宇宙学家和粒子物理学家，对存在于自然界的希格斯那类标量场的发现，都感兴趣。

要证明希格斯场存在的方法就是去寻找希格斯玻色子。遗憾的是，标准模型并未预言希格斯玻色子有多重或该是什么模样。这是因为质量依赖于势能（即“酒瓶”底凸起部的高度），而这一点似乎只能用实验来发现。希格斯场最简单的可能结构（通过基本标准模型）给出了一种单一的中性希格斯粒子，但也涉及到十分复杂的情况。一种人们熟悉的可能情况是与“超对称”概念有关的。若这种对称性存在，那么全部已知的、自旋为1/2的粒子，都该有更重的、自旋为1的伙伴粒子，反之亦然。超对称理论具有一种复杂结构，从而给出了几种希格斯粒子，带电的和中性的。只有发现一种或多种希格斯粒子，或者，确证它们并不存在，才会出现未来的理论。

CERN最新的机器（大型电子－正电子加速器－LEP）开始了对希格斯粒的急切探索，在LEP提高能量后，这一工作仍将继续，但即使是LEPI也只是近于这种粒子的最低能量，需要开拓高达约80 Gev（或近于质子质量80倍）的范围。希格斯粒子或其他玻色子的质量可能10倍于这个量，也不致破坏物理学定律。要研究这些大质量的可能性，需要能探测更高能量的机器，其能量范围在l 00 Gev（即1 TeV）或更高。

达到如此高能的办法，是采用质子束对撞机。质子含有夸克，它们通过弱力辐射W粒子或Z粒子，就如它们能辐射光子一样（我们见到的光是电子放射的光子，但在足够高的能量上，质子也能放射光子，同步加速器辐射就是这种光子，它是高能质子弯曲地通过磁场时产生的。）。在很高的能量上，两个夸克相碰，两者皆能放射W粒子或Z粒子，后者又相互作用而产生希格斯粒子——这是一个由保持了对称性的希格斯机制引入的、相互作用的事例。换言之，希格斯粒子是W粒子或Z粒子碰撞的产物。

如何产生希格斯粒子

在夸克碰撞中产生希格斯粒子的加速器，需把质子束加速到6 TeV以上，才能保证质子的个别成分的碰撞能达到1 TeV的范围。这是为CERN提出的大型强子对撞机的设计能量。故研究希格斯机制是基本物理学的一项尚待打开的领域，而此加速器能开始这一研究，建于得克萨斯州的超导超级对撞机，也是如此，它将使质子束的碰撞能达到20 TeV。

在这样高能上去寻找希格斯粒子，需要实验家的伟大天才。一个可反映希格斯粒子存在的明确办法，就是让它自身衰变成两个Z粒子，后者再衰变成一个轻子和其反轻子，故希格斯粒子会产生两个轻子－反轻子对的特征性“记号”。绘出这些事例的次数相对于两个对子的点质量的图表，将显示出一个对应于未见的希格斯粒子的质量峰值。但实验家将在无数碎片（来自许多可能的过程）中大海捞针——实际上，100次碰撞估计产生一个可观察到的希格斯粒子。故物理学家已研制一种能迅速通过“海”而筛选出“针”的技术。

Z粒子衰变能揭示出质量在180~800 GeV的希格斯粒子，其他的可能性将更难于发现，且需收集大量数据。但他们欲把质量范围扩展为45~1000 GeV。

发现一个希格斯粒子，意味着大自然通过希格斯机制把质量赋予粒子，用这些知识武装起来，我们将有可能通向有关质量的下一个大问题，这是一个不是希格斯机制自身能回答的问题。为何粒子有一个质量范围？按现今的理论，这取决于粒子与希格斯场的耦合，但这只是推迟对问题的回答，因为我们不知道应是怎样的耦合，我们仅能根据质量去推断它。找到一个希格斯粒子，也意味着标量场存在于大自然中——这对宇宙学家和粒子物理学家都是一个好消息。

即使找不到希格斯粒子，在1 TeV能量左右必有新的效应，不论下一代高能实验的结果如何，我们确信，将出现有关物质（继而也是我们居住的宇宙）基本性质的重大发现。

[New Scientist，1992年4月18日]