互动科普

谈到基本粒子，必须还要提到一种非常重要的粒子，即“希格斯粒子”。这种希格斯粒子，简单说来，是“赋予基本粒子以质量的那种基本粒子”。下面就来解释这句话的意思。

在日常语言中，对“重量”和“质量”常常不加区分。严格说来，这其实是两个不同的概念。重量指的是一个物体所受到的万有引力（重力）作用的大小。在日常生活中，我们是把“千克”用作重量的单位，严格说来，这其实是质量的单位。重量的单位应该是“千克重”。一个1千克重的物体，在万有引力只有地球表面万有引力1/6的月面上，重量只有1/6千克重。这就是说，重量会随地点不同而不同。

然而质量却不随地点而改变。质量为1千克的物体，不论在地球上还是在月球上，事实上，在任何地点它的质量都始终是1千克。简单说来，质量是指使一个物体“运动的难度”。我们知道，投掷保龄球，保龄球的质量越大，就必须用越大的力量投掷。换句话说，质量越大的物体，使它运动的难度越大。

“具有质量”是由于“与充满真空的希格斯粒子发生碰撞”

根据基本粒子物理学的“标准理论”，基本粒子的质量本来都应该为零。这个结论似乎不可思议，然而，这个理论却与在加速器等装置上所得到的实验结果十分一致。不过现实情况是，大多数的基本粒子（电子、夸克和弱波色子等）都具有质量。

对于这个矛盾，理论上的解释是，存在着一种希格斯粒子，是希格斯粒子使基本粒子获得了质量。理论认为，这种希格斯粒子充满了看似什么都没有的真空。光的基本粒子“光子”的质量为零，这是因为光子在行进中不与希格斯粒子发生碰撞。光在真空中行进不受任何阻碍，因而以自然界中的最高速度（光速，每秒30万公里）行进。

然而电子则是一面与充满真空的希格斯粒子发生碰撞一面行进。换句话说，电子运动要比光子运动困难。这就是“电子具有质量”真实涵义。

不过，希格斯粒子的存在现在还没有得到实验的证实。在有史以来能量最高的加速器LHC上安排的那些实验的一个主要目的，就是希望能够发现希格斯粒子。村山博士说：“在LHC上加速质子使它们发生对撞的巨大能量应该足够‘敲打出’充满真空的希格斯粒子。”

这以前，有不少基本粒子都是先由理论预言其存在，后来才通过实验和观测被实际发现的，例如粲夸克等重夸克、中微子，还有反粒子等都是如此。这一次理论所预言的希格斯粒子是否也能够真的被发现，这需要由今后的加速器实验来回答。

图1. 与希格斯粒子碰撞，质量的起源

理论认为，真空中充满了希格斯粒子（此图解为想象图像）。具有质量的基本粒子（图中的电子）在行进中会受到希格斯粒子的阻碍，质量越大的基本粒子碰撞到的希格斯粒子越多。没有质量的光子则不与希格斯粒子碰撞，因而以自然界中的最高速度行进。

所有的基本粒子有可能都是同一种“弦线”

大多数物理学家（尤其是理论物理学家）都有一个共同的信念，即“自然界的基本原理应该是‘优美的’”。这里所说的“优美”，简单说来，意思是“自然定律可以用数学表示为一种优美的（简洁的）形式”。如在前面所介绍的，我们周围的物质（由原子构成的物质）全都只由电子、质子和中子这三种粒子所构成。这个事实就体现了自然界“优美”的一面。

然而，从本文前面的介绍我们已经知道，基本粒子的种类是非常多的，有构成物质的基本粒子（电子和夸克等），有传递力的基本粒子（光子等），有反粒子（反电子等），还有理论预言应该存在的超对称性粒子等。读者中大概有不少人会觉得“有如此多的基本粒子，真是太复杂了⋯⋯”村山博士说，面对种类如此繁多的基本粒子的混乱局面，“在进行研究的物理学家看来，那也是不优美的。”

将量子论和广义相对论“统一”起来的超弦理论

值得庆幸的是，现在已经有了解决基本粒子这种混乱局面的一种理论，这就是“超弦理论”。

现代物理学有两大支柱理论。一个是说明基本粒子等微观世界的“量子论”，另一个是说明引力（万有引力）和时空（时间和空间）的“广义相对论”。超弦理论可以说是将这两大理论内容综合起来的一种理论。有研究者有时甚至将这种理论誉称为“终极理论”或“万物理论”。

根据超弦理论，所有的基本粒子其实都是同一种“弦线”。这种弦线没有粗细（粗度为零），长度只有1毫米的1亿分之1的1亿分之1的1亿分之1再1亿分之1左右（10^-35米左右）。同原子的10^-10米大小，同原子核、质子和中子的10^-15米大小比较起来，这简直是无法想象的极小长度。当然，这样的弦线是无法用显微镜等工具看见的。

关于超弦理论的思想，我们可以用提琴一类弦乐器的发声作比喻来加以说明。演奏弦乐器，改变弦线的振动方式就可以发出具有各种各样音色的声音。同样，按照超弦理论，改变弦线的振动方式，就是我们所看到的各种不同粒子。超弦理论的结论是，构成宇宙的原材料归根结底不过仅仅是一种弦线。读者这次该承认这样的自然界是非常优美的吧!

不过，超弦理论还是一种没有完成的理论。超弦理论的原型出现于1970年前后，那以后不断发展，直到现在也还没有完成。

图2. 弦的不同振动方式表现为不同的基本粒子

超弦理论把所有的基本粒子都看成同一种“弦线”。弦线的振动方式不同（下侧图），我们观测到的就是不同的基本粒子。

“自然界是由什么构成的？”人类经过这种追求物质本原的长期探索现在已经认识到自然界是由电子和夸克等基本粒子构成的。那么，这些真的就是不可能再继续分割的“基本”粒子吗？所有的基本粒子难道如超弦理论所预言真的都能够归结为一种弦线吗？暗物质和暗能量的本体究竟是什么？科学家追求“自然界的本原”的探索还将继续进行，不会停止。

（本文发表于《科学世界》2011年第7期）