希格斯：“上帝粒子”的發明和發現（簡體書）

建立在楊-米爾斯場論（Yang-Mills field theory）基礎上的標準模型（standard model），是人類理解物質世界的微觀結構及其相互作用力的集大成之作，它的點睛之筆當屬布勞特-昂格勒-希格斯機制（Brout-Englert-Higgs mechanism）。該機制保證了電弱規範對稱性的自發破缺，不僅使電磁力與弱核力從此分道揚鑣，以及絕大多數基本粒子因此獲得質量，而且預言了存在“上帝粒子”——希格斯玻色子（Higgs boson）。2012年 7月 4日，希格斯玻色子終於在歐洲核子研究中心的大型強子對撞機上現出原形。 2013年，昂格勒與希格斯榮獲諾貝爾物理學獎。
本書遵循歷史發展的脈絡，以簡潔生動的語言回顧了基本粒子物理學的百年家史，講述了尋找“上帝粒子”之旅中交織著成功與失敗的傳奇故事，展現了科學家無與倫比的探索精神、人文情懷和鮮明個性。

吉姆·巴戈特（Jim Baggott，1957— ），一位成功的科普作家。先前從事純學術性的研究，現在的職業是私人商業顧問，但依然保持著對科學、哲學和歷史的廣泛興趣，並在業余時間繼續致力於這些方面的寫作。其作品獲得了廣泛好評，包括《量子故事：40 個關鍵的歷史時刻》《原子的故事：物理學的第一次大戰以及1939—1949年的原子彈秘史》《實在之新手指南》 《無可估量：現代物理學、 哲學和量子理論的內涵》《完美的對稱：富勒烯的意外發現》和《量子理論的內涵：化學和物理學學生的學習指南》。

當代最偉大的物理學家之一、諾獎得主史蒂文·溫伯格作序，中國科學院高能物理研究所邢志忠研究員翻譯。

2012年7月4日，酷似希格斯玻色子(Higgs boson)的新粒子在日內瓦的歐洲核子研究中心(CERN)被發現了。這一消息如同具有傳染性的電子病毒，瞬間傳遍了全世界。各種新聞媒體都大肆報道了這個高能物理學的最新勝利。該發現成為報紙和電視的頭版頭條新聞，成為許多晚間新聞報道的焦點，並觸發了億萬觀眾和聽眾的好奇心。CERN的實驗信號與某個粒子的性質一致，這個粒子最初是在1964年被假設或“發明”出來的，並最終在48年之後以數十億美元的代價被發現了。
那麼,有什麼值得大驚小怪的呢?希格斯玻色子是什麼東西?它為什麼如此重要?如果這個新粒子確實是希格斯玻色子，那麼它能告訴我們哪些關於物質世界和早期宇宙演化的秘密呢?真的值得付出所有的努力去發現它嗎?
人們可以在粒子物理學的所謂“標準模型”(standard model)的故事中找到這些問題的答案。顧名思義，標準模型是物理學家用於解釋所有物質的基本組分和相互作用力的理論框架，其中相互作用力要麼將物質結合在一起，要麼使之分崩離析。它是物理學家數十年不遺余力的集大成之作，象徵著他們為了解釋我們周圍的物理世界而付出的最大努力。
標準模型還不是一個“萬能理論”(theory of everything)。它無法解釋引力的本質。近年來你也許讀到過一些奇奇怪怪的物理學新理論，它們試圖統一所有的基本相互作用力，包括引力。超對稱(supersymme-try)和超弦(superstring)就屬於這類新理論。盡管成百上千的理論學家致力於此類研究項目，但這些新理論依舊處於思辨和推理階段，沒有或幾乎沒有得到任何實驗證據的支持。雖然人們承認標準模型自20世紀60年代末期*建立伊始就一直存在著瑕疵，但它暫時仍然是粒子物理學最行之有效的理論。
希格斯玻色子在標準模型中很重要，因為它意味著希格斯場(Higgs field)的存在，而希格斯場是一種原本不可見的、遍及整個宇宙的能量場。假如沒有希格斯場的話，那麼組成你、我和可觀測宇宙的基本粒子就不會有質量。假如沒有希格斯場的話，那麼就無法生成質量，也無法構建任何東西。
似乎我們應該對希格斯場的存在心懷感激。這是希格斯玻色子(即希格斯場所對應的粒子)之所以被大眾媒體夸大為上帝粒子(Godparticle)的原因之一。實事求是的科學家都十分鄙視“上帝粒子”這個名稱，因為它夸大了希格斯粒子的重要性，並把公眾的注意力吸引到物理學和神學之間的關係上，而這有時令人感到很不舒服。然而，它是一個深受科學記者和科普作家喜愛的名稱。
許多關於希格斯場的理論預言結果在20世紀80年代初期的粒子對撞機實驗中得到了證實。可是對場的推斷並不等同於探測它的信號——場粒子。因此，搞清楚希格斯場很有可能無處不在這件事是非常令人欣慰的。也許希格斯玻色子還沒有被發現，這也是很有可能的。果真如此的話，其寓意對於標準模型而言將具有潛在的顛覆性。
我是從2010年6月，即希格斯粒子被發現的兩年之前，開始寫這本書的。當時我剛剛完成另外一本書的手稿，書名為《量子故事：40個關鍵的歷史時刻》。正如書名所表明的那樣，它是一部關於量子物理學從1900年到今天的歷史。該書概括了標準模型的發展與希格斯場及其粒子的發明。幾個月前，CERN的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)達到了創紀錄的7萬億電子伏的質子-質子對撞能量。於是我推測，它在未來的幾年之內有可能做出某種發現。幸運的是，我被證明是正確的。
《量子故事》一書出版於2011年2月，它的部分內容在本書中將有所體現。
感謝梅農(Latha Menon)和牛津大學出版社的代表們，他們當時做好了準備，要冒險出一本關於還沒有被發現的粒子的科普圖書。我一直通過正式渠道密切關注著CERN那裡的實驗進展，但是我要感謝數字高能物理學的博主，包括吉布斯(Philip Gibbs)、多裡戈(TommasoDorigo)、沃伊特(Peter Woit)、法爾科夫斯基(Adam Falkowski)、斯特拉斯勒(Matt Strassler)和巴特沃思(Jon Butterworth)。我還要感謝巴特沃思、泰紹裡(Sophie Tesauri)、吉利斯(James Gillies)、龐塞(LaurettePonce)和埃文斯(Lyndon Evans),他們花了很多時間與我交談，並與我分享他們對實驗進展那種與日俱增的興奮感。我也要向米勒(DavidMiller)教授和沃伊特教授表示感謝，他們閱讀並評論了本書的初稿。感謝溫伯格(Steven Weinberg)教授，他也通讀了本書的初稿，並在他的序言中友好地表達了個人觀點和展望。由於作者水平有限，本書的錯誤在所難免。

001一 作者序005— 溫伯格的序言
001一 引言形式與實質
013一 第一部分 發明
015—第一章 邏輯思想的詩篇
030一 第二章 並非一個充分的理由
043一 第三章 人們對它的反應會很遲鈍
058一 第四章 把正確的想法用於錯誤的問題
077一第五章 我可以做這件事
093一 第二部分 發現
095一 第六章 忽隱忽現的中性流
110一 第七章 它們一定是W粒子
127一第八章 縱深遠投
139一 第九章 夢幻般的時刻
157一 第十章 莎士比亞之問
181一 後記 質量的構成
183—術語表

205— 參考文獻

208一 譯後記