撰文 | 粲先生
來源：粲先生
2012年7月4日，在歐洲核子研究中心的主報告廳裡舉行了一場特別的報告會。
在這場報告會上，在歐洲大型強子對撞機LHC上運行的兩個實驗，分別宣布了他們的最新結果：他們同時發現了希格斯粒子。
半個多世紀以前預言了希格斯粒子彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒也被邀請到了這場報告會的現場。
報告會的過程中，彼得·希格斯被媒體拍到時時擦拭眼角。顯然，這位時年83歲的老人有些激動。
被媒體拍到的正在擦拭眼角的彼得·希格斯
報告會上，兩個實驗的科學家們分別展示了他們最新分析到的數據，在公布最後的結果的時候，科學家激動地向上揮拳，接受聽眾們的歡呼，「終於，我們發現了它！」
為發現希格斯粒子而歡呼的科學家們
這是一個幾乎全體粒子物理學家們期待了半個世紀的結果，幾位德高望重的理論物理學家們幾乎半個世紀前的研究成果終於被實驗物理學家們所證實了。
為什麼這個發現如此的令人激動？因為，在物理學最頂端的分支——粒子物理學幾十年的發展過程中，逐漸成立了一整套理論框架，這個框架被稱為粒子物理學的標準模型。而這個框架下最底層的粒子幾乎都被發現了，希格斯粒子被認為是最後一個最底層的粒子，所以也被人稱作是「標準模型的最後一塊拼圖」。
粒子物理的標準模型
現在，目前科學家們認知中的標準模型大廈的最後一層框架也被搭建了起來。這一套粒子物理標準模型的發展，凝聚了幾代人近一個世紀的心血。
泡利的疑惑
如果我問你，這個世界上有多少種「力」？你可能會列舉「重力，摩擦力，磁力，壓力，浮力……好多好多！」但是如果要問一個現代的粒子物理學家，世界上有多少種「力」，你得到的答案一定是四種：強核力（強相互作用）、弱核力（弱相互作用）、電磁力和萬有引力。那麼普通人眼中的力的種類為什麼和物理學家眼中的不一樣呢？那是因為，除了重力來源於萬有引力之外，幾乎所有在生活中能感受得到的力本質上都來自於電磁相互作用力。
你可能會有疑問，那些不帶電的物體產生的力為什麼本質上也是來自電磁力呢？其實，像是摩擦力、壓力等等看似沒有電和磁參與的力，從微觀層面來看，都是分子之間的相互作用，而分子之間是通過它們本身的電磁場互相影響彼此的，所以，這些宏觀上不帶電和磁的力，從本源上來講其實還是電磁相互作用力。
那麼，為什麼我們看到的世界感受不到引力和電磁力之外的那兩種力呢？強核力，弱核力，它們究竟是什麼？其實，就像它們的名字所暗示的那樣，強核力和弱核力的影響範圍都特別短，都只能在原子核內部才能發揮作用，也都是實驗物理學家們通過對放射性衰變的分析才被發現的。強核力就像是橡皮筋一樣，拉住了因為帶著同樣的電荷而互相排斥的原子核內的粒子，而弱核力則是啟動放射性衰變，以及恆星中氫聚變過程的一種力。
人類最熟悉的基本作用力是萬有引力，這也是在宇宙尺度上維繫星體運動的最直觀的作用力。而由於上百年來電磁學以及電動力學理論的發展，特別是19世紀中葉英國物理學家麥克斯韋總結了一組描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的偏微分方程——麥克斯韋方程組之後，人類已經對於宏觀的電磁力以及它的傳播子光子有了深刻的了解。在二十世紀二十年代，赫爾曼·外爾在試圖統一廣義相對論和電磁學的時候將麥克斯韋方程組所描繪的場在數學上總結為了規範場。
這裡規範場是指的滿足某種規範變換不變性的物質場。舉一個例子：我們熟悉的地球引力。在地球附近的引力場中舉起一個蘋果，那麼地球引力給蘋果所帶來的重力勢能的大小會因為零點的選擇的不同而不同，因此重力勢能分布就不是一個規範場。但是不論重力勢能的零點如何選取，在固定位置蘋果所受的重力的大小是確定的，因此重力場才是規範場。類似地，電磁場也是規範場。
然而，不同於這類能夠輕易觀測到宏觀效應的引力和電磁力，人類對於另外兩種基本作用力的認知過程則艱難得多。因為對另外兩種力的研究一開始都只能在放射性衰變這樣的看不見摸不著的反應中才能進行。
在19世紀末放射性元素被發現之後，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）和約瑟夫·湯姆孫（Joseph Thomson）通過在磁場中研究鈾的放射線偏轉，發現鈾的放射線有帶正電的、帶負電的和不帶電的三種。他們把這三種射線分別稱為α射線、β射線和γ射線，相應地發出α射線和β射線的衰變過程也就被命名為α衰變和β衰變。
1930年的物理學界，人們在討論一個嚴肅的問題，β衰變中能量、動量以及自旋角動量到底守不守恆，因為在那時實驗上觀測到的β衰變的能量譜線總是呈現出一種彌散的狀態，無法給出一個確定的能量值。這個問題如此的深刻地觸及到了基本守恆律，幾乎動搖了千百年來的物理學基石。但是在那個年代，相對論、量子理論的發展已經將物理學家的世界觀打碎了一次又一次了，人們已經開始在謹慎地考慮守恆律也被打破的可能性了。
但是時年僅三十歲的奧地利物理學家沃爾夫岡·泡利（Wolfgang Pauli）是守恆律的堅定信徒，他為了解釋這個問題，提出了一個假設：他認為，在β衰變的過程中，除了實驗中觀測到的帶電粒子射線之外，還有一束不帶電的粒子射線。這類粒子如此之小又如此之孤僻，以至於當時的各種探測器都無法觀測到它，這種粒子就是中微子（泡利最初將其稱之為「中子」，但是在兩年之後詹姆斯·查德維克（James Chadwick）發現了真正的中子之後，恩裡科·費米（Enrico Fermi）和泡利重新將其命名為「中微子」）。這也是歷史上第一次有弱核力參與的衰變過程的表達式被完整地寫出。
幾年之後的1935年，為了解釋原子核內的質子和中子是如何被束縛在一起的，日本科學家湯川秀樹提出了強核力的理論。
沃爾夫岡·泡利
在那之後的二十年，物理學界對強核力、弱核力進行了更加深入的研究。時間到了1953年，科學家們想要仿照麥克斯韋方程組，寫出描述核子、介子以及它們的相互作用的方程。此時長期研究規範場的泡利首先取得了一些突破，他通過純粹的數學工具嚴謹地推導出了一條能夠統一描述電磁力場和核力場的非阿貝爾規範場方程。
上文中「阿貝爾」則是指這種規範場滿足「阿貝爾群」的條件。尼爾斯·阿貝爾（Niels Abel）本是一位英年早逝的挪威天才數學家，在他僅僅26年的人生中，阿貝爾在多個數學領域都做出了傑出貢獻，其中之一就是具有交換性質的一類群。為了紀念這位數學家，可交換的群也被稱為了阿貝爾群。對於某類規範場的某種變換來說，如果連續作兩次變換的結果與順序無關，在數學上就叫阿貝爾的，否則就叫非阿貝爾的。舉例子來說，我們熟知的加法，1+2+3=1+3+2，計算的結果和計算的順序無關，所以加法就屬於阿貝爾群。然而在三維空間內的旋轉則會有不一樣的結果，例如下圖是華裔物理學家徐一鴻（Anthony Zee）在他的科普著作《Fearful Symmetry（可畏的對稱）》一書中所舉的例子，一個海軍新兵按照軍官的要求，先以豎直軸向右旋轉90度後再以水平軸向右旋轉90度所呈現的狀態，與交換這兩條命令的順序後所呈現的狀態不同，因此三維空間內的旋轉就不屬於阿貝爾群的操作。
一個關於非阿貝爾群的操作的例子
電磁力在數學上滿足阿貝爾規範場的形式，而核力的相互作用則呈現了非阿貝爾規範場的形式。
此時的泡利已經53歲，知名於「泡利不相容原理」等理論、年少成名的他此刻已是載譽滿身的大科學家，被學界稱為「物理學的良心」和「上帝的鞭子」。雖然他寫出的非阿貝爾規範場方程在數學上很美，但是他意識到這條方程在物理上還存在著致命的缺陷，那就是方程存在發散項，這意味著這條方程預示著規範場必須存在質量為零的傳遞相互作用的規範粒子來維繫方程的關係。然而，質量為零的規範粒子就意味著它傳遞的相互作用力應該是長程力，應該在無限長的距離外都能接收到它的力的作用，這和現實中發現的短程力核力相矛盾。因此，泡利認識到他的理論「導致了一些相當不實際的陰影粒子」，所以治學嚴謹的他只是在幾場報告會上談論了這個理論，但是選擇了不發表這項成果。
可是在這之後的第二年，一位三十出頭的中國人和他的美國合作者也寫下了一條類似的方程，他們希望這條方程能夠描述強核力。不同于謹小慎微的泡利，這個年輕的中國人選擇將他的研究結果快速地發表了出來，並且開始了學術圈內的宣傳。
1954年，這位年輕的中國人在普林斯頓做了一場關於這條方程的學術報告，而這場報告的會場裡大師雲集，儼然是一場華山論劍。其中，這裡面就坐著前一年寫出過同樣概念的方程的泡利。當年輕的中國人在黑板上寫下了他的新發現之後，卻被坐在臺下的泡利打斷道：「方程描述的這個場的質量是什麼？」泡利的問題簡單卻深刻，卻像是內力渾厚的一陽指直戳了這條理論的軟肋：它無法描述現實中有質量的粒子，而這一點泡利自己再清楚不過了。泡利本希望能見證一場精彩的見招拆招，但是中國人只尷尬地回答道：「我不知道……」
質量！質量到底到哪裡去了？這是泡利最關心的問題。沒有解決粒子質量的來源問題，一切美好的方程都是紙上談兵。不出意外，這個年輕的中國人寫出的方程在發表之後當時並沒有引起學界的重視，這條理論在那之後的一段時間都被束之高閣。
這個年輕的中國人就是楊振寧，這條由泡利最先寫出，後來被楊振寧和他的合作者羅伯特·米爾斯（Robert Mills）重新發現的方程因楊振寧和米爾斯選擇了發表而日後被一些人稱作楊-米爾斯方程。
楊振寧和羅伯特·米爾斯
只是當時的泡利、楊振寧和米爾斯可能都沒有料想到，多年以後，這條本有缺陷的方程所描述的規範對稱性竟成為了標準模型的基石之一。
基本粒子的「元素周期表」
不同於泡利等人痴迷於研究物質間的相互作用，有另一批科學家此刻正沉迷於研究物質本身。
我們知道，這個世界上所有的宏觀物體都是由無數的微小的叫做原子的粒子組成的。而原子則是由一個位於其中心極小的空間上的原子核和若干個在核外空曠的空間內繞核運動的電子組成。原子核內包含若干個緊密結合在一起的質子和中子，這些原子核內質子和中子不同的數目就決定了不同的原子有不同的物理性質。我們所熟悉的氧、碳、氫等等不同的原子就是靠它們原子核內質子的數量不同而表現出了不同的性質。
但是質子和中子就是組成物質的最小結構了嗎？科學家們對此的認知逐漸隨實驗進展而產生了變化。在上個世紀五十年代，研究微觀粒子實驗的物理學家們發現，有少量的一些粒子表現非常奇怪，壽命比其他粒子長得多。
為了解釋這些粒子的奇怪現象，在上個世紀六十年代初，以莫裡·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）為代表的粒子物理學家提出了夸克模型的概念，認為絕大多數粒子都只含有上夸克（up quark）和下夸克（down quark），而這些表現奇異的粒子的結構中則含有另一種與下夸克電荷一致的成分——「奇異夸克」（strange quark）。雖然這樣一個包含三種夸克的夸克模型成功地描述了上個世紀六十年代所發現的幾乎所有基本粒子的物理性質，然而這種帶有分數電荷的假設無論如何在那個年代看來都有些許的瘋狂。
夸克之父莫裡·蓋爾曼
或許是為了淡化這一瘋狂設想的嚴肅性，蓋爾曼選擇了用一個模仿鴨子叫聲的荒誕名稱「夸克」來命名他設想的粒子。甚至，在他提出夸克理論之初，他自己也只對他設想的粒子的名字設想好了發音，都沒有一個固定的拼寫。
在同一個時代，著名的物理學家理察·費曼（Richard Feynman）為了理解基本粒子的行為和分類提出了另外一種模型，叫做「部分子模型」。夸克模型與部分子模型都可以解釋一些粒子分類上的問題，所以直到在這之後的上個世紀六十年代末，粒子物理學界都還沒有完全接納夸克模型， 連夸克模型的提出者蓋爾曼都一直保持著謹慎小心的態度，表示夸克模型只是一個數學模型，並試圖模糊化處理夸克是否真實存在的話題。甚至在斯坦福直線加速器中心（SLAC）在1968年發現質子內確實存在更深層次的次級結構時，科學家們仍然更願意相信被發現的次級結構是部分子而非夸克。
理察·費曼
那麼事情是如何出現轉機的呢？夸克模型究竟是如何成為了粒子物理學家們的共識的呢？
在蓋爾曼提出夸克模型後不久，謝爾頓·格拉肖（Sheldon Glashow）和詹姆斯·比約肯（James Bjorken）在蓋爾曼的包含三種夸克的模型之上提出了第四種夸克存在的假設，格拉肖和比約肯把這個他們構想中的第四種夸克命名為「charm」。charm這個詞有「魔力，魅力，吸引力」的意思，格拉肖認為charm夸克的魅力可以讓夸克模型更加的完善。
詹姆斯·比約肯
謝爾頓·格拉肖
我國著名的物理學家，曾教授過李政道、楊振寧等人的王竹溪先生把這類夸克的中文名翻譯為「粲夸克」，「粲」這個字的意思有「美，鮮明」的意思，既和英文charm的發音相似，又表達了類似於英文原詞的含義。而在如中國臺灣地區等中文圈的其他地區，charm夸克則被更直白地翻譯成了「魅夸克」。
格拉肖和比約肯似乎是對數學上對稱美的極致追求者，他們認為在蓋爾曼等人的模型中既然有一個與下夸克類似的奇異夸克，那麼就應該會有另一個和上夸克類似的夸克，不但如此，新的夸克的加入還能使得自然界最基本的相互作用之一的弱相互作用得到更好的描述。然而，他們的猜測在當時並未受到重視。
真正使得粲夸克的假設被更多的人重視起來的是1970年由格拉肖、約翰·李爾普羅斯（John Iliopoulos）和盧奇亞諾·梅安尼（Luciano Maiani）一起撰寫的一篇論文，在這篇論文裡他們一起提出更多粲夸克存在的依據。這篇論文中的理論觀點後來就被以他們三人的姓的首字母來命名，被稱為GIM機制。格拉肖對於粲夸克理論非常有信心，他甚至在一場於1974年舉辦的國際會議裡立下flag，如果在兩年內找不到粲夸克，他就會把他的帽子吃掉！
約翰·李爾普羅斯
盧奇亞諾·梅安尼
事情果然沒有讓格拉肖失望。就在他立下吃帽子賭局之後不久，幾個實驗團隊就發現了一些有趣的新結果。1974年9月，位於美國布魯克海文國家實驗室的丁肇中實驗團隊利用將高能量質子朝著鈹標靶射擊，並從碰撞產物中，尋找正負電子對的方法，發現了一個奇特的信號：他們發現，總能量為31億電子伏特的正負電子對出現頻率非常多，這意味著一種帶有31億電子伏特的質量的新粒子被大規模地產生了出來。在粒子物理學家看來，質量與能量是等價的，而31億電子伏特的能量相當於一個電子在31億伏特的電壓下所獲得的能量。丁肇中的學術聲譽非常好，做實驗非常小心謹慎，他不願意冒進發表任何可能有錯誤的結果。由於在粒子物理實驗中，經常會有因儀器原因導致的幹擾信號，在尚不能確定這實驗結果不是某種錯誤電子信號之前，丁肇中團隊都在秘密地分析核對他們的實驗數據。
與此同時，在美國斯坦福直線加速器中心 ，伯頓·裡克特（Burton Richter）的實驗團隊設計與建成了一種新型對撞機——斯坦福正負電子非對稱環（SPEAR），在這臺對撞機裡，電子與正電子以相反方向轉動與碰撞。1974年11月10日，他們在31.05億電子伏特的能量上也找到很多粒子被產生出來的事件，同樣，這意味著一種新粒子存在的跡象，他們將這個新粒子命名為「ψ介子」。裡克特迫不及待地想要將這項成果公諸於世，於是他們決定，在第二天發布這個消息。
伯頓·裡克特和丁肇中
無巧不成書，11月10日，就在裡克特的實驗團隊發現他們新結果的當天，本來遠在美國東海岸的丁肇中恰巧到了美國西海岸的斯坦福直線加速器中心開會。在這裡，丁肇中得知裡克特實驗團隊發現新粒子的消息後，發現裡克特團隊發現的新粒子與自己團隊發現的新粒子的質量如此接近，他不得不懷疑兩個團隊是不是發現了同一種粒子。於是丁肇中決定不再猶豫，立刻也要將自己團隊的發現公諸於世，並且將他們發現的粒子命名為「J介子」。
11月11日早上8點鐘，丁肇中與裡克特在SLAC實驗室主任辦公室會面。雙方對對方團隊的新發現都表示了祝賀。經過一番溝通後，他們才確定了他們發現的新粒子果然是同樣一種粒子。於是，他們立刻將他們的實驗結果分別公之於眾，並寫成兩份報告，同時發表在了《物理評論快報》的12月份期刊。因為兩個團隊分別獨立發現並命名了新粒子，為了使得兩人的貢獻都得到認可，學界將這個粒子命名為J/ψ粒子，這也是基本粒子家族中唯一一個由兩個字母名字組成的粒子名字。
J/ψ粒子的性質不同於以往發現的任何粒子，以至於只有格拉肖和比約肯在夸克模型下預言的粲夸克才能合理地解釋J/ψ粒子的存在。事實上，J/ψ粒子是由一個粲夸克與一個反粲夸克共同組成。J/ψ粒子的發現在粒子物理學界裡引起一場不大不小的革命，後來被稱為「十一月革命」，因為它意味著夸克模型理論並不是紙上空談，由於粲夸克的發現，強子被證實是由夸克組成。
然而這並不是夸克發現故事的結束。在丁肇中與裡克特忙於加速器和對撞機實驗的時候，另一批科學家在另外的領域的研究表明，夸克的數量比格拉肖和比約肯相信的還要多。
早在1956年，為了解釋兩種質量和壽命相同，看起來像是同一種的粒子的θ+粒子和τ+粒子（後來被證實其實就是同一種粒子，現在叫做K+介子），卻有著不同的宇稱量子數和不同的衰變產物，李政道和楊振寧提出，在弱相互作用中，微觀的粒子的行為可能不存在宇稱量子數的守恆。宇稱的守恆對應的對稱性是「左」和「右」的對稱，李政道和楊振寧的推測也就是說在微觀世界中，「左」和「右」的物理規律並不完全相等同。
李政道
這個推測在當時的年代頗具震撼力，打破了被千百年來人類視為金科玉律的觀念。第二年，華裔科學家吳健雄女士等科學家在對鈷60（60Co）衰變的觀測中證實了這項推測，她利用兩套裝置中互為鏡像的鈷60設計了一個實驗，一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向左旋，另一套裝置中的鈷60原子核自旋方向轉向右旋，結果發現在極低溫的情況下兩套裝置中放射出來的電子數有很大差異，進而證實了李政道和楊振寧的假說。同年，李政道和楊振寧因為這一項劃時代的假說，獲得了當年的諾貝爾物理學獎。
吳健雄
在弱相互作用下的宇稱的對稱性破缺被發現後不久，物理學家發現在弱相互作用下，電荷共軛的對稱性也是破缺的。此時，列夫·朗道（Lev Landau）以及李政道和楊振寧認為，電荷－宇稱（C-P）兩個量子數的聯合，應該保持著良好的對稱性。電荷－宇稱對稱性的守恆可以使得粒子和反粒子遵循著相同的物理規律。
列夫·朗道
而在1964年，科學家們在含有奇異夸克的介子衰變中，發現了另一個更加「奇異」更加難以讓人接受的事實：電荷－宇稱聯合的對稱性似乎也不守恆。在電中性K介子的衰變中，詹姆斯·克羅寧（Jim Cronin）和瓦爾·菲奇（Val Fitch）發現，本應衰變成三個π介子的長壽命K介子，卻有一些衰變成了兩個π介子。這種衰變模式是電荷－宇稱對稱性的守恆所不允許的。克羅寧和菲奇的研究結果再一次給理論界帶來了巨大的衝擊，也為他們帶來了1980年的諾貝爾物理學獎。
瓦爾·菲奇（左）和詹姆斯·克羅寧（右）
為了解釋電荷－宇稱對稱性的破缺，1973年，在義大利物理學家尼古拉·卡比博（Nicola Cabibbo）的研究的基礎上，日本科學家小林誠和益川敏英建立了卡比博－小林－益川矩陣，給出了電荷－宇稱對稱性的破缺存在的必要條件，並在當時只發現了三個夸克的情況下預言了六個夸克的存在。之後，底夸克與頂夸克分別於1977年和1995年在粒子加速器中被發現。至此，夸克的六種「味道」被全部發現，夸克模型被完整呈現。日後夸克模型也成為了標準模型的基石之一。
小林誠（左）和益川敏英（右）
質量，質量！
一枚曲別針的質量大約是1克，三聽可樂的質量大約是1千克。生活中所見的物體都有質量，這似乎是再尋常不過的事情了。但是對於粒子物理學家來說，這似乎並不是必然的。
沒有質量的傳遞力的粒子可以以光速傳播到無限遠，而作用距離不是無限遠的力就說明它的傳播粒子有質量。
設想一個由無限多個海軍新兵參加的軍訓中進行轉向練習的場面。這一次的教官不像前文中的那個讓新兵三維旋轉的教官那樣惡趣味，新教官不會要求新兵做沿水平軸旋轉的動作，但是新教官的嗓子有時候不太好。在轉向練習開始之前，所有的軍訓新兵都按照既定的格子列隊站好，面向主席臺。此時假如我們的視角向左或向右平移一個格，我們會發現平移後的隊列以及所有人的朝向和平移之前完全一樣。此時這個平移操作就是這個例子中的「規範」，而平移前後狀態相同則是這個例子中的「規範的對稱性」。
假如主席臺上的教官此時大喊了一聲「向左轉」，那麼在這個隊列中所有的新兵都會同時轉向。所有的新兵都能主動地完成教官要求的動作，不需要和其他新兵交流。此時這個軍訓陣列就好比是質量為零的規範粒子。
假如主席臺上的教官喊了轉向的口號，但是教官的擴音器突然發出電流聲，以至於陣列中所有新兵都聽到了教官下達了一條轉向指令，但是沒有人聽清教官到底是要新兵們向左轉還是向右轉。這時如果新兵們都是謹小慎微的，他們就會悄悄地觀察自己的左右，看臨近的其他新兵向哪個方向轉向。此刻假如所有的新兵都還沒有轉向，那麼所有的新兵其實此刻的內心都是蠢蠢欲動，做好了隨時做動作的準備的。這時的系統就達到了一種不穩定平衡，此時一旦有一個新兵咬咬牙，決定了隨便往一個方向轉向，比如說，他決定左轉，那麼一旦他向左轉身，從他周圍的新兵開始，陣列中的所有人都會依次左轉，整個系統就會立刻地將左轉的狀態傳遞到無限遠並且變成一個新的穩定的狀態，而這個穩定狀態依然有著新的規範對稱性。這時這個軍訓陣列就好比是質量為零的規範粒子激發了一個場，傳遞了一個作用範圍無限長的作用力。
但是，假如陣列中的所有新兵突然都變得非常有主見，一旦聽不清轉向口號都會自己決定向左轉還是向右轉，那麼整個陣列就會陷入一種混亂，向左向右轉向的新兵都有，任何一種轉向狀態都無法長距離地傳遞到遠方，並且轉向後只能與陣列中最鄰近的新兵發生相互作用（相鄰新兵轉向後發現兩人呈現了面對面的狀態，一定會面露尷尬）， 這就好比是規範粒子只能傳遞短距離的作用力。這時，整個陣列的規範對稱性就被自發性地被破壞掉了，而傳遞狀態的「粒子」也因無法進行長距離傳播而改變了自己的性質，物理上講，就是獲得了質量。
然而這個陣列由「秩序」變到「混亂」之後，每個新兵的內心都得到安寧了嗎？並不會。每個人很快就會發現周圍的混亂，他們的內心也會是波動的，說不定也會在現有的位置做微小的晃動。這就像是一個小球從墨西哥帽形狀的中間頂峰向下滑落，但是最終並沒有停在帽簷上的最低點，而是在在最低點附近做微小振動。這種振動本身說明在此處還有一個新的場，而這個場，就是傳說中的「希格斯場」，激發這種場的粒子，也就是那些新兵的「主見」，就是「希格斯粒子」。
描述對稱性自發破缺的概念圖
在前文中泡利、楊振寧、米爾斯等人的眼中，這些海軍新兵都應該是謹小慎微的，都會自覺地維護著系統的對稱性。因此，他們的傳播子應該都沒有質量。但是核力傳播距離有限的事實又表明，這些傳播子確實是有質量的。許多年來，這種矛盾一直困惑著粒子物理學界。
直到1964年，有三篇文章卻指出，這些新兵或許都非常的有「主見」，會使得對稱性自發破缺，從而創造出「質量」來，進而從機制上解決前文的矛盾。這一機制就是希格斯機制。
有趣的是，為這種機制冠名的物理學家彼得·希格斯（Peter Higgs）並不是唯一和最早發現這種機制的。1964年8月，弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和羅伯特·布繞特（Robert Brout）首先發表了一篇關於這種機制的文章，緊接著，彼得·希格斯在10月份，傑拉德·古拉尼（Gerald Guralnik）、卡爾·哈庚（Carl Hagen）和湯姆·基博爾（Tom Kibble）在11月份也分別獨立發表了類似的機制，因此，這種機制也最早被人稱作「恩格勒-布繞特-希格斯-古拉尼-哈庚-基博爾機制」。然而由於歷史上的機緣巧合，希格斯成為了這些天才大腦中最幸運的人，如今這種機制被更多的人稱作希格斯機制。
希格斯機制的提出者彼得·希格斯
希格斯機制的提出者（從左至右）：湯姆·基博爾、傑拉德·古拉尼、卡爾·哈庚、弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特
希格斯機制解決了質量起源問題，但同時也帶來了新的問題，那就是，有希格斯場的存在，那就應該有希格斯粒子的存在。
關於希格斯粒子，歷史上還曾有過另一個精彩的描述。
在1993年，為弄清在歐洲核子研究中心大家都在盡力尋找的希格斯粒子到底是什麼東西，英國的科學大臣威廉·瓦德格雷夫（William Waldegrave）曾發起過一項挑戰，就是給他講清楚希格斯機制是怎麼回事，而獎品是一瓶上好的香檳。瓦德格雷夫本人並沒有粒子物理學基礎，所以高深的公式他並不懂，因此，想要贏得挑戰就必須要講好一個形象的故事。最終，倫敦大學學院的粒子物理學家大衛·米勒（David J Miller）想出來一個描述並最終贏得了這瓶香檳。
米勒描述了這樣一種情況：假如在一個雞尾酒會上，大家都在自由地交談。此時的所有人就是分布在空間的希格斯場。這時一個無名小輩走入了酒會，那麼沒有人會注意到他，他可以自由地在酒會上穿梭，並且可以隨意地改變行動方向。這時，這位無名小輩在酒會上的運動就像是一個無質量的粒子。
但是假如此時一位名人（比如柴契爾夫人或者愛因斯坦）走入了房間，那麼酒會上的人就會迅速地注意到這位名人，並圍上來。這時的柴契爾夫人或者愛因斯坦就只能緩慢地移動，並且難以改變方向。這時這位名人的運動狀態，就像一個有質量的粒子。
利用雞尾酒會場景描述有質量的粒子
但是，假如這時候沒有人進入房間，只是門口有個人悄悄地講了一個傳聞，聽到這個傳聞的人都會非常主動地把這個傳聞講給屋裡其他的人聽，這時屋裡就會聚集起一小團聽傳聞的人群。當一個人講完這條傳聞之後，聽到傳聞的人總有一個會把這條傳聞繼續傳播下去。這樣，雖然每個人聽完傳聞之後就回到了自由交談的狀態，但是這條傳聞會隨著一小團變動的人群繼續移動下去。就像是聚集的人群能給柴契爾夫人或者愛因斯坦賦予質量一樣，這一小團聚集的人群也給自身賦予了質量。這時，這一小團聚集的人群就是一個希格斯粒子。
利用雞尾酒會場景描述希格斯粒子
希格斯粒子像是一把鑰匙，可以將楊-米爾斯方程中被盒子緊鎖著的質量釋放出來。
希格斯粒子和希格斯機制，如同楊-米爾斯方程，以及夸克模型一樣，成為了粒子物理標準模型的第三塊基石。然而這塊基石在它提出之後的將近半個世紀都一直沒有穩固。因為，半個世紀內，幾代科學家們的努力都沒有找到這把鑰匙。
錯失良機的SSC
在標準模型三大基石集齊之後，格拉肖、阿卜杜勒·薩拉姆（Abdus Salam）、以及史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）等人在統一電磁力和弱核力的嘗試中，逐漸地將這三大基石融合，畫出了標準模型的基本藍圖。
阿卜杜勒·薩拉姆
史蒂文·溫伯格
標準模型成為了能夠描述基本微觀粒子以及他們之間電磁力、強核力、弱核力這些相互作用的基本假設。
然而，不管理論有多美，一個未經完整證實的標準模型依然只是一個空中樓閣。只有被實驗驗證過的理論才是真理。
此時，標準模型的藍圖雖然在手，要想按圖索驥，證明它，粒子物理學家們還需要工具。
工欲善其事，必先利其器。
想要尋找這些粒子，粒子物理學家最趁手的工具就是對撞機。
一個在安裝中的對撞機（CMS）
對撞機是一類研究粒子物理學的科學家們使用的科研儀器，是可以將人類認知深入到小於原子尺度的微觀世界的超級顯微鏡。
對撞機會將電子、質子或者重離子等微觀粒子進行加速，使他們以接近光速的速度在管道內運行，隨後兩束粒子在探測器內以極高的能量進行聚焦和對撞。相向而來的兩個粒子在對撞的瞬間經歷了極其複雜的物理過程，產生大量的攜帶了高能量的新粒子。隨後這些新粒子會向四周的空間噴射，並被圍繞在對撞點的探測器所接收到。
物理學家則可以通過研究被探測器探測到的對撞產物，來反推分析出對撞時的物理過程。
由於粒子物理學所研究的對象如此之小，所需要的能量如此之高，科學家們只能通過建造大型的加速儀器來獲得研究所需的高能量。
在上個世紀的六七十年代，科學家們在法國、美國、蘇聯、聯邦德國等國家的一些實力雄厚的大學或研究所先後建造了十幾個對撞機。這些對撞機大小相差巨大，從周長几米到周長兩公裡，分別覆蓋了許多不同的能量區間，可以分別研究不同的特定課題。在那個年代，由於科學家們開始掌握了對撞機這一研究利器，粒子物理學呈現出了一輪爆發式的發展。前文提到的粲夸克等都是通過對撞機而發現的。
隨著研究的深入和進展，能量較低的區間的課題已不能滿足理論發展的需求，科學家們開始需要越來越高能量的對撞機來開展科學研究。中型和小型的對撞機逐漸離開科學家們關心的焦點，只有個別在特定能量區間上運行的對撞機因一些特殊需求被保留至今。
而建造越大的對撞機自然花費通常會越高，大型對撞機的建設再也不是一所實力雄厚的大學或研究所就能夠獨立完成的了。在這種不斷發展的過程中，在不同機構工作的粒子物理學家們逐漸開始聯合，逐漸開始展開了全球範圍內的科學合作。
在上個世紀七十年代末，歐洲核子研究中心的物理學家們就開始考慮長期的物理學發展的戰略了。建造一個周長長達27公裡的「大型正負電子對撞機」LEP的計劃慢慢地開始浮出了水面。經過幾年的設計和論證，在1981年的5月22日，歐洲核子研究中心最終批准了這個宏大項目。經過從1983年到1988年的施工與安裝，大型正負電子對撞機LEP終於在1989年正式啟動，27公裡的周長也讓它成為了當時人類歷史上最大的科學研究儀器。
然而，1989年在歐洲啟動的LEP，並不是當年能量最高的對撞機，因為在1986年起，對撞機能量最高的桂冠一直都高掛在美國的一臺對撞機頭上。1986年年底，在美國的費米國家實驗室，一個周長6.3公裡的正負質子對撞機「萬億電子伏特加速器」Tevatron正式開始以史無前例的對撞能量運行了起來，Tevatron所創造的能量記錄維持了二十多年，一直到2010年後才被歐洲核子研究中心打破。
在空中俯瞰美國費米實驗室以及萬億電子伏特加速器Tevatron所在的位置。遠處稍大的環形水渠下面就安置著Tevatron
而比Tevatron晚三年開始運行、並且有著最大體積記錄的對撞機LEP的最高對撞能量反而只有Tevatron的大約二十分之一。為什麼更大、更新的對撞機LEP會能量低於Tevatron呢？
這是因為，雖然同樣被叫做對撞機，LEP和Tevatron卻分屬於兩類不同的科學研究儀器，他們分別是正負電子對撞機和強子對撞機。
正如他們的名字所描述的那樣，正負電子對撞機中進行對撞的粒子是正負電子，而強子對撞機中進行對撞的粒子可以是質子，也可以是重離子。
電子是一種不可再分的基本粒子。這種粒子帶有電荷，而體積則被認為是趨近於零。電子在對撞中能夠參與的物理過程非常的簡單，對撞產物非常乾淨，非常適合用它進行精確測量的實驗，因而電子對撞機通常也被稱作為「粒子工廠」，因為它能夠像工廠一樣穩定地生產產品。然而電子有一個令實驗物理學家非常無奈的特性，就是電子在轉彎的時候會輻射出大量的能量，從而使得電子本身自帶的能量降低。並且，電子轉彎越劇烈，輻射出的能量就會越大。所以，電子對撞機通常會做成大半徑的環，或者直接只在一段直線內加速電子。位於美國的「斯坦福直線加速器對撞機」SLAC就是一個將電子在直線內加速然後完成對撞的實驗儀器。直線加速器的缺點是，電子束不能被重複利用，對撞一次後就會浪費掉所有的被加速的電子，而環型對撞機可以使得被加速的粒子一次又一次地重複被利用，從而節約粒子和能量。正負電子對撞機因其半徑大、能量較低，並不需要強磁場將粒子束縛，所以工藝相對簡單。除了前面提到的LEP和SLAC，其他著名的正負電子對撞機還包括中國的「北京正負電子對撞機」BEPC和日本的高能加速器研究機構研究含有底夸克（b）的粒子的對撞機KEKB/SuperKEKB。
在空中俯瞰美國斯坦福直線加速器對撞機SLAC所在的位置
強子對撞機中進行對撞的粒子最通常的是質子。質子在粒子物理學中不是基本粒子。質子中包含三個夸克和一些將夸克連接起來的膠子。夸克和膠子在對撞中會參與複雜物理過程，對撞產物也會非常複雜和多樣，無法像正負電子對撞機粒子工廠那樣有穩定的產出。但是，由於質子的質量遠大於電子，在轉彎時只會輻射出較少的能量，所以質子能夠在加速器中獲得比電子高得多的能量。強子對撞機適合「開疆拓土」，用極高的能量去探索能量前沿的問題。利用強子對撞機研究物理問題，就是一個「大力出奇蹟」的過程。而極高的能量則意味著強子對撞機必須使用高強度的磁場，因而需要大量超導材料，製作工藝遠比正負電子對撞機複雜。強子對撞機不擅長做非常精確的測量，但是適合用來探索新的物理現象。強子對撞機除了使用質子對撞之外，還有一種常見的對撞模式，就是利用重離子進行對撞。重離子是指自然界中的重的元素被剝離掉電子後的原子核，常見的在對撞中使用的重離子元素有鉛、金或重惰性氣體。利用重離子，則可以再把強子對撞機的對撞能量輕易地推進百倍。重離子對撞機的對撞能量如此之高，以至於有些人斷言，在重離子對撞的時候，甚至可以產生許多微型黑洞。當然，這些微型黑洞很快就會被蒸發掉，並不會毀滅地球。
在LHC上一個重離子對撞事件的重建。有些科學家認為在對撞的一瞬間甚至可以產生微型黑洞。
前文中的LEP和Tevatron都在標準模型的驗證過程中發揮了巨大的作用，它們的物理目標之一都包含了對希格斯粒子的尋找。特別是在進入新世紀前後，標準模型中的基本粒子就只剩下希格斯粒子還未曾被發現。
然而，在分別經過了多年的運行之後，雖然LEP和Tevatron在別的領域都取得了令人矚目的成果，他們卻分別都在希格斯粒子的尋找道路上折戟沉沙。儘管已有越來越多的人相信了標準模型，但是希格斯粒子的缺席使得標準模型仍然還是空中樓閣。
事情在上個世紀八十年代的美國曾有過一線轉機。
早在1983年7月，甚至在Tevatron開始運行之前，美國能源部就在一次高能物理諮詢委員會上決定要建造一個全世界最大的粒子加速器。最初的設計團隊由康奈爾大學的粒子物理學家莫裡·泰格納（Maury Tigner）領導。1985年左右，設計團隊完成了雄心勃勃的最初設計方案，在這一個最初的方案中，有三個團隊分別設計的磁場都被考慮了進去。
三個磁場的強度分別是3特斯拉、5特斯拉和6.5特斯拉，而這三種磁場所對應的對撞機的周長分別是164公裡、114公裡和90公裡。
在1987年，在Tevatron剛剛開始運行的一年之後，在時任美國總統隆納·雷根的大力支持下，雄心勃勃的「超導超級對撞機」SSC的設計得到了美國國會的批准。在被他們批准的設計中，磁場的強度被更換成了6.6特斯拉，對撞機周長也變成了82.944公裡，而對撞能量更是超過Tevatron 20倍。這臺巨大的對撞機被國會批准在德克薩斯州建造。
超導超級對撞機SSC的設計建造地點以及為安置SSC所挖掘的、終被棄用了的坑道
但是SSC的設計和改進的工作並沒有停止，甚至在1987年美國國會批准之後仍然在進行大量的改進和變動。
泰格納在SSC概念提出的初期領導了SSC的設計，在SSC被正式立項之後，出乎很多人的意料，泰格納並沒有被任命為SSC的主任，而哈佛大學的羅伊·施威特斯（Roy Schwitters）被美國能源部指派成為了SSC的主任。
在施威特斯上任之後，SSC的設計團隊經歷了大換水。新的設計團隊在研究了泰格納領導的設計之後，發現當束流能量超過15萬億電子伏特的時候，粒子在經過原先設計的4釐米粒子通道孔徑的時候會變得不穩定，很難達到20萬億電子伏特+20萬億電子伏特的最初設計目標。
這時，其實擺在施威特斯團隊面前還有兩個選項。一個是降低對撞機目標的能量，接受不能超過15萬億電子伏特的現實。另一個選項就是推翻了原有的設計，另起爐灶。
有野心的施威特斯顯然沒有與現實妥協的習慣，他選擇了後者，帶領團隊重新設計出來了直徑5釐米的粒子通道孔徑以及配套的所有設備。然而，對撞機這種精密儀器的設計可以說是真正的牽一髮而動全身。新的設計使得整個SSC的項目進展推遲了兩年，並且新設計的項目總預算也達到了原設計方案的兩倍以上。
此時的世界格局風雲變幻，經歷了東歐劇變和蘇聯解體，美國實質上已經贏得了冷戰。外部競爭壓力的突然釋放客觀上使得美國降低了對基礎科學研究投入的迫切感。
SSC的計劃如此的宏大，以至於一旦付諸行動，就必然會帶動起一座科學城，進而大幅度地帶動當地的經濟。在經濟利益的驅動之下，德克薩斯州的議員並沒有放棄SSC。但是其他州的那些批准建造SSC的議員們在SSC落地德克薩斯州之後，因為SSC並不能給本州帶來經濟效益，他們對SSC的態度卻開始曖昧了起來。再加上此時恰逢民主黨總統柯林頓上臺，對於新的國會議員來說，NASA提出的國際空間站計劃似乎更吸引議員們的眼球。
於是，命途多舛的SSC在開工建設之前經歷了臨陣換帥後推倒原設計方案、新方案大幅增加預算、政黨輪換中支持對撞機的共和黨總統下臺、冷戰和美蘇爭霸結束等內部外部壓力下，終於在1993年的10月21日被美國國會正式宣告了死亡。
按照SSC的設計，它的能力應該如此之強大，以至於在三十多年以後的今天，世界上仍然沒有可以與之匹敵的對撞機。假如它沒有經歷那些波折，他幾乎必然是希格斯粒子的最佳獵手。
然而，歷史容不得假設。正因為SSC的死亡，美國幾乎是拱手讓出了粒子物理學研究領域的領先地位。
歐洲的鋼鐵巨獸
在上個世紀八十年代，誰能想到，在對待科學的態度上，四分五裂的歐洲竟然比統一的美國更加團結。
早在1984年，也就是歐洲核子中心的LEP正式開始運行的五年之前，在LEP尚在建設中的時候，歐洲的科學家們就在考慮在LEP退役之後未來的事情了。在1984年的一次討論會上，科學家提出了第一個利用LEP退役後的管道建造新的「大型強子對撞機」LHC的提議。
然而這個提議在很長的一段時間內都沒有形成完整的提案並得到批准，原因一是此時LEP還在建設階段，距離它退役還為時尚早，二是在1987年，SSC獲得了美國國會的批准。SSC的存在使得歐洲的計劃失去了競爭優勢，也讓LHC是否有必要再被建造畫上了一個問號。
然而在1993年SSC被宣告死亡之後，失去了美國的SSC的競爭，歐洲的LHC成為當年世界上唯一一個能夠有望解決包括尋找希格斯粒子等粒子物理學問題的對撞機。於是，在1994年，LHC的建設計劃正式被歐洲核子研究中心批准。
2000年，LEP正式結束了它十多年的數據獲取運行過程，並於2001年開始被完全拆除。而LEP所留下的位於地下一百米深的長達27公裡的管道則被重新利用，用於安置LHC。2008年，LHC以及LHC上的實驗被完全安置妥當。
在空中俯瞰大型強子對撞機LHC所在的位置以及LHC上的四個主要的實驗
LHC除了本身佔據的一條27公裡長的管道，還有幾個逐級加速的加速器環，更為複雜的結構使得它刷新了人類歷史上所建造的最大規模的科學研究儀器的記錄，成為了一個極具科幻色彩的龐然巨物。LHC不但大，而且設計對撞能量也達到了驚人的14萬億電子伏特，相當於每一個質子都在幾萬億伏的電壓下被加速，遠超了它的前輩LEP和美國的競爭者Tevatron。粒子在加速器內獲得的能量能達到自身質量的近萬倍，在加速器內奔流的速度僅比真空中的光速每秒慢3米。粒子們在加速器管道內如狂怒的奔獸一般，將在對撞點遇到的其他粒子撕得粉碎，而科學家們，則得以藉此窺探粒子內部的奧秘。
大型強子對撞機LHC的加速器管道
然而LHC卻是臺難以被馴服的野獸機器，它的啟動階段充滿了波折。2008年，LHC上超導高電流通過一段焊接不良的連接線時產生的電弧打穿了冷卻設備的液態氦儲存槽，冷卻超導磁鐵用的液態氦發生了嚴重的洩漏，高達6噸液態氦洩漏到隧道中，洩漏量達到液氮總量的約1/3。這使得整個27公裡長的LHC不得不花一年時間進行維修和再度重啟。
在經歷了一段艱難的啟動階段之後，LHC還是於2010年正式開始了物理數據的獲取過程，而它也輕易地摘得了人類在地球上創造的最高能量的記錄。
並且僅僅就在兩年之後的2012年，它就發現了希格斯粒子。7月4日，在歐洲核子中心的主報告廳，發生了文章最開頭的那一幕。
LHC上的兩個實驗「緊湊繆子線圈」CMS和「超環面儀器」ATLAS上捕捉到的兩個希格斯粒子衰變到雙光子的事件的重建
此時，標準模型的大廈終於不再是空中樓閣，它所預測的所有基本粒子都已被找出。此刻距希格斯機制的提出，已經經過了48年。
在2012年7月4日的歐洲核子研究中心報告廳裡，大廳前排坐滿了為標準模型的建立做出過貢獻的科學家們。他們也曾年輕氣盛，他們也曾鋒芒畢露，但到了這一天，他們全都已是垂垂老者。他們為了這一天，等待得太久了。
而這一刻，也宣示著，歐洲開始了對撞機粒子物理學領域的絕對霸權。
本文經授權節選編輯自微信公眾號「粲美集」《楊振寧的最後一個「對手」——希格斯物理的漫長過去與未來》一文。