粒子物理簡史

1.

我們都知道，同位旋把中子和質子統一（isospin），他就是想找能保證同位旋守恆的量子場論。

1953年夏天，他去了Brookhaven National Laboratory，去了之後才得知，自己要和一個叫米爾斯的年輕物理學家共享一個辦公室，這讓他蛋疼不已。但是二者的交談甚歡，而且決定進行一次合作。

我們都知道，在QED中電子波函數的相位隨著時間和空間的變化會被相應的電磁場的變化抵消了，場起到了讓有關的變化「復原」的這麼一個作用。楊先生就想在同位旋變化時也有這麼一個場來讓同位旋的變化抵消，於是引入了一個新的場，"B"場。也相應的把U(1)拓展到了SU(2)。

引入了三個場粒子，B+, B-, B0。前倆帶電荷，來解釋質子-中子的相互作用，第三個不帶電，來解釋質子-質子，中子-中子的作用。場粒子自身也作用。

2.

但是出現了一系列問題：(1). 重整化不適用。(2). 這個理論表示場粒子是無質量的，但是海森堡和湯川秀樹已經指出強作用力的粒子必須是有質量的。於是就很僵了。

接下來就是耳熟能詳的楊振寧被泡利懟。

楊振寧在前面演講，泡利當然一眼就看出來了問題。「這個B場的質量是多少？」楊振寧就說，「我不知道。」泡利語氣更重地又問了一遍，「這個B場的質量他媽到底是多少？！！！」楊振寧不說話了，在想「你個傻逼別逼逼了」，氣氛尷尬的很。演講結束後泡利給楊振寧了一個紙條，寫著「從此我不沒法再與你交流。」

後來楊振寧自己也沒弄明白，就去搞別的去了。但是這個理論發表了，並且產生了很深遠的影響。

3.

我們都知道，後來Schwinger研究弱作用時幾乎得到了和楊先生相同的結論，比如也有三個場粒子作用(W+-,W0)。後來他研究生格拉肖Glashow把楊的SU(2)×U(1)才統一了弱電。這也可見楊-米爾斯場的重要性。當然這也是自以為是。他也得出了無質量的怪結論。

4.

後來蓋爾曼橫空出世了，他是一個少年天才，15歲讀大學，21歲博士畢業。他應用了SU(3)群來表示八個重子。

我們都知道，SU(3)群的一個表示有8個維度，恰巧也存在8個重子。做了類似分析後他預言了額一個新粒子，幾個月後被找到了。這樣重子全了。

5.

接下來日裔美籍物理學家南部陽一郎登場了。這貨在東京帝國大學讀的博士，去了大阪市立大學當的教授，當時他的方向是固體物理學，卻對粒子物理學有興趣。他當時在研究一個現象：超導體的BCS理論。我們都知道，晶格的振動和庫伯對的運動使得超導體處於一種能量比原本的真空態更低的狀態。南部轉念一想，那如果給庫伯對電子以能量，讓他們彼此分開，這一能量對電子而言就產生了相當於質量的角色。那麼，對我們來說，不就是打破"庫伯對" 這一對稱性，獲得了粒子的質量了么。

這樣南部就和拉西尼奧（Lasinio）發表了一篇論文。這為楊米爾斯場論中的無質量問題帶來了一個解決方案：自發對稱性破缺。

6.

但是這又帶來另一個問題：這一理論同時還預言了大量無質量的波色子。顯然是現實所觀測不到的。這時候哥倫比亞大學的賽爾貝爾（Serber）給蓋拉曼帶來了一個新想法：八重法中的重子是由三個更基本的新粒子構成的，但是這顯然是具有分數電荷的，這想法很瘋狂是吧。因為當時密歇根實驗證明電荷就是最基本單位，之後發現 所有 電荷量都是電子電荷的整數倍。連蓋拉曼自己都不信自己（或者他故意迎合大眾），他起了個名叫「quork」，這是一個毫無意義的詞語，蓋拉曼藉此來強調賽爾貝爾的荒謬。

1964年時，蓋拉曼發表了一張只有兩頁紙的論文，闡明了這一想法，他把三種夸克叫做uds。uds分別帶+2/3，-1/3，-1/3的電荷，這樣重子是由三種夸克組成的，介子是由夸克和 反夸克 組成的 ，這樣就用夸克把強子（重子+介子）都表示了出來。

但是實際上這一結果無非是玩弄組合的結果，沒有任何實驗基礎，他也怕自己錯啊，於是他對夸克的存在採取了相當嚴謹的態度，他把這一粒子當做了「數學上的」描述，就是說可能看得見，可能看不見。真會玩啊。

7.

但是固體物理學家菲利普·安德森不相信戈德斯通定理（也就是前面說的規範對稱破缺會一定會產生南部-戈德斯通玻色子，為了簡化我沒說）。對稱性破缺每時每刻都在發生，但是固體物理學家幾乎不會淹沒在無質量，形同光子的粒子海洋中，安德森在1963年指出：無質量的楊米爾斯玻色子和無質量的南部-戈德斯通玻色子，很可能會「彼此抵消」！

這就相當於-1*-1=+1.感覺好牛逼啊。隨之而來的是各種爭議，支持和反對。以及一些人的論文，詳細闡述了各種無質量的玻色子確實「彼此相消」，只留下有質量的粒子。

這裡有三組物理學家獨立發表——比利時物理學家布勞特和昂格勒，愛丁堡大學的希格斯（Higgs），和倫敦帝國學院的古拉耳尼克，哈根和基布爾。三篇文章都發表在1964年的PRL上。

我們都知道翹 無質量自旋為1的玻色子有兩個 自由度 ，比如垂直於傳播方向的xy方向的兩個偏振方向（我們可以選擇為x方向和y方向）（把運動方向作為z方向的話）。比如光子不存在第三個偏振方向。

希格斯的思想很簡單。首先引入一個背景量子場（希格斯場）。比如一個擺動的鐘擺的勢能曲線如下，是個物理學生都知道。勢能曲線的最小值就是鐘擺角度為零的地方。希格斯的曲線稍有不同，我們取希格斯場自身的位移來畫它的曲線，而不是以位移角為變數。在曲線底部有一個突起，然後平移曲線，使為零的地方不是中心。我們把曲線的最中心非零點叫做非零真空期望值（vacuum expectation value）。這樣就是說，真空（指希格斯場自身的位移為零，也就是最中心點）並非空無一物，而是有一個含有希格斯場的非零值。這樣就是說，當對稱性破缺時，會產生一個南部-戈德斯通粒子，這一粒子被無質量，自旋為1的玻色子吸收，使之成為第三個自由度，此時場粒子的波函數振幅可以在空間的所有三個維度上振動，其中包括它的傳播方向，該玻色子獲得了「深度」（depth）。

這樣原來傳播速度為光速的粒子會逐漸慢下來，而慢下來的程度依賴於它與希格斯場的相互作用強度。

我們都知道，光子不和希格斯場作用，因此它繼續不受阻礙地以光速前進，它依舊沒有質量。而與希格斯場相互作用的粒子獲得了質量，得到了能量，場就像糖漿一樣抱住了粒子，讓它脫離了真正的靈魂般的自由，不得不在凡間，在這個無趣又冷血的世界上以低於光速的速度運動和存在。

我們都知道，慣性質量是物體抵抗加速的度量；我們都先天地認為，物體的慣性質量和固有質量是等同的，是吧。但是，希格斯機制

打破了這種邏輯，我們只把粒子的加速度受到希格斯場阻礙的程度（也就是和希格斯場作用的程度）理解為粒子的慣性質量，這一切與故有質量無關。和希格斯場作用越大，減速越厲害，不作用，不減速。

然而，這對當時的粒子物理學家們是一個有些難以接受的事情，他先投在physics Letters上，被拒了，然後他投在prl上，論文被南部審核的。南部讓他注意一下與剛剛被發表的布**和昂**的論文的關係，於是希格斯在自己的論文中加了一個備註，表示自己注意到了他們的論文，他還在正文中加了最後一段，隱晦地提到存在希格斯場的量子粒子的可能性。該粒子是啥？就是著名的希格斯玻色子。這麼囂張的態度只能說明或者希格斯的論文比布和昂二人的屌太多了，或者是希格斯太自大。這個等我讀到就知道了。

希格斯畢業與倫敦國王學院物理學專業，在1960年接受了愛丁堡大學的職位，1966年在普林斯頓高等研究院做了一個有關希格斯機制的學術報告。他這個忐忑啊，因為這地方就是當年楊先生被懟的體無完膚的地方，他害怕啊。但實際上他的報告在觀眾的態度上安然無恙，因為泡利現實已於1958年去世了。

格拉肖在早期做過電弱統一的努力，但是他得了健忘症（卧槽好可怕），忘了自己以前做過了啥，沒能把自己的模型和希格斯機制結合起來，來統一電弱理論。但是格拉肖的高中同班同學，溫伯格做到了（這是什麼樣的競爭啊，溫伯格先生是我的偶像。）