2012年7月4日，酷似希格斯玻色子(Higgs boson)的新粒子在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心(CERN)被發(fā)現(xiàn)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(xué)的最新勝利。該發(fā)現(xiàn)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，并觸發(fā)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(zhì)一致，這個粒子最初是在1964年被假設(shè)或發(fā)明出來的，并最終在48年之后以數(shù)十億美元的代價被發(fā)現(xiàn)了。
那么,有什么值得大驚小怪的呢?希格斯玻色子是什么東西?它為什么如此重要?如果這個新粒子確實是希格斯玻色子，那么它能告訴我們哪些關(guān)于物質(zhì)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(fā)現(xiàn)它嗎?
人們可以在粒子物理學(xué)的所謂標(biāo)準(zhǔn)模型(standard model)的故事中找到這些問題的答案。顧名思義，標(biāo)準(zhǔn)模型是物理學(xué)家用于解釋所有物質(zhì)的基本組分和相互作用力的理論框架，其中相互作用力要么將物質(zhì)結(jié)合在一起，要么使之分崩離析。它是物理學(xué)家數(shù)十年不遺余力的集大成之作，象征著他們?yōu)榱私忉屛覀冎車�的物理世界而付出的最大努力�?br />標(biāo)準(zhǔn)模型還不是一個萬能理論(theory of everything)。它無法解釋引力的本質(zhì)。近年來你也許讀到過一些奇奇怪怪的物理學(xué)新理論，它們試圖統(tǒng)一所有的基本相互作用力，包括引力。超對稱(supersymme-try)和超弦(superstring)就屬于這類新理論。盡管成百上千的理論學(xué)家致力于此類研究項目，但這些新理論依舊處于思辨和推理階段，沒有或幾乎沒有得到任何實驗證據(jù)的支持。雖然人們承認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)模型自20世紀(jì)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(xué)最行之有效的理論。
希格斯玻色子在標(biāo)準(zhǔn)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，那么組成你、我和可觀測宇宙的基本粒子就不會有質(zhì)量。假如沒有希格斯場的話，那么就無法生成質(zhì)量，也無法構(gòu)建任何東西。
似乎我們應(yīng)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(yīng)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(xué)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，并把公眾的注意力吸引到物理學(xué)和神學(xué)之間的關(guān)系上，而這有時令人感到很不舒服。然而，它是一個深受科學(xué)記者和科普作家喜愛的名稱。
許多關(guān)于希格斯場的理論預(yù)言結(jié)果在20世紀(jì)80年代初期的粒子對撞機實驗中得到了證實�？墒菍�場的推斷并不等同于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(fā)現(xiàn)，這也是很有可能的。果真如此的話，其寓意對于標(biāo)準(zhǔn)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(fā)現(xiàn)的兩年之前，開始寫這本書的。當(dāng)時我剛剛完成另外一本書的手稿，書名為《量子故事：40個關(guān)鍵的歷史時刻》。正如書名所表明的那樣，它是一部關(guān)于量子物理學(xué)從1900年到今天的歷史。該書概括了標(biāo)準(zhǔn)模型的發(fā)展與希格斯場及其粒子的發(fā)明。幾個月前，CERN的大型強子對撞機(Large Hadron Collider)達到了創(chuàng)紀(jì)錄的7萬億電子伏的質(zhì)子-質(zhì)子對撞能量。于是我推測，它在未來的幾年之內(nèi)有可能做出某種發(fā)現(xiàn)。幸運的是，我被證明是正確的。
《量子故事》一書出版于2011年2月，它的部分內(nèi)容在本書中將有所體現(xiàn)。
感謝梅農(nóng)(Latha Menon)和牛津大學(xué)出版社的代表們，他們當(dāng)時做好了準(zhǔn)備，要冒險出一本關(guān)于還沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子的科普圖書。我一直通過正式渠道密切關(guān)注著CERN那里的實驗進展，但是我要感謝數(shù)位高能物理學(xué)的博主，包括吉布斯(Philip Gibbs)、多里戈(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、泰紹里(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，并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，他們閱讀并評論了本書的初稿。感謝溫伯格(Steven Weinberg)教授，他也通讀了本書的初稿，并在他的序言中友好地表達了個人觀點和展望。由于作者水平有限，本書的錯誤在所難免。