希格斯粒子系列》從BCS到Higgs

從BCS到Higgs
國立臺灣大學物理學系高涌泉教授/國立臺灣大學物理學系高涌泉教授責任編輯

平常「高高在上」的粒子物理，有時也會向研究低能量現象的凝態物理取經。

耗資數十億美元、位於日內瓦的大型強子對撞機（LHC）啟動，這是物理學界的大事。未來一旦LHC捕捉到物理學家期盼已久的希格斯（Higgs）粒子，必然是轟動全球的報紙頭版新聞。就算LHC沒有找到希格斯粒子，如果發現其他東西，也一樣會是超級大新聞。總之未來一陣子，大家一定會持續遇上希格斯這三個字。

位於日內瓦的大型強子對撞機LHC（圖片來源：flickr@delaere）

有人抱怨過科學名詞如果涉及人名，十有八九是不公平的。這種講法或許太過誇張，不過希格斯（Peter W. Higgs）先生的確不是首先、也不是唯一提出所謂「希格斯機制」的物理學家。如果我們要列出對於希格斯機制有重要貢獻的物理學家，在希格斯之外，名單起碼還要包括：金茲柏格（Vitaly L. Ginzburg）、藍道（Lev D. Landau）、施溫格（Julian Schwinger）、安德森（Philip Anderson）、高德史東（Jeffrey Goldstone）、南部陽一郎（Yoichiro Nambu）、布繞特（Robert Brout）、翁勒（Francois Englert）等人。事實上，2004年的沃爾夫獎（Wolf Prize）除了希格斯，還頒給布繞特與翁勒，以表揚三人在1964年對於「產生規範粒子質量機制」的「先驅工作」。我想希格斯的名字之所以能夠「脫穎而出」，主因是希格斯的論文非常清楚易讀，才佔了便宜。

希格斯曾在一場回顧粒子物理歷史的會議上說，他對於自發對稱破缺（spontaneous symmetry breaking）的興趣起於南部陽一郎在1961年發表的一篇文章。南部在這篇文章中提出了一個場論模型，一方面可以說明質子、中子如何獲得質量，又可以解釋π介子的質量為何比質子的質量小很多。南部的模型是粒子物理的里程碑之一，影響極大，我一向認為南部應該為此獲得諾貝爾物理獎。

南部也在同一場會議中回顧他的工作，他說自己對於自發對稱破缺的認識來自於BCS超導體理論。這個理論是巴丁（John Bardeen）、古柏（Leon Copper）、施里弗（John Robert Schrieffer）等師徒三人在1957年所提出的，它破解了困惑眾多物理高手40多年的超導體之謎。BCS三人的貢獻，具體地講，就在於提出了一個極巧妙的波函數來描述超導體中電子的行為。南部說施里弗在BCS文章發表之前，曾到南部任教的美國芝加哥大學演講他們的新理論，當時施里弗還只是研究生，而他被施里弗所說的嚇住了。

BCS理論震撼南部的地方，在於BCS波函數破壞了規範對稱，簡單一點講，在BCS波函數中，電子的數目並不是固定守恆的。南部覺得BCS這麼做有違物理基本原則，令他「坐立難安」。施里弗拿到博士學位後到芝加哥大學任助理教授，南部有機會常與他討論。最後南部弄清楚了BCS理論與自發對稱破缺的關係，並體認到在自發對稱破缺的理論中，一定會存在著無質量的粒子。（前面提到的高德史東也發現了這件事，所以我們今天稱來自自發失稱的無質量粒子為「南部–高德史東粒子」。）南部進一步猜測π介子的質量之所以比質子的質量小很多，理由便是π介子在本質上即為自發對稱破缺下的無質量粒子，因此才在1961年提出他著名的模型，從而影響了希格斯。

雖然說在自發對稱破缺的理論中，一定會存在著無質量的「南部–高德史東粒子」，可是超導體內其實並沒有這種粒子，為什麼？原因就在於這些「南部–高德史東粒子」會與超導體內的規範粒子結合成帶質量的向量粒子。所謂的希格斯機制就是在描述這種情況。一旦我們將希格斯機制用於弱交互作用，這意味著我們將真空也看成是一種超導體，這便是有人說宇宙是一種奇異超導體的緣故。

在南部之外，前面述及的安德森、高德史東、布繞特、翁勒等人也都是深刻了解BCS理論的專家。希格斯機制讓我們看到平常「高高在上」的粒子物理，有時也會向研究低能量現象的凝態物理取經。

原全文刊載於《科學人》，2008年3月。