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逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行
作者:邢志忠 赛先生 | 2024/4/11 11:51:43 | 浏览:177 | 评论:0

逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行

彼得·希格斯(Peter Higgs,1929年5月29日-2024年4月8日)。图源:诺贝尔奖官网

导读:

      一个有超强定力的科学家,一生仅发表8篇纯学术论文,发表巅峰之作后,余生研究躺平,保持身体健康,等待诺贝尔奖的到来。

      彼得·希格斯的传奇,难以复制。


英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)是粒子物理学界近百年来的传奇人物之一。他一生只发表了八篇纯学术的论文,自1979年以后就金盆洗手,不再做科研,也不申请经费,更不带学生,只专心教书,以及等待诺贝尔奖。而这让高调和高产的同胞史蒂芬·霍金(Stephen Hawking)十分看不惯。霍金曾多次嘲讽希格斯的做派,并坚称希格斯在1964年所预言的“上帝粒子”——希格斯玻色子根本不存在。可是2012年7月,希格斯粒子在欧洲核子研究中心的大型强子对撞机上被发现;2013年12月,希格斯和差不多同时提出规范对称性自发破缺机制的比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)分享了当年的诺贝尔物理学奖。
2024年4月9日,94岁高龄的“上帝粒子”之父希格斯走完了轻松惬意的一生,而物理学的巍巍青山也从此新添了一座英雄塚。
1. 一鸣惊人“独行侠”

1929年5月29日,彼得·希格斯出生在英格兰泰恩河畔的纽卡瑟。少年时期的他,曾就读于英国西部港口城市布里斯托尔的科塔姆中学,成为偶像物理学大师保罗·狄拉克(Paul Dirac)的校友。1950年,希格斯在伦敦国王学院毕业并获得物理学学士学位,随后继续留在国王学院攻读理论量子化学博士学位,他的博士论文选题与分子振动理论中的一些问题相关 [1]。1954年获得博士学位以后,希格斯先后在爱丁堡大学、伦敦大学学院和伦敦帝国学院获得临时研究职位,直到1960年才以讲师身份正式加盟爱丁堡大学,这是他心目中的另一位英雄人物——物理学大师詹姆斯·麦克斯韦(James Maxwell)曾经工作过的地方。这期间希格斯的主要研究兴趣已经转向量子场论和广义相对论,差不多以每年做一个科研工作的速度,总共发表了四篇影响力乏善可陈的学术论文 [2—5]。

逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行
值得注意的是,与同龄人相比,年轻的希格斯出身普通,履历并不亮眼。他既没有在欧美一流学术机构从事博士后研究的经历,也没有声名显赫的导师和科研合作者的加持,而且论文产量低得不能再低,还都是单打独斗。事实上,他根本就没有合作者!希格斯的论文都是单一作者论文,颇有二十世纪初那些理论物理学巨擘们千山独行的风范。他性格腼腆而低调,在日常生活中不喜欢凑热闹,这一略显孤僻的性格或许也影响了他的科研风格,使得他无论选题还是计算都只走自己的路。

1964年称得上是希格斯职业生涯的巅峰之年,他发表了两篇论文,篇幅均一页半,署名一个人。其中题为“破缺的对称性、无质量的粒子与规范场”(Broken symmetries, massless particles and gauge fields)的论文发表在欧洲物理学会主办的专业期刊《物理快报》(Phys. Lett.)上 [6],而题为“破缺的对称性与规范玻色子的质量”(Broken symmetries and the masses of gauge bosons)的论文被上述杂志拒绝、转而发表在美国物理学会主办的《物理评论快报》(Phys. Rev. Lett.)上 [7]。

这两篇论文包含了希格斯机制的基本思想,并预言了一种全新的基本粒子——自旋量子数等于零的希格斯玻色子的存在,让希格斯名声大噪。这一年恰好是他获得博士学位之后的第十年,可谓“十年不鸣一鸣惊人,十年不飞一飞冲天”。

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彼得·希格斯的八篇纯学术论文。图源:https://inspirehep.net/authors/1019617
2. 巅峰过后,退隐江湖


迄今为止,希格斯的上述两篇论文的引用率分别超过了5500次和7700次(基于高能物理数据库INSPIRE的记录),成为粒子物理学的经典文献,也是希格斯登上诺贝尔物理学奖领奖台的垫脚石。由于希格斯一生总共才发表了八篇纯学术的期刊论文,因此他的论文平均单篇引用率超过了1000次。

与希格斯相比,电弱统一理论之父史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)和弦论之父爱德华·威滕(Edward Witten)的期刊论文平均单篇引用率分别约为500次和560次。在这个意义上可以说,科研产量超低的希格斯取得了“以少胜多”的辉煌战果。

但是,如果用今天很流行的“希尔施指数”(Hirsch index,或简称h指数)来衡量希格斯的学术产出,那么他的h指数值仅达到了个位数,只是相当于国内比较优秀的理论物理学博士毕业生的平均水平,与h指数达到百位数的温伯格和威滕更是不可同日而语。由此可见,h指数这样对于文章发表数量和引用进行量化的指标,其实并不适合衡量那些学术成果“少而精”的科学家。但实际情况是,只有极具创新性的学术“精品”才能留得下来,并促进科学的突破和发展。

逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行

彼得·希格斯旧照

但从硬币的另一面来看问题,希格斯是不是在成名之后就“躺平”了吃老本呢?事实似乎的确如此。1965年至1966年,希格斯在美国北卡罗来纳大学访问期间,发表了“希格斯机制三部曲”的第三部,论文的标题为“没有无质量玻色子的对称性自发破缺”(Spontaneous symmetry breakdown without massless bosons)[8]。尽管与美国同行进行了多次讨论,希格斯这次还是选择一个人发表论文,而这篇论文迄今为止获得了超过3600次的引用,也成为他的代表作之一。在这之后,除了1979年发表了一篇侧重于形式理论的论文之外 [9],希格斯没有再公开发表任何科研工作,也极少在国际学术会议上抛头露面。

希格斯那时大概已经意识到,自己无法再次拥有1964年的巅峰状态,而且自己科研的面太窄,无法像同时代的其他著名理论物理学家那样在几个领域、多个方向开展成果累累的前沿研究,再做下去恐怕有损来之不易的崇高声望。于是从来也没怎么在学术界走动的希格斯选择了彻底退出江湖,不申请科研经费,也不带研究生,只是专心教书,直到1996年退休。当然,我们可以想见,希格斯在漫长的“无所事事”的岁月中,内心肯定渴望自己所预言的“希格斯玻色子”能够在高能物理学实验中被发现。

3. 赌赢霍金


粒子物理学标准模型的最重要基石是杨振宁和罗伯特·米尔斯(Robert Mills)于1954年提出的“定域规范”对称性,该对称性强有力地限定了电磁力、强核力和弱相互作用的动力学形式,但同时要求传递和参与这些相互作用的粒子不能拥有质量。为了使得这样的理论模型能够描述真实世界,必须设法让严苛的“定域规范”对称性自发地破缺,从而让传递力的重玻色子以及电子和夸克等物质粒子获得有限的质量。希格斯机制就是负责规范对称性自发破缺的最简单动力学机制:假设在宇宙空间中,充斥着一种各向同性的标量场——希格斯场,这种场可以与“力”场和“物质”场发生耦合;当希格斯场取特定的方向和特定的值,使系统得以定义其真空时,理论原有的一部分规范对称性就会自动破缺,导致传递弱相互作用的玻色子和那些与标量场有耦合的物质粒子获得质量,而没有破缺的“电磁”和“色”规范对称性,则保证了传递电磁力的光子和传递强核力的胶子仍旧是无质量的。在规范对称性自发破缺的过程中,希格斯场的量子激发态所对应的粒子,就是有特定质量、自旋为零的希格斯玻色子。

1967年,温伯格率先将希格斯机制与杨-米尔斯场论有机地结合在一起,创建了标准的电弱统一理论。1971年,这一理论被正在攻读博士学位的荷兰研究生杰拉德·特霍夫特(Gerard 't Hooft)证明是可重正化的,因此适用于计算高阶量子修正效应。随后的一系列实验证实了标准模型的正确性,但该模型的最关键粒子——希格斯玻色子,却迟迟没有被发现。难道希格斯的预言错了?

霍金就是理论物理学家中对希格斯机制持强烈怀疑态度的代表性人物。这位明星科学家在有生之年从未“躺平”,总共发表了约150篇期刊论文。他对1979年之后无所事事却名望不输于自己的希格斯心有不满,曾公开下注100美金赌希格斯粒子不会在任何对撞机上被发现。

逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行

2013年,希格斯与霍金在伦敦举行的对撞机展上。图源:CERN

如霍金所愿,上世纪九十年代在欧洲核子研究中心运行的大型正负电子对撞机确实没有发现希格斯玻色子,本世纪初在美国费米实验室运行的正反质子对撞机也没有找到“上帝粒子”,这让包括希格斯本人在内的大多数粒子物理学家深感沮丧。

在这种情况下,热衷于炒作“花絮”和“卖点”的媒体借机放出“霍金将希格斯抛进了黑洞”之类耸人听闻的传言,而这令老实人希格斯忍无可忍。希格斯曾在2002年向记者发牢骚说,霍金作为身份极为特殊的公众人物,其言辞无形中拥有了本不该有的权威性和煽动性,而他的个人喜好也使得他与其他领域的理论家的交流变得很困难。当时苏格兰的报纸立即以“大师级学者之间的冲突”为题,添油加醋地报道了两人之间的芥蒂。

一时无所适从的希格斯慌忙给霍金写了一封“求和”信,对自己当时评论霍金的言辞做出了澄清,以消除可能的误会。深谙娱乐之道的霍金则善意地回信说自己其实并不介意报纸上的消息,不过他再次表示希格斯粒子很可能并不存在。

十年之后的2012年7月,欧洲核子研究中心终于在大型强子对撞机上发现了人们期待已久的希格斯玻色子。得知这个震撼了全世界的消息后,70岁的霍金立即寄给83岁的希格斯一张100美元的支票,对“大哥”表示“小弟”愿赌服输。

4. 走到聚光灯下


2012年7月以后,从学生时代起就喜欢清静并刻意保持低调的希格斯成为大众媒体追逐的明星,这位已到耄耋之年的理论物理学家终于活成了自己原本不太喜欢的霍金教授的样子,包括跟随媒体的节奏摆拍照片。作为“上帝粒子”之父,希格斯甚至不得不考虑怎样摆拍才使自己更像上帝一些,从而让大众为之倾倒。可以说,希格斯教授在晚年直接参与和见证了科学家和科学界在数字时代娱乐化的进程。

逝者 | “上帝粒子”之父希格斯的千山独行
事实上,早在2002年,希格斯就开始了“我作为玻色子的一生”(My life as a boson)的巡回演讲[10]。当时,整个粒子物理学界都需要为大型强子对撞机项目造势,后者的首要科学目标就是发现标准模型的最后一块拼图——希格斯玻色子。希格斯本人应该也是乐意做这样的宣传的,毕竟讲述自己一生中最了不起的科学杰作是一件很惬意的事情,谁都不会拒绝。2013年,希格斯与恩格勒共同获得了诺贝尔物理学奖;而当年恩格勒的合作者罗伯特·布罗特(Robert Brout)却因病不幸于2011年去世,没有等到与自己的战友一同站在聚光灯下的那一天。历史的经验和教训一再表明,如果你对科学做出了极其重要的贡献,那么你一定要健康长寿,坚持到获得诺贝尔奖的那一天!

尽管希格斯的成功很难被复制,但追随者们也并非就无所作为。首先,你要具备发现最重要的问题的眼光;其次,你要坚持不懈,哪怕千山独行;第三,你要拥有解决复杂问题的能力。上述这三点其实正是杨振宁先生所倡导的搞科研的“3P”(Perception、Persistence、Power)原则。希格斯仅用学术生涯的十年时光就完美地诠释了自己的成功之道,这是极难摹仿的。但也许更难被复制的,是随后多年的“躺平”,因为后者也需要超强的心理定力。图片

参考文献:(上下滑动可浏览)
[1]P.W. Higgs, “Some problems in the theory of molecular vibrations”, PhD Thesis(King’s College London, 1954)

[2]P.W. Higgs, “Vacuum expectation values as sums over histories”, Nuovo Cim. 4(1956)1262—1273

[3]P.W. Higgs, “On four-dimensional isobaric spin formalisms”, Nucl. Phys. 4(1957)221—223

[4]P.W. Higgs, “Integration of secondary constraints in quantized general relativity”, Phys. Rev. Lett. 1(1958)373—374; Phys. Rev. Lett. 1(1959)66—67(erratum) 

[5]P.W. Higgs, “Quadratic Lagrangians and general relativity”, Nuovo Cim. 11(1959)816—820

[6]P.W. Higgs, “Broken symmetries, massless particles and gauge fields”, Phys. Lett. 12(1964)132—133

[7]P.W. Higgs, “Broken symmetries and the masses of gauge bosons”, Phys. Rev. Lett. 13(1964)508—509

[8]P.W. Higgs, “Spontaneous symmetry breakdown without massless bosons”, Phys. Rev. 145(1966)1156—1163

[9]P.W. Higgs, “Dynamical symmetries in a spherical geometry”, J. Phys. A 12(1979)1156—1163

[10]P.W. Higgs, “My life as a boson:The story of the Higgs”, Int. J. Mod. Phys. A 17S1(2002)86—88





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