上帝粒子的隱憂
知識通訊評論第118期

2012年7月初在瑞士日內瓦的歐洲粒子物理中心，終於宣佈傳聞已久希格斯粒子的發現。由於這是粒子物理領域的一個大成就，加上希格斯粒子又有一個「上帝粒子」的稱號，所以得到相當大的媒體關注，有些引述認為這是近代科學的一個大成就，與發現DNA相提並論，甚至有說法認為這是粒子物理一個新黃金時代的開端。

希格斯粒子的引起高度關注，主要因為粒子物理自上世紀五○年代以降，理論發展逐漸成形，對於宇宙物質的基本結構和作用力，都有一個相當能令人滿意的解釋理論，爾後又有一連串實驗結果，佐證這些對一般人來說，事實上相當玄奧難喻的理論。

但是在粒子物理學家稱為「標準模型」的理論之中，卻一直缺乏這個希格斯粒子的實驗證據，沒有這個粒子存在的證據，「標準模型」理論中一些粒子質量的問題，就不能有圓滿的解答。

目前兩個實驗組得到的證據指出，他們在一個相當可靠的統計效應之內，這個理論預測粒子的存在機會相當高（專業術語是西格瑪五，也就是誤差小於千萬分之三）。在物理實驗科學方面，目前還需要驗證的，是這個粒子的自旋數是零，實驗物理學家說，到今年年底累積更多的實驗證據，如果都符合理論的預測，希格斯粒子的發現才可以說是塵埃落定。

希格斯粒子發現的討論中也談到，最後結果無論是不是希格斯粒子，都將給粒子物理帶來一個新的境界，是希格斯粒子自然跨前一步，就算不是，也會對於所謂如「超對稱」以及「弦論」等後「標準模型」理論，帶來發展契機，這也正是粒子物理黃金時代來臨說法的道理。

這些說法並非沒有根據，但那是上世紀七十年代以降，粒子物理黃金時代的經驗。那個輝煌經驗的不可重現，在上世紀的九十年代已有殷鑑，當時美國為超越歐洲在粒子物理科學的亮眼表現，提出建造加速器的那個計畫，事實上比目前日內瓦做出結果的野心更大，但是計畫最後卻半途而廢。美國國會不計已投入超過十億美金，也深知對美國粒子物理的傷害，仍決定攔腰斷腕，原因無他，只因經濟困窘。

如以當前經濟情勢來看，莫說是美國，整個歐洲的風雨飄搖，比諸當年，不知嚴峻幾許，這對需要龐大經費建造加速器的粒子物理來說，自是極端不利。但是物理學基本理論推陳出新，雖說在數學上邏輯嚴整，但是物理科學的實證基礎，卻日益難以企及，而許多頂尖大物理學家，也多對這些理論的純粹由數學推演，不是由一個較清楚的物理現象入手，不以為然，甚至對於希格斯粒子的「發現」，也有不同的評價。

一些著名的科學家常要指出，科學研究的追求未知，一時雖不明所以，但常在多年之後得到回報，而過去一百多年的科學歷史，也確多例證。但是當年的那些科學發展，與今日情形已大不相同，簡單來說，那許多成功的往例，多由物理實驗現象入手，不似今日的先有空中樓閣，再在流沙上打出地基。

回到一個現實的世界，近代科學的成功，當然有科學邏輯的推理之功，但是其能有今日地位，得到社會龐大資源的支持，則來自其推理能力在現實世界上找到的立足點，衡諸今日的經濟困局，現實的考量益加關鍵。

在這回討論希格斯粒子的發現之中，有一則報導說得好，那則報導引述一位物理學者家的話說，「它看起來像一隻鴨子，叫起來像一隻鴨子，它至少會是一隻鳥。」

目前科學家宣稱找到了「上帝粒子」，到底這個「找到」的真實意義為何，在那浩瀚煙緲的訊號中，那個虛無飄渺粒子所代表質量來源的意義，又是什麼？更深一層來說，一個被我們主觀認定的所謂「實證現象」，到底如何去論斷其真正的價值，顯然已不是一個科學所能解決的問題了。

誰該居希格斯粒子之功
知識通訊評論第114期

如果希格斯粒子真的找到，一群科學家可能因預測此一撲朔迷離的粒子而獲獎，但是到底誰應該居首功，兩年前就已經引起過一場風波。

難以捉摸的希格斯粒子還沒被找到，就已引發爭議。兩年前在法國的一場會議裡大家情緒高漲，粒子物理學界裡看法分歧，原因是對發展出希格斯粒子存在背後機制的六位理論物理學家，到底誰的貢獻最重要。

一般認為，這個機制會賦予粒子質量，而希格斯粒子的存在是這個機制的一部分，希格斯粒子也是粒子物理標準模型的最後一塊尚待發現的拼圖。兩批物理學家，一組在瑞士日內瓦附近歐洲最大的粒子物理實驗室的歐洲粒子物理中心（CERN）大強子對撞機，另一組則位於伊利諾州巴達維亞的兆電子伏特加速器，他們最近預測說這個粒子可望在未來數年內被觀測到。

這不只讓找到這個粒子的競爭更加緊湊，也讓確立提出這個構想的所有權成為迫切問題。正如同歐洲粒子物理中心粒子物理學家埃利斯（John Ellis）所言，「讓我們面對現實，這關係到一個諾貝爾獎。」

希格斯

會產生功勞所有權問題，是因為這個理論機制在一九六四年的幾個禮拜之內，分別由三個團隊獨立發展出來。首先是比利時的布勞特（Robert Brout）和恩格勒（François Englert），接著是蘇格蘭的希格斯（Peter Higgs），最後是倫敦的基布爾（Tom Kibble）以及他在美國的同事古勞尼克（Guralnik，當時還在倫敦）和哈根（Carl R. Hagen）。

英國牛津大學粒子物理學家克羅斯（Frank Close）說，「有六個人在短時間內一個接一個發展出這套理論機制，他們都有正當性來主張自己有貢獻。」

由於瑞典皇家科學院一次只能給不超過三個人諾貝爾獎，值此該粒子即將出現前夕，這六個人開始爭奪僅有一半人能分享的獎項。

「排在諾貝爾獎的前三人會感到相當輕鬆，他們必須要做到的事，就是活過這個粒子的發現，」埃利斯說，「可以理解，後面那些人或許會相當緊張。」

引燃戰火

二○一○年年七月法國奧賽舉行了一個「找尋希格斯粒子」的會議，這個會議的一張廣告，重新引燃關於貢獻歸屬的爭議。許多粒子物理學者在網站上看到這個會議的廣告，對之不以為然，因為上面只列舉了布勞特、恩格勒和希格斯。曾經是古勞尼克學生的紐約雪城大學物理學家費蘭特（Daniel Ferrante）說，有些人以杯葛會議或是當場提出抗議的方式施壓。

巴黎核子暨高能物理實驗室的貝那迪（Gregorio Bernardi）是那次會議的主辦人之一，他承認委員會對於網站廣告所引起反對的強大程度感到吃驚。他説、「我們沒有料到大家把這事看得這麼嚴重」。

不過，委員會認為這場會議不該被政治化。「我們受到非常強力的遊說，要我們更改廣告，而我們為此感到非常不愉快，這並不恰當。」貝那迪說。

埃利斯建議委員會堅守立場。他提出看法認為，無可否認古勞尼克、哈根和基布爾是最後發表論文的人。他還指出，這三人的論文引用了稍早布勞特與恩格勒以及希格斯發表的文章，這削弱了他們對著作權的主張。

在紐約羅徹斯特大學的粒子物理學家費貝爾（Tom Ferbel）看來，這個說法不值一提。他認為古勞尼克、哈根和基布爾不該因為學術專業規矩的引用其他論文而受罰。

費貝爾還指出，美國物理學會在二○一○年初決定，將理論粒子物理學獎項的櫻井純獎，頒發給所有這六位物理學家，這讓會議主辦者的怠慢顯得「侮辱又令人心寒」。費貝爾說，「我擔心主辦人短視的眼光，也許會明顯影響到瑞典科學院的最後決定。」

會議主辦者意識到，他們的決定有所爭議，為此他們舉辦了一場關於這段糾纏歷史的特別受邀演講，也提供了一個論壇讓不滿的會議參與者辯論此一議題。然而，儘管會議最後平順結束，現在這個爭論似乎因為希格斯粒子可能發現在即，而愈演愈烈。

「最近有許多關於古勞尼克、哈根和基布爾的小題大作，而美國物理學會似乎正在傾聽這些主張，」埃利斯說，「我只覺得很高興我不是諾貝爾委員會的成員，他們得決定該把誰扔出救生艇。」

希格斯粒子之外的新物理
知識通訊評論第112期

最近粒子物理學家關心的希格斯粒子是否找到，其實並不是最關鍵的，因為物理標準模型理論並不完整，無論是否找到，都需要新的物理。

歐洲粒子物理研究中心

作者為文時，物理學家正為可能觀察到的希格斯玻色子興奮不已。在分析了瑞士日內瓦附近，歐洲「歐洲粒子物理研究中心」大強子對撞機的數據之後，這個歐洲高能物理實驗室日前宣布，他們在一二五GeV（十億電子伏特）能區發現這個粒子的訊號，在物理學理論中，希格斯玻色子認為是賦予其他粒子質量的粒子。

這個可喜的訊號，是否代表科學家已尋獲希格斯玻色子，仍言之過早，若是為真，許多人同時會認為這是粒子物理學標準模型的明證。之前，其他數據提供的間接跡象顯示，希格斯的的質量很可能小於一百五十GeV，這點與「歐洲粒子物理中心」的發現可說不謀而合。不過，我是一個喜歡唱反調的人。我要說無論希格斯玻色子是不是存在，我們都已經知道，必然要有超越標準模型的物理學。現在讓我們思考一下它的可能性。 Continue reading →

真相揭曉的時刻到了
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

全世界引頸盼望的希格斯粒子到底存不存在？

第36屆國際高能物理會議於7月4~11日在澳洲墨爾本舉行。位於歐洲日內瓦附近的大強子對撞機（LHC）的兩個實驗團隊：超導環場探測器（ATLAS）與緊湊緲子螺管偵測器（CMS），預定在會中宣佈各自偵測器於2012年所蒐集的最新數據，屆時大家就知道到底全世界引頸翹望的希格斯玻色子（Higgs boson）是否真的存在。這將是個價值近百億美元的答案，大家的心都懸在半空中，等了幾十年，真相終於要揭曉了！

其實ATLAS與CMS在2011年底已公佈了該年數據，兩者皆看到某些希格斯粒子存在的跡象。去年，LHC將質子加速至帶有3.5 TeV（TeV＝兆電子伏特）的能量（即質子靜止能量的3700倍，此時質子速度約是光速的0.999999963倍），然後讓兩束如此高能量的質子對撞，ATLAS與CMS就在其偵測器中觀察碰撞後出現的東西。譬如說，他們在一些碰撞過程看到有兩個高能光子射出，分析後，認為其

中有幾次應是質子相撞後產生了質量約125 GeV的希格斯粒子（ATLAS 說是124 GeV，而CMS 說是126 GeV；GeV＝十億電子伏特），接著這個希格斯粒子很快衰變成兩個高能光子。不過由於所捕捉到的高能光子絕大多數只是碰撞的一般產物，必須累積很多數據，才能判別訊號的真假。

除了雙光子，希格斯粒子還有其他衰變管道可供查驗。總之，ATLAS與CMS 雖然從2011年數據找到了希格斯粒子的訊號，但是這些訊號仍有約千分之一的機率來自「背景漲落」，完全無關乎希格斯粒子。一般人可能會認為千分之一是很小的機率，但粒子實驗學家知道，不少原先以為只有千分之一出錯機率的發現後來還是隨風而逝。有人這麼比喻：你不會願意搭上每飛行千趟就會墜毀一次的飛機。所以現行的共識是只有當出錯機率降至約350萬分之一以下時，實驗學家才會認定找到了無可反駁的證據。

今年（2012年），LHC將質子能量提升至4 TeV，如此可以稍微提升產生希格斯粒子的機率；更重要的是兩個實驗團隊今年所記錄的質子碰撞次數已和去年一整年相當。所以如果今年的數據也顯現了與去年一樣的效應，那麼實驗學家應該就可以確認找到了希格斯粒子。當然，嚴謹一點講，我們只能說ATLAS 與CMS發現了某種自旋為零的新粒子，但它究竟是不是標準希格斯粒子，還有待實驗學家進一步研究其各種衰變模式與交互作用，查驗是否與模型的預測完全一致。最簡單的標準模型只有一個希格斯粒子，我們可以加以推廣以包容數個希格斯粒子。假設此粒子最終證明不是最簡單的希格斯粒子，則它可能來自更為複雜的希格斯機制，甚至它可能根本不是希格斯粒子，因為它與賦予粒子質量的希格斯機制一點關係也沒有。

反之，如果今年的數據完全顯現不出去年看到的跡象，那麼我們便得面對標準希格斯粒子可能不存在的難題，因為除了在125 GeV附近的一小段能量區域，去年的數據已經排除了質量低於600 GeV的標準希格斯粒子的可能性。如此一來，我們只有期待當LHC以其最高設計能量（質子能量為7 TeV）運轉時能出現新線索，以引導理論進展。

我們從百億美元的答案學到什麼？如果125 GeV希格斯粒子的跡象終究獲得證實，我們會讚歎理論的威力：希格斯機制是我們所知能在數學上圓滿處理電弱交互作用的最好辦法（特霍夫特與維特曼正是因證明希格斯機制在數學上的合理性而獲1999年諾貝爾物理獎），而果不其然，希格斯機制所要求的希格斯粒子真正存在，真是人算不輸天算！這項數學邏輯的成就，高度將不亞於狄拉克在1930年代初從其著名的相對論性方程式推論出正子的存在。

但如果ATLAS與CMS發現2012年的數據否決了先前的跡象，許多一流理論物理學家堅信絕對存在的希格斯粒子其實並沒這回事，這將再次提醒我們人算終究不如天算，物理畢竟是經驗科學，沒有現象支持的理論絕不能當真。我們會學到什麼？初步的答案就要揭曉了。

本文發表於《科學人》，2012年7月。

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。 Continue reading →

宇宙，奇異的超導體
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

著名的「希格斯機制」（希格斯是一位英國理論粒子物理學家），其主要假設是，宇宙處處瀰漫著一種特別的純量場（亦即自旋為零的場），稱為「希格斯場」；當這個場處於最低能量狀態時，其強度是個不為零的常數值，其他的場（例如電磁場）沒有這樣奇特的性質──它們處於最低能量態時，都不會有不為零的場強度。所以在真空（即最低能量態）之下，一切的場包括電磁場、介子場、電子場等的場強度都等於零，唯一的例外是希格斯場；以術語說，希格斯場具有不為零的「真空期望值」（或稱基態期望值），其他基本粒子場的真空期望值則皆是零。

由於希格斯場在真空中具有不為零的場強度，於真空中原本以光速前進的基本粒子，就可能受到這個場強度的影響而減慢速度，於是無質量粒子就變成了有質量的粒子。以電子為例，左（右）旋的電子在希格斯場中前進時，會變成右（左）旋電子，這種行為是帶有質量電子的特性。電子如果不帶質量，它的自旋方向在前進時是不會反轉過來的。除了自旋1/2的粒子（如電子、夸克）能夠以如此方式獲得質量，原本無質量的自旋1向量粒子（如光子）也可以藉由與希格斯場的交互作用而帶有質量。

尋找質量的機制

物理學家溫伯格（Steven Weinberg）與薩萊姆（Abdus Salam）在1960年代中期，把希格斯機制應用到弱交互作用上，他們認為傳遞弱作用的向量粒子（W 與Z介子）就是因為這個機制而獲得質量。在當時，物理學家已經認知W介子必須帶有很大的質量，但是他們卻找不到好的辦法來賦予W介子質量，因為我們如果只是遵循傳統方式單純地在拉格朗日函數中放入W介子的質量項，我們所得到理論並不是一個「可重整化」的理論，也就是說我們無法合理地處理掉理論中所出現的無窮大，這種理論在高能量的情況下是不適用的。

麥士納效應：磁場無法進入超導體內部。這種效應就是希格斯機制於超導體上的一種表現。

溫伯格與薩萊姆猜測，如果把微妙的希格斯機制和描述向量粒子的「楊（振寧）–密爾斯規範場論」（Yang-Mills Theory）結合起來，將導致可重整化的弱作用理論，但是他們並無法證明這個想法。直到1971、1972年，荷蘭物理學家特霍夫特（Gerard‘t Hooft）與維特曼（Martinus Veltman）才終於嚴格地證明了溫伯格與薩萊姆的猜測。特霍夫特與維特曼為此獲得了1999年的諾貝爾物理獎，而溫伯格與薩萊姆則更早於1979年，就已經由於他們以希格斯機制所建構的電磁作用與弱作用的統一模型，而與格拉肖（Sheldon Glashow）共同獲得諾貝爾物理獎。

由於特霍夫特與維特曼的突破，我們現在已經認清，希格斯機制是唯一可用的機制，其他的方式都不能恰當地賦予W介子質量。希格斯機制成功的秘訣，在於它不會破壞規範對稱，因此可以和規範理論共存共榮。物理學家對於希格斯機制深具信心，他們在CERN建造大型加速器的主要目的，就是找出希格斯場的量子──希格斯玻色子。

希格斯機制的前因後果

這麼重要的機制是如何出現的呢？首先，希格斯並不是唯一想出希格斯機制的人，他甚至不是第一人；有人就曾開玩笑說，大概是希格斯（Higgs）這個名字比別人的短了一些，所以才用上了他的名字。事實上，以基本觀念而論，希格斯機制最早源自於超導體物理。超導體現象是荷蘭物理學者開默林昂內斯（Heike Kamerlingh Onnes）在1911年所發現的，這個奇異的現象難倒了好幾代的物理學者，大家一直找不出合理的解釋，直到俄羅斯物理學家金茲柏格（Vitaly Ginzburg）與藍道（Lev Landau）於1950年發表了一篇極了不起的論文，才將超導體研究導上了正軌。

金茲柏格與藍道所提出的，是一種描述超導現象的新方式：他們首先引進了一個純量場，也就是我們今天所稱的希格斯場，並且安排讓這個純量場在超導體內有不為零的基態期望值。在這種情況下，只要光子（即電磁場）與純量場有交互作用，那麼所謂的希格斯機制就會使得在超導體內的光子帶有質量。一旦超導體內的光子帶有質量，電磁場就不可能進入超導體內部，理由是超導體內具有質量的電磁場會帶有很高的能量，這種能量過大的狀態將無法生存，所以電磁場至多只能存在於超導體表面附近。金玆柏格與藍道就以這種想法來說明超導體的一項關鍵效應——「麥士納效應」（Meissner effect）。這項效應發現於1933年，它的意思是超導體會將磁場完全排除在外，這剛好符合上面的推論。換句話說，金茲柏格與藍道指出了「麥士納效應就是希格斯機制於超導體上的一種展現」。金茲柏格由於這項工作獲得了2003年諾貝爾物理獎（藍道過世於1968年，所以未能分享這項榮耀，但他早已於1962年因液態氦理論而拿過諾貝爾獎）。

就在1957年時，巴丁（John Bardeen）、古柏（Leon Cooper）以及施里弗（John Schrieffer）提出了著名的BCS超導體理論，這是一個微觀理論，可以圓滿地解釋超導體的各項性質。隔了兩年，哥可夫（Le v Gorkov）從BCS理論出發，推導出了金茲柏格與藍道的理論。哥可夫指出，金玆柏格與藍道的純量場基本上就是一對自旋相反的電子場。也就是說，金玆柏格與藍道的純量場並不是一種最基本的場，而是由已知的電子場所建構出來的東西。至此，物理學家算是從微觀角度完全弄清楚了希格斯機制在超導體上的意義。 Continue reading →

隱密的對稱
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

獲得2004年諾貝爾物理獎的葛羅斯(D. Gross)曾對過去數十年來基本物理的進展下過一句評論：「自然的秘密在於對稱。」他又認為：「在尋找新的、更基本的自然定律的時候，我們應該從尋找新的對稱下手。」

葛羅斯的確說出了物理中非常重要的原則，不過他當然不是第一個有這種體認的人─在他之前，楊振寧就已經說過：「對稱決定交互作用。」可是楊振寧也不是頭一個對於對稱有深刻了解的人，他會說那個頭銜屬於愛因斯坦─愛氏的狹義相對論與廣義相對論正是闡明對稱意義的最佳例子。可是愛因斯坦只是開了個頭，我們還需要更多的具體例子才能肯定「自然的秘密在於對稱」，這裡頭包括了重要的楊振寧與密爾斯(R. Mills)的非阿貝爾(non-abelian)規範場論。 Continue reading →

【特別報導】2012諾貝爾獎預測（一）物理獎
陳映任編譯

今年湯森路透社（Thomson Reuters）選出在醫藥、物理、化學和經濟領域有可能獲得諾貝爾獎候選人，這些『湯森路透引文桂冠』（Thomson Reuters Citation Laureates）得主，在各自研究領域中以被大量引用的文獻證明他們的在科學上的成就是『諾貝爾級』。

2012年湯森路透引文桂冠在物理部門的三個研究分別是：慢光（Slow Light）、多孔矽中的光致發光（Photoluminescence in Porous Silicon）和量子隱形傳輸（Quantum Teleportation）。

（一）、慢光（Slow Light）
研究者：
Stephen E. Harris – 史丹福大學電氣工程教授和應用物理學名譽教授
Lene V. Hau – 哈佛大學工程與應用科學學院物理學和應用物理學教授

Stephen E. Harris(左)、Lene V. Hau(右)

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