《世界存在的本质 11》

1954年的夏天，三十二岁的杨振宁在布鲁克海文国家实验室做短期的访问，和米尔斯共用一个办公室。杨振宁一直在思考强相互作用的问题，想从麦克斯韦电磁理论推广到对于同位旋粒子的描述。这个理论必须保证同位旋在空间上任何一点都守恒，也就是局域规范不变性。两人交流合作，很快得到一个简洁优雅的数学模型，就是我们现在知道的杨-米尔斯场。可以说，这项工作奠定了杨振宁作为中国科学界第一人的崇高地位。大约在二十五年前，我有幸在不同的时间和场合分别见到杨振宁和李政道，我少年时的榜样。李政道敦厚和善，而杨振宁别具一种个人魅力。2000年，克雷数学研究所呼应一百年前的希尔伯特，公开列出七个重要数学问题，以每题一百万美元悬赏解答。这七大问题就包括杨-米尔斯场方程的质量间隙问题。

其实，杨振宁设想的杨-米尔斯场有一个根本性的困难。在任何一个规范场论里，交换粒子的质量必然为零。而短程强相互作用的交换粒子有一定的质量。杨-米尔斯场不能正确描述强相互作用。而零质量交换粒子的作用只有电磁相互作用，已经有了量子电动力学完备的解释。1957年，施温格在考虑弱相互作用的问题。费米虽然给出了弱相互作用的定义和理论，但是他的模型不能重整化。杨-米尔斯场的规范形式吸引到施温格的注意力。他把利用杨-米尔斯场论重建弱相互作用的想法告诉了他的学生格拉肖。格拉肖观察到弱相互作用和电磁相互作用之间的许多相似性。1960年，格拉肖在杨-米尔斯规范场的框架里建立了一个电磁相互作用和弱相互作用的统合理论。因为弱相互作用也是短程作用，格拉肖在模型里强行引入质量一项。大概在同一时候，英国的萨拉姆和沃德用类似的方法提出类似的理论。

于是，有关质量的问题变得极为关键。而解决质量问题的灵感却出人意料地来自凝聚态物理学。固体里的超导现象和铁磁现象是因为势函数在序参量空间里的自发对称破缺而导致的。粒子物理学里，在众多人的努力之后，由希格斯提出质量生成的机制。世界上存在一个标量势场。当这个势具有自发对称破缺的特性，就会在场相互作用里自动赋与交换粒子以质量。在规范场理论里，交换粒子就是规范玻色子。这个场称为希格斯场。在规范场环境里，希格斯场可能会导致零质量的玻色子。但是它们可以由规范变换消除。另外，希格斯注意到局域规范不变性会产生一个有质量的标量玻色子。我们称之为希格斯粒子。因为我们无法知道希格斯粒子的质量，寻找希格斯粒子一直是实验粒子物理的挑战。到2012年，欧洲核子研究中心的大型强子对撞机的能量升级到十四万亿电子伏特。人们经历近五十年的探索，最后在能级扫描中发现神秘的希格斯粒子。它的静止质量有一千两百五十亿电子伏特，相当于一个氙原子的质量。希格斯粒子是完成标准模式的最后一块拼图。另外再说一下，费米子的质量来自于和希格斯场的汤川耦合，借用了汤川秀树的核子和介子的作用形式。

1967年，温伯格用希格斯机制研究质子和中子的质量差的问题，发现总会出现一个零质量的玻色子，百思不解。九月份的一天，温伯格突然明白了，那个零质量粒子其实就是光子。他的方法是对的，只是用在错误的问题上。温伯格马上转向弱相互作用的研究，得到传递弱作用力的带电性的W+和W-玻色子和电中性的Z玻色子。由希格斯场分离出来另一个电中性的玻色子就是光子，参与电磁相互作用。温伯格就建立了一个自洽的弱电统一理论。1970年，年轻的特·胡夫特完全了关键而又困难的最后一步，证明弱电统一模型是可重整化的。现如今，基本粒子模型必须有杨-米尔斯规范场形式和可重整化性。不同的相互作用可以有不同的对称特性。

--写于2022年7月30日（图片来自）