希格斯場與物理學中其它場之間存在顯著不同。其它場都存在強度的變化，並且在其最低能級時強度降為零。但希格斯場並非如此。即便你將空間徹底清空，你永遠無法清除希格斯場，它無法被關閉，它永遠鬼魅般的存在著。但我們不會注意到它，它就像空氣對於我們，水對於魚兒們一樣自然。但是離開了它我們卻將不復存在，因為正是藉助於與這一場之間的相互作用，粒子才獲得了質量。正是這一過程讓原子和分子的形成成為可能。如果希格斯場突然消失，所有物質都將瞬間崩潰解體，因為在這一瞬間沒有質量的電子將會以光速從原子中逃逸。

那麼究竟是什麼讓希格斯場如此與眾不同？它打破了自然界精妙的對稱性。在自然界，到處體現著對稱性：你的臉基本是對稱的，花朵，雪花，它們都顯示著某種對稱的特點。物理學揭示出其它一些描述我們世界的對稱性，儘管其所在的層次可能會更深一些。舉一個相對簡單的例子，對稱性要求當你做一個實驗時，不管你是在斯德哥爾摩還是在巴黎，你應當會得到相同的結果。對稱性也規定，你在不同的時間進行相同的實驗也應當會得到相同的結果。愛因斯坦的狹義相對論在時空框架中討論對稱性問題，它已經構成許多其它理論的基石，如粒子物理學中的標準模型。標準模型中的方程式都是對稱的，就像一個球體，無論你從哪個角度觀察，它都是一樣的。相似的，標準模型給出的方程式，即便觀察者的角度發生變化，這些方程也不會有所改變。

這種對稱性也會產生一些意想不到的結果。在1918年，德國數學家Emmy Noether發現一些物理學中非常基本的守恆定理背後也是對稱性，如大家熟知的能量守恆以及電荷守恆定律。

然而這種對稱性也會帶來一些嚴苛的要求。一個球必須是完美的球體，任何一點突起都會損害其對稱性。對於方程式來說，情況也是類似。在標準模型框架中不允許存在有質量的粒子，現在我們知道，這明顯是不符合自然界實際情況的。因此這些粒子一定是從外部，以某種方式“獲得”了質量的屬性。而這，正是此次物理學獎所獎勵的成果：它提供了一種機制，既保全了這種對稱性，又將其掩蓋了起來。

你看不到對稱性，但它依舊存在

我們的宇宙誕生時可能是對稱的。在大爆炸發生時，所有粒子都不具有質量，所有的力都統一為一種單一的原始力形式。但這最初的秩序已經不復存在——這種對稱性已經被隱藏起來。這件事大約是在宇宙大爆炸之後10-11秒時發生的，希格斯場失去了其最初的平衡態。但這一切為何會發生？

一切都是以對稱形式開端的。這一情形大致可以用一隻被置於一個圓形碗內的一個圓球來描述，即位於其最低能級態。當其受到一個推力，這個球開始轉動，但很快它又會回到最低能級態。

然而，如果這個碗的中心部位出現一個凸起，那麼這個球位於碗中央的部位就不再是穩定的了，儘管它此時仍然保持了對稱性。此時這個球會向四周任何方向落下去。在這個球落下去之前，這個碗都一直是對稱的，但一旦這個球落下去，這個球偏離了碗中央位置的外表掩蓋了碗本身仍然是對稱的這一事實。相似的，希格斯場打破了這種對稱性並在真空中找到了一種穩定的能級態，但這一能級態是偏離能級為零的位置的。這種自發的對稱性破缺也被稱作希格斯場相變，就像是水變成冰。

要想發生相變，需要4種粒子，但是其中只有一種粒子，即希格斯粒子可以倖存下來。其它3種都會被弱核力消耗：即兩種帶電的W粒子，以及一種Z粒子，在這一過程中，這三種粒子獲得了質量的屬性。透過這一途徑，標準模型中弱電磁力的對稱性得以保全——即三種弱核力控制下的重粒子，以及電磁力控制下沒有質量的光子之間的對稱性得到儲存，只是從視野中被隱去了。

極端物理學的極端機制

今年的這兩位獲獎者或許沒有想到他們當年提出的這項理論會有機會在他們的有生之年得到驗證。為了驗證他們的理論，來自全球各地的物理學家們做出了巨大的努力。長期以來，兩個著名的實驗室——美國芝加哥的費米實驗室，以及位於歐洲法國和瑞士邊境地區的歐洲核子中心(CERN)，一直致力於對希格斯粒子的搜尋工作。然而隨著數年前美國費米實驗室Tevatron加速器的停擺，歐洲核子中心就成了全球範圍內仍然能夠開展希格斯粒子搜尋工作的唯一機構。

CERN創立於1954年，當時建立的目的是想在二戰的浩劫之後重建歐洲的研究工作，以及歐洲各國之間的相互關係。目前這一機構擁有20個成員國，全球則共有超過100個國家參與到了這一機構的合作關係當中。

CERN最大的成就便是這裡建成了大型強子對撞機(LHC)裝置，這可能是人類有史以來建成的規模最大，技術最複雜的機器。兩個研究組：ATLAS和 CMS，每個都由超過3000名科學家組成，在這裡全力搜尋希格斯粒子的蹤跡。其探測器被安置在地下100米深處，每秒可以觀測4000萬次粒子對撞事件。在LHC裝置長達27公里的地下隧道中，兩束粒子流被以相反方向射出併發生對撞。

每隔10小時，科學家們會從相反方向各發射一束質子流。1億億個質子堆積在一起並被壓縮成一束狹窄的粒子流——這非常不容易，因為質子帶有正電荷，它們會互相排斥。隨後這一質子流被以99.99999%的光速發射出去，當撞擊發生時，每個質子的能量約為4 TeV，兩兩相撞時總體則約為8 TeV(1 TeV=1萬億電子伏特)。1TeV聽上去可能並不是很大的能量，其或多或少也就與一隻飛行中的蚊子相當，但當這些能量被壓縮在單個的質子之中，並且你同時擁有500萬億個這樣的質子在加速器中瘋狂執行，其具備的能量則與一輛全速行進中的火車相當。而經過升級改造，到2015年，LHC能夠達成的能級還將翻一倍。

謎中之謎

粒子實驗有時被比作同時砸碎兩塊瑞士手錶以檢查它們的結構，但它實際上更加困難，因為科學家要尋找的是全新的粒子，它們是碰撞釋放出的能量所創造出來的。

根據愛因斯坦的著名公式E = MC 2 ，質量是一種能量。正是這個神奇的方程式使兩個物體在碰撞時能夠創造出新的物質，即使對無質量粒子來說也是如此。兩個光子碰撞會產生一個電子和它的反粒子——正電子；如果如果能量足夠高，兩個膠子碰撞能夠產生一個希格斯粒子。

質子像裝滿了粒子——夸克、反夸克和膠子——的小袋子。這些粒子中的大多數彼此相安無事，兩個粒子群相撞時，平均只有二十個粒子會完全正面碰撞。在10億次碰撞中，只有不到一次碰撞是進行到底的。這可能聽起來不多，但每一次這樣的碰撞都會導致約一千個粒子的劇烈爆炸。當能量達到125 GeV時，希格斯粒子的質量居然超過質子一百倍，這就是為什麼它是如此難以被創造出來的原因之一。

然而，這項實驗還遠沒有結束。CERN的科學家們希望在未來數年內取得更大的突破。儘管他們發現希格斯粒子這件事便已經可以載入史冊，這是標準模型中缺失的一環，但是這並不就意味著我們揭開了宇宙的終極奧秘。就舉其中一個例子，根據標準模型，中微子應當是沒有質量的，然而近期的一些研究卻發現這種粒子似乎的確擁有質量。另一個原因是，標準模型只能對可見物質進行描述，而可見物質僅僅佔到整個宇宙中所有物質總量的1/5左右。我們對於神秘的暗物質的本質仍然知之甚少。

在介紹這個話題之前，我想先提一下，這篇文章並不是什麼很新的東西。電弱真空（不）穩定性這個話題是一個老話題了。

好了，進入正題。

我們暫且不管什麼希格斯（Higgs）場，只考慮以下一個量子力學問題。設想我們有一個粒子在以下勢場中運動，粒子一開始靜止處在較高的勢井中。在經典力學的情形下，粒子是穩定的，因為它沒有額外的動能去越過它旁邊的勢壘，因此它可以穩定地待在那兒。但是我們知道，在量子力學的情形，由於量子漲落，粒子有一定的機率隧穿到更低的那個勢井裡面【註釋1】。這就是著名的量子隧穿。

右側粒子處在經典上穩態，而量子上亞穩態上。可以透過量子隧穿過程隧穿到左側整體穩定態上。

那麼如果我們把上面的粒子替換成場會怎麼樣呢？場與粒子的最主要的區別是自由度的多寡，但除此之外影象上基本是一樣的。對於一個場，它同樣也具有勢能函式。事實上，上圖中就可以是一個場的勢能函式。橫座標的 正是常見的物理學家用於表示場的字母。為了明確起見，我們給出以下第二幅圖。

過程

上圖形象地表示出了量子隧穿過程，即一個場從一個勢能局域最小點但非整體最小點，量子隧穿到勢能整體最小點的過程。當一個場處在勢能（局域或者整體）最小值的時候（所謂的基態【註釋2】），我們都說這個場處於真空態。這是因為，在量子場論裡面，我們的物質粒子是場的激發，當場處在基態時就沒有任何粒子，因此係統處在真空態。我們把亞穩態的那個真空態稱為假真空，而把整體穩定的那個真空態稱為真真空。而把上述場的隧穿行為稱為假真空衰變，有時候簡稱真空衰變。

上述一個真空衰變過程與一個熱力學一級相變過程極為相似。實際上，在數學上它們的描述完全等價，但我們對此不予介紹。對於熱力學一級相變，我們最常見到的一種就是在沸騰的水中凝聚出泡泡。類似地，在真空衰變過程中，同樣會有一個真真空泡泡在假真空的海洋裡凝聚出來。這個凝聚出來的真真空泡泡會迅速長大。從而佔據越來越多的地方，直至原先處於假真空的空間全部被真真空填滿。這就是所謂的宇宙毀滅的影象來源。

真空泡泡在假真空的海洋裡凝聚出來。圖中泡泡裡的物質（星系等）可以由真真空泡泡裡面的一些物理過程（重加熱，reheating）產生。

現在我們來具體說說，上述所說的真空衰變有可能在實際物理過程中出現嗎？答案是有的。原因在於一個特殊的場——希格斯場。我們一般看到的希格斯場具有以下勢能函式。

希格斯場在原點附近的勢能。但是向兩邊擴張，勢能曲線可以往下彎產生更低的勢能最小點。

而我們就處在圖中的整體最小點（上述左右兩個最小點實際是連通的，因為上述勢能圖實際上應該是三維的，你可以想象一下將圖中曲線沿著縱軸旋轉，你會得到一個啤酒瓶底一樣的影象，物理學家通常把它叫做墨西哥帽子），因此看上去似乎沒有比我們的真空的勢能更低的點了。但是問題在於，這個勢能圖只是局域的勢能圖，當往兩邊繼續畫下去，這個勢能曲線有可能重新往下彎並且產生一個比我們所處的真空勢能更低的真空態。這樣，我們所在的真空就稱了假真空態了。

事實上，這個勢能是可以計算出來的，物理學家發現果真如此。在場值很大的時候，希格斯場的勢能函式具有一個更小的極值點。因此我們所處的真空就可能發生衰變。但是請大家放心，物理學家算出來的這個衰變機率很小很小，衰變週期是宇宙的年齡的10的200次方倍（這是印象中的數字）。總之機率很小很小就是了。

註釋1： 在這裡需要注意一個微妙性，在量子力學裡面，粒子是無法靜止的，因為靜止這個概念說明粒子同時擁有確定的位置和動量（動量為零），而這違反量子力學的不確定性原理。因此，在量子力學裡面，我們實際上是考慮一個粒子處在較高勢井裡面接近基態的某個共振態。

註釋2:：如同註釋1，場所處的基態也不是場位形本徵態。

希格斯場是空間量子態的結果，它遍佈於整個宇宙，至少在銀河系廣大的非極端區域是穩定的。希格斯場是破壞其他場原始對稱性的力量，比如它破壞了W和Z玻色子的原始場的對稱性才產生了質量。希格斯場是上帝之場。