博雅塔下宜聆教，未名湖畔好读书，虽然暂时无法和来自五湖四海，心怀高远志向的你面对面相聚在燕园，但是北大依然敞开怀抱，用更加新颖的方式与更具深度的分享向你全方位展示一个充满魅力的学术殿堂。云游北大，赏遍湖光塔影，体验衣食住行；线上讲座，聆听大师教诲，感悟成长故事。这是一场短暂而充实的旅行，带你领略燕园四年风景，体味北大百廿精神。

演讲者介绍

高原宁，实验物理学家，北京大学“博雅”讲席教授、物理学院院长，核物理与核技术国家重点实验室主任，中国科学院院士。、年先后获北京大学物理系学士学位和博士学位。－年，在中国科学院高能物理研究所、英国伦敦大学皇家霍洛威分校、美国威斯康星大学麦迪逊分校、清华大学从事研究工作，主要研究领域为粒子物理实验。自年起组建并领导欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机底夸克探测器（LHCb）实验中国研究团队，年首次发现五夸克粒子年首次发现双粲重子。年获国家杰出青年科学基金资助；年获中国物理学会王淦昌物理奖，年获陈嘉庚科学奖数理科学奖。

讲座内容

各位同学，各位家长：

非常高兴在北京大学优秀中学生寒假学堂跟大家见面。两年前，我曾经在北京大学校园开放日做过一期讲座；当时，就感觉很多同学对北大物理百余年的发展进步如数家珍，招生简章上也有更详细的介绍。喜欢物理的同学来到了北大以后，还有很多很多知识要学，还有一摞一摞教科书要读。今天的时间比上次稍微充裕些；作为一位对你们来说已经很老的物理学家，这里，我想给大家讲几则自己在专业学习和研究中所遇到的小故事，跟大家分享一些个人体会。

我所从事的专业叫粒子物理学（particlephysics），也叫做高能物理学（high-energyphysics）。科学的很多重要研究方向都在试图回答一些很古老的问题。出于人类对自然界的好奇心，几乎所有文明都会问：组成世界的基本单元是什么？面对纷繁的自然界，几乎所有文明都认定：它应该由一些更基本的单元组成。这也是粒子物理学要回答的问题。当然，我们只知道基本的粒子像“盖楼的砖块”是不够的，还需要知道怎样把它们黏合起来，这些基本的粒子怎样组成我们的世界；用一种比较专业的语言来说，就是它们之间的相互作用是什么。

在追寻这个答案的过程中，人类取得了一系列非常伟大的成就。上图是与20世纪所建立的粒子物理标准模型（standardmodel）相关的数十位诺贝尔物理学奖获得者。让我们先来看看：粒子物理的标准模型到底是什么？

粒子和场

由此引出我的第一个故事——粒子和场。所谓基本粒子是什么呢？物质是由原子、分子组成的，这是大家在中学学到的。我们已经知道，原子不是基本的粒子，而是由原子核和核外电子组成的；原子核也不是基本的单元，而是由质子和中子组成的。我们后来又知道，质子和中子依然不是基本的单元——实际上，更基本的粒子是夸克（quark）。然而，电子迄今看来依然是基本的粒子。在目前的实验能力下，我们尚未看到所谓基本粒子呈现任何内部结构。

夸克如果按尺度来说，比原子小很多很多。从图中我们看到，六种夸克，加上它们的反夸克，一共有12种夸克；电子和其他五种轻子，加上它们的反粒子，一共有12种轻子；此外，有一些传递相互作用的粒子。当然，还有一个非常奇特的粒子，后面会讲到——按照现代粒子物理标准模型，这些就是组成自然界的最基本的“砖块”，好像理解起来并不算太难；就像盖楼似的，先用夸克“盖”成质子、中子，再用质子、中子“盖”成原子核，一层层盖上去。但是，刚才讲过，我们不仅要理解“砖块”是什么，还要理解“砖块”和“砖块”是怎样黏合在一起的。这时就会发现，对于基本粒子这样一类奇特的研究对象，过去所学的很多理论知识是不够用的，我们没有办法真正地描述它的运动。很多同学可能知道，如果客体是宏观大小、低速运动的，基本上就是我们的日常经验，也就是大家熟悉的牛顿力学，众所周知的三个定律。如果速度比较高，例如说在接近光速的时候，牛顿力学就不能用了，这时需要用爱因斯坦的相对论；如果尺寸比较小，比如说到原子、分子尺度，牛顿力学也不能用了，这时需要用量子力学。我们现在所面对的基本粒子的特征与这三类情景都不太一样，它们处于一种非常极端的情况——既在微观尺度，又在高速运动，而且会有产生和湮灭——这一点非常重要。

我们拿一个τ子的衰变举例：它有一定机会衰变成μ子加上两个中微子，也有一定机会衰变成比它轻的电子加上两个中微子。如果把一个τ子装进盒子，盯着看，它会在某个时刻突然无踪影，盒子里却出现了三个其他的粒子。大家在生活中一定没有碰到过这样的“奇事”。有些同学可能不以为然：“这有什么值得大惊小怪的呢？化学反应中有很多类似的现象，例如说水变成氢气和氧气。”实际上，二者是完全不一样的：氢原子和氧原子是一直存在的，没有发生变化，电解过程使它们从两个水分子重新组合成两个氢分子和一个氧分子；可以说，反应前后元素是守恒的，没消失什么，也没产生什么。

刚才讲的τ子衰变可能有些令人费解。大家不妨这样琢磨：τ子本来就不是基本的粒子，而是由μ子等三种粒子组成，相当于先打成一个包裹，而后包裹突然散开了。显然也讲不通，因为τ子还有其他衰变方式，包裹里不可能忽而装着这几个粒子，忽而装着其他几个粒子。

我们需要用什么样的理论框架才能解释这个问题呢？这就是所谓量子场论（quantumfieldtheory,QFT）的基本概念。

大家可能在中学接触过“场”的一点知识，比如说电场。场好像是在空间到处弥散的；而粒子是很实在、透不过去的——实际上，这样的粒子和场在量子场论的逻辑下可以统一起来。我们的世界首先充满了各种场，每一种粒子都对应一种场；场才是最基本的，被激发以后会呈现粒子的特征。

如果所有的场都处在基态，也就是能量最低的状态，那么，所有的场我们都看不到，也就意味着物理真空。换句话说，所谓物理真空并不是“真”的“空”的，而是说所有的场都处在基态的状态。

建立起这样一种描述，τ子的衰变就容易解释了：例如说，真空里有很多场，图中横向直线表示基态场。这时候，一个τ子被激发起来，相应的场就处于激发态；过了一段时间，这个场突然回到基态，把能量传递给其他场，于是接受能量的场被激发起来（我标记红色的地方表示反粒子的场）。这是不是就比较像前面给出的反应式了？我们只是说一个场被激发起来或者回到基态；并非真的有什么东西产生或消失了。如果激发的不是这个场，而是其他的场，那就是另一个反应式了。

这个模式常常让我联想到，自然界就像一把提琴。场处在基态时，相当于每一根琴弦都处于被拧紧的静态；当任一琴弦被拨动时，跳跃出一个音符，相当于产生了一个基本粒子。如果把粒子作为场被激发的呈现比做琴弦上被拨动的音符，我们的自然界就是用这把提琴所演奏的美妙乐曲。

在量子场论的理论框架下，粒子物理标准模型可以被写成图中这位先生T恤上印着的方程——看上去如此简洁，却令人震撼地描述了目前已知的标准模型的全部内容和基本粒子的所有知识。而且，这样一个模型和理论框架具有超强的预言能力。

把方程展开以后，一个粒子物理专业的学生可以写出很丰富的内容。一串串的方程令人眼花缭乱，实际上蕴含着一件不可思议的事情——其中每一项都在告诉我们基本粒子之间可能的相互转换，而前面的系数就是转换的机会；也就是说，仅仅在如此简约的几条理论假设之下，我们竟然就可以预言如此多的基本粒子之间的相互转换，并且明确转换几率。

从这张转换几率预测图中可以看到，不同过程的转换几率相差8～9个量级，而理论推测和实验测量结果几乎非常精确地重合。所以，我们有时候会由衷地叹服：第一，自然界的的确确是有规律的；第二，人类的的确确可以发现、掌握这些规律。粒子物理标准模型正是我们人类写就的最漂亮的一份乐谱。

以上就是我给大家讲的第一个故事；事实上，故事的大部分内容是四十年前读大二的时候，在日后成为我研究生导师的高崇寿先生课上听到的。高老师是一个说话和办事都特别慢条斯理的人。此刻，他描述这个理论时的一板一眼犹在耳畔，我自己也仿佛又一次感受到这个理论引起的内心的撼动——这就是我要学的专业！非常惭愧，我终究没能继承高老师从容不迫的神韵。在北大，有很多学富五车、才高八斗的老师，跟邻家哥哥、邻家叔叔和邻家爷爷那般不起眼，然而，当你走进他们的课堂，聆听他们的讲授，总会不自禁地被他们的名师风范所折服。希望同学们或早或晚能够坐在北大的某间教室里体味和感悟，更希望你们能够像我一样，找到始终激发自己好奇心、持续激励自己求知欲的专业。

什么是质量？

接下来的第二个故事也是一个很简单的问题——什么是质量？质量是大家初中就学了的。F=ma是高中课本里最常见的，其中F和a是矢量（或者叫做向量，即既有大小、又有方向的量），这里的m叫做惯性质量；而牛顿万有引力定律中的质量叫做引力质量。我们今天只讨论前者。惯性质量和引力质量虽然具有完全不同的来源，但在实验上被发现几乎是严格相等的。这一点的背后隐藏着自然界一个非常深刻的秘密，最终促使爱因斯坦发现了广义相对论。

基本粒子的质量比起我们的宏观客体是非常小的，如果以千克（kg）来衡量，就太不方便了。在粒子物理领域，我们利用E=mc2这个关系式，通常把一个基本粒子的质量表示为eV/c2的形式，例如电子的质量me大约是0.5MeV，质子的质量mp将近1GeV。

质量在我们的世界里是一个非常重要的概念。同学们可能知道，质子和中子的质量已经分别被测量得很准确了，后者比前者重大约1‰，这对人类非常关键。由于中子比质子略重，所以中子是不稳定的，可以衰变成质子、电子加上中微子；而质子是稳定的，不会发生反向的衰变——这就意味着我们可以有氢原子！假设质子和中子的质量对调，质子就不稳定了，而如果稳定的是中子，它的外面不可能束缚一个电子，那么世界将完全不一样。不得不承认，我们今天依然困惑“千分之一”是怎么一回事。中子比质子重，但又不能重得太多，否则原子核会不稳定。这些非常奇妙的毫厘之差保证了我们身处的世界是今天这幅景象，然而背后也许包含着自然界又一个非常深奥的秘密。

基本粒子也具有质量，且大小迥然不同。质量最轻的中微子和质量最重的顶夸克竟然差13个量级，令人难以理解。大家可以从一个理论的角度提问：基本粒子为什么要有质量？其质量或微小或巨大的区别里到底隐藏着怎样的奥秘？

关于基本粒子的质量，我们也许应该从九年前讲起。年，对现在的同学们来说，可能早已是过去时了；我们这代人还记得，当时充斥着很多令人不安的传说，当然，这一年最终非常平静地度过去了。

然而在世界科学前沿，年是一个非常不平凡的年份。在著名的美国《科学》（Science）期刊评选出的年度科学突破中，第一项就是欧洲核子研究中心（ConseilEuropéennpourlaRechercheNucléaire,CERN）大型强子对撞机（LargeHadronCollide,LHC）上发现被称为“上帝粒子”（Godparticle）的希格斯玻色子（HiggsBoson），我们中国的大亚湾中微子实验发现新的中微子振荡模式也榜上有名。这两个实验项目在同一年取得振奋人心的重要发现，多少有些巧合。从另一个角度来看，中国科学家在粒子物理领域的工作已跻身国际前列，但是与最高水平还有一定距离。

为什么希格斯粒子如此令人瞩目呢？实际上，它与质量有关。年，彼得·希格斯（PeterHiggs）等六位科学家提出了一个对粒子物理领域来说具有划时代意义的理论设想；直到年，这一后来被叫做希格斯机制（Higgsmechanism）的理论才首次在实验上得到证实。

上世纪90年代我在国外做博士后的时候，英国皇家学会拿出大约几千英镑，鼓励专业人士用通俗易懂的语言向公众普及什么是粒子物理、什么是希格斯机制，经过若干选拔以后，漫画中的这个小故事获奖了。尽管作者自嘲作品“糟透了”，我们粒子物理学界还是只能面对大众一遍遍地无奈复述：

把空间遍布希格斯场想象成很多人在一间屋子里聚会，有人坐着，有人站着，有人喝酒，有人聊天。这时候，一个人推门而入，看上去显然是爱因斯坦的形象。由于他很有名气，人们纷纷过来跟他碰杯、打招呼，于是在他身边就会聚集起一伙人。大家可以设想自己在一个很拥挤的空间里遇见很多熟人，这时候你走不快，因为要不断地跟人问好，同时却又不能不走，因为被周围的人挤着、推着——你的运动状态很难改变，这就叫做惯性。在刚才的场景里，如果进来的是一位像我这样没什么名气的人，很轻松地就走过去了，相当于有些粒子，例如说电子，跟希格斯场的相互作用非常弱，很容易地就穿过去了；如果进来了一位大人物，例如说真是爱因斯坦，很多人簇拥过去，他就寸步难行，相当于粒子质量比较重。

这个小故事听上去很有想象力。几乎所有的基本粒子在跟希格斯场发生相互作用时，会被赋予质量。然而，物理学的理论预言必须要被实验证实。假设自然界真的存在所谓希格斯粒子或希格斯场，就相当于一把提琴上有一根被叫做希格斯场的弦，一旦这根弦被拨动，就会激发出一个被叫做希格斯粒子的音符。如果观测不到希格斯粒子，我们就无法证明希格斯机制是正确的。于是，在之后的48年里，人类竭尽所能，造了一台台新的加速器，提升到更高的能量，一次次使粒子获得更高的速度，然后对撞，试图拨动停在真空中奇特的琴弦，却一次次得到令人失望的负面结果；唯一得到的有效信息是：希格斯粒子如果存在的话，质量会更重。从上世纪80年代我正式踏入粒子物理的门槛，到年我从欧洲核子研究中心回国，近距离地目睹了人类为此付出的巨大努力。

新世纪以来，随着当前世界上最大、能量最高的大型强子对撞机建成并运行，年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，超环面仪器（ATLAS）和紧凑缪子线圈（CMS）实验分别发现了希格斯粒子，将人类近半个世纪的苦苦求索和期盼推向光辉的顶峰——“Ithinkwedidit”“Ithinkwehaveit”（时任CERN总干事洛夫-迪特·霍耶尔（Rolf-DieterHeuer）语）！这个粒子的确很重，其质量mH几乎是质子质量mp的多倍。

今天重新翻看CERN新闻发布会的照片，依然会为现场洋溢的笑容、热烈的欢呼和掌声所感染。右上图中被拍到摘下眼镜、擦拭眼角的就是希格斯，当时已经83岁了；他和弗朗西斯·恩格勒（FrancoisEnglert）应邀前来见证这一值得全人类欢欣鼓舞的时刻，第二年同获诺贝尔物理学奖。左上图中穿红色上衣的女士是ATLAS实验组当时的发言人、现任欧洲核子研究中心总干事法比奥拉·吉亚诺蒂（FabiolaGianotti）；我回国前曾经与她共事过。在粒子物理领域，有很多像吉亚诺蒂这样能力超群、成就卓著的女科学家，借此也非常希望有更多的女生学物理，来北大学物理。

希格斯粒子大概是人类历史上最奇特的一个粒子，到目前为止，我们对它的了解非常少，很多细节性质都还不清楚。进一步了解希格斯粒子，可能会跟很多重要的、未知的领域产生联系，例如说有些同学听说过的暗物质、暗能量、宇宙中物质-反物质不对称（或者叫做电荷-宇称不守恒）；它的一些重要性质甚至可能会推动对宇宙早期演化的研究，例如说在宇宙大爆炸后的一瞬间宇宙介质到底是经历了一级相变还是二级相变。

在接下来10～20年间，对希格斯粒子展开深入研究，应该是世界，也是我们中国高能物理最前沿的方向。基于现有情况，制定了多个专门的大科学计划，例如日本的国际直线对撞机（ILC），欧洲则打算在大型强子对撞机（环形隧道周长约27千米）完成以后再造一个环长80～千米的未来环形对撞机（FCC），这无疑将是又一个令人期待的超级大科学装置。当然，中国高能物理学家也提出一个计划，叫做环形正负电子对撞机-超级质子对撞机（CEPC/SPPC），拟分别采用千米和50千米周长的环形隧道，其中CEPC的《概念设计报告》在年11月已经正式发布，选址也一直在同步进行。

这就是我讲给大家的第二个故事。希格斯机制只告诉我们基本粒子的质量来源，却依然没有解释为什么基本粒子的质量大小相差13个量级，电子与希格斯粒子的耦合如此弱，而顶夸克与希格斯粒子的耦合如此强。所以说，发现希格斯粒子是起点，而不是终结。

技术发展与国际合作

我所研究的粒子物理和其他一些听起来很高深的学科，很多时候可能会被大家认为是“无用之学”，然而，它们对我们的日常生活和经济社会发展究竟有哪些实用意义呢？

希格斯粒子的发现不仅具有非比寻常的科学意义，更是一个里程碑式的重大事件，引发全球数千家媒体争相报道。首先，它在理论上标志着粒子物理标准模型的完备——至此，所有被预言的粒子都找到了。全世界上万名科学家和工程师跨越国界、种族和信仰，集聚智慧和力量，将人类对微观物质和宏观宇宙的认知推向前所未有的高度。发现希格斯粒子的ATLAS（右上图为其内部结构的局部）也是大型强子对撞机四个大型探测器中最大的。同样值得

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