假如有一天你去动物园，观赏完千姿百态的动物之后，有些问题或许会萦绕于脑际：为什么大自然会创造出如许多的动物？为什么它们在外貌、习性上差异会那么大？
你瞧，大象可谓是庞然大物，可是松鼠却小到可以被人托在掌上；海龟能活上百岁，而老鼠呢，寿命只有几年……不过话又说回来，更可能的是，你压根儿不会去想这些问题，当有人这样问时，甚至还会反驳说：“事情本来就如此嘛，提这种问题有意义吗？猴子之所以是猴子，那是因为它是猴子，要是它长成了老虎，我们还会叫它猴子吗？”
然而，学过生物学我们就知道了，上述问题不仅有意义，而且已经有了标准答案：动物们之所以形态习性各异，那是因为它们拥有一套不同的遗传密码，这套密码决定了它们该长什么样，该有怎样的习性。至于为什么它们拥有的遗传密码不一样，那又是进化的结果：数十亿年前它们也一度有过共同的祖先，后来经过漫长的进化，才变成了不同的物种。
好乱的“粒子动物园”
粒子物理学家也经常把他们与之打交道的基本粒子们比喻成动物园。所谓基本粒子，就是指在目前阶段被物理学家们认为不能再分的粒子。比如说，质子是由3个夸克构成的，夸克目前被认为是不可分的，所以夸克是基本粒子, 电子也被认为是不可分的，所以电子也是基本粒子;但质子就不是了。对于基本粒子，我们认为它们是没有内部结构的，所以体积为零。
在物理学上，是用质量（除非特殊说明，一般指静止质量）、电荷、寿命、自旋等几个量来表征一种粒子的。基本粒子在某些方面有着霄壤之别。就拿质量来说，顶夸克是迄今发现的质量最大的基本粒子，是电子质量的35万倍，而光子的静止质量压根儿为零，没什么负担的光子自然能够飞速奔跑。
上世纪五六十年代是粒子物理学发展的黄金时代。随着许多大型加速器的建造和投入使用，这座“基本粒子动物园”里隔一阵子就有新粒子添加进来，最后数量变得颇为壮观。
这么多粒子眼花缭乱地摆在一起，够让人心烦的。粒子物理学家们起初也并没有想到去问“为何它们有如此这般的质量？”。质量一贯以来被认为是物质的基本属性，这样的问题被认为是没有意义的。他们只是想把这些粒子归归档，便于理清它们之间的关系。
可是，令他们自己也想不到的是，在归档的过程中，竟然把质量的起源问题也做出了解答……不过这是一段很长的故事。
爱因斯坦最后的梦想
故事还得从20世纪最伟大的物理学家爱因斯坦说起。我们知道，爱因斯坦一生的主要成就都是在40岁之前取得的：26岁，发表狭义相对论和光量子理论；36岁，发表广义相对论。此后，基本上没取得特别大的成就。
那么，晚年爱因斯坦都做了些什么？难道叼着那个大烟斗游山玩水去了不成？不，其实他一直没闲着，只是脱离了当时物理学的主流，去做一件大家认为“难于上青天”的事情：把4种基本作用力统一起来。
自然界中的4种基本作用力分别是：万有引力，即让星系聚集成团、让地球绕着太阳转、让我们得以站在地球上的力；电磁力，即把电子束缚在原子核周遭以形成原子，以及主宰物质化学性质和化学反应的力；强核力，即让质子、中子抱成团形成原子核的力；弱核力，即让原子核衰变的力，没有它，太阳上的核反应就不会点燃。前两种力是长程力，它们的作用范围理论上可以达到无限远，而后两种力都是短程力，一旦跨出原子核，就急剧下降，变得微乎其微了。
这么一个纷繁复杂的大千世界，靠4种基本作用力就能“管理起来”，在我们看来已经够简单了吧，可是在爱因斯坦看来，4种还是太多了，这4种力应该可以统一成一种，因为这位倔强的老头有个坚定的信念：自然是简单的。也许宇宙本质上只有1种基本作用力。
当爱因斯坦投身于这一宏伟计划的时候，应者寥寥。相反，许多人为他在八字没一撇的事情上虚耗精力感到痛心。而且正如人们所料，他没等实现自己的夙愿就离开了人世。
质量：绕不开的问题
没想到20世纪下半叶，爱因斯坦的“大统一”思想在新一代物理学家中找到了众多追随者，并逐渐演变成了物理学的主流。这些物理学家有一个爱因斯坦所没有的优势：他们衷心接受量子力学，并从量子理论的基础之上来研究大统一；而众所周知，爱因斯坦晚年对量子力学是采取拒绝、排斥态度的。
早在1950年代，狄拉克、费曼等人已经把量子力学推广到电磁场的研究中。他们提出一个重要的思想：场是通过一些相互作用粒子来传递的。就拿两个电荷之间的静电场来说，经典物理学认为在两个电荷之间存在着连续的电场，电荷通过这个静电场发生相互作用。可是按新的看法，两个电荷的相互作用是通过不停地交换电磁场的传递粒子——光子来实现的，就好比两个人面对面站着，通过不停地传递球来实现互动一样。每一种场都有各自的传递粒子。
到了1963年，美国物理学家格拉肖率先提出，电磁力和弱核力尽管表面上非常不同，但在更深层次上有很大的相似性：它们的传递粒子都有着同样的自旋性质；电磁力中有电荷、磁荷、电流等概念，而在弱核力中，也有对应的弱“荷”、弱“流”等；所以，或许可以把这两种作用力统一成一种。格拉肖初步搭起了电磁力和弱核力统一的桥梁。
但是，要实现这一目标，有一个看似不可克服的障碍：电磁力是一种长程力，其传递粒子——光子的静止质量为零，而弱核力是一种短程力，虽然其传递粒子当时还未被发现，但根据其力程不难推算，它一定有很大的质量。
传递粒子一个静止质量为零，一个有很大的质量，差距很大，两种力如何统一？此外，在当时的理论模型中，出于对称性的要求，不允许夸克和轻子（像电子、中微子这样一些不参与强核力作用的粒子）拥有质量，这显然也跟观测事实不符。
这些难题都涉及同一个非常严肃的问题：为何不同的粒子会有不同的质量？粒子的质量是怎么来的？
于是，质量的起源原本被认为是用不着去深究的，现在却成了一个不得不回答的问题。
上帝粒子登场
1964年左右，以英国物理学家希格斯为代表的三个研究小组分别独立地提出粒子获得质量的一种机制，我们现在称其为希格斯机制。
这个机制这样解释质量的起源：在宇宙中弥漫着一种场，叫希格斯场。最初，宇宙在非常高的温度下，所有的基本粒子都是没有质量的。随着温度降低，它们开始与希格斯场发生作用，从中吸收能量，从而拥有了质量。因为作用程度不同，所以不同粒子的质量也不同。像顶夸克这类粒子，跟希格斯场作用的强度大，所以变成了沉甸甸的粒子，而像光子，不与希格斯场发生作用，所以静止质量始终为零。
如果把希格斯场比喻成一个游泳池，基本粒子比喻成游泳者，那么我们可以说，起初这些游泳者都是瘦子，体重都一样，只是泳技有三六九等之分。有的泳技精湛，游完也没呛一口水，所以体重保持不变；而有的泳技特别糟糕，游的过程中不知咽下了多少水，等上来（或者不如说捞上来）时，已经从一个瘦子胀成了一个大胖子了。其他的人呢，介乎两者之间，不同程度地喝了一些水，所以体重都有不同程度的增加。
1967年，物理学家萨拉姆和温伯格把希格斯机制应用到弱核力研究中，提出弱核力的传递粒子起初像光子一样是没质量的，后来才通过希格斯机制获得质量。这就解释了前面所说的电磁力和弱核力传递粒子质量不一致的问题。然后格拉肖又把他们的理论做了进一步的推广，认为所有基本粒子都是通过希格斯机制获得质量的。这样，电磁力和弱核力完成了统一。
希格斯场既然是一种场，那么也应该有其相应的传递粒子，这就是希格斯子。
唯一的“逃犯”
在统一了电磁力和弱核力后，又经过数代物理学家的努力，一个可以解释强核力、弱核力和电磁力的理论体系终于搭建起来了。这是粒子物理学迄今最完美的理论体系，一般称之为“标准模型”。
标准模型对粒子都有哪些说法呢？
第一，标准模型包含的基本粒子有61种。第一类是组成物质的粒子，包括夸克、轻子以及它们的反粒子。其中夸克18种，轻子6种(包括电子、μ子、τ子三种带一个单位负电荷的粒子，以及它们分别对应的电子中微子、μ子中微子、τ子中微子三种)，加上它们的反粒子共48种；第二类是传递相互作用的粒子，共12种；第三类是让基本粒子获得质量的粒子，也就是希格斯子。
根据质量的不同，物质粒子共分为三代，每一代都由2种夸克和2种轻子组成，一代比一代重。组成普通物质的基本粒子只有第一代夸克（即上夸克、下夸克）和电子。第二和第三代夸克构成的物质寿命都极短，只有在宇宙线或者高能加速器中才能找到它们的踪影。其他已知的粒子，要么可归入轻子家族，要么是由几个不同的夸克组成的。
第二，自然界有4种基本相互作用：引力、电磁力、弱核力和强核力。引力是通过设想中的引力子传递的（但因为标准模型还没有把引力统一进来，所以引力子还没有被计入标准模型的粒子数量之中）；电磁力是通过光子传递的；弱核力是通过W+、W-和Z0粒子传递的；强核力是通过8种胶子传递的。
在往后的岁月中，标准模型所预言的许多粒子都相继被找到，比如底夸克是1977年由美国费米实验室发现的；传递弱核力的3种粒子是在1983年找到的；顶夸克是1995年被发现的……
最后，标准模型预言的粒子中只剩了一种没有“缉拿归案”，它就是神秘的希格斯子。
有史以来最大、最复杂的机器
从前文中我们已经看到，希格斯子是标准模型的基础。如果希格斯场或者希格斯子不存在，那么标准模型就面临改写甚至推翻的危险。所以，寻找希格斯子就成了当务之急。
希格斯子一直没有露面，物理学家于是猜测，希格斯子的质量一定很大，超过了当时所有高能加速器的探测范围。所以要找到它，需要建一台能量超过以往任何一台加速器的对撞机——这就是后来建造的欧洲大型强子对撞机。
欧洲大型强子对撞机是人类有史以来建造的最大、最复杂的机器，周长为27千米，跨越瑞士和法国两国的边界。它能把质子加速到光速的99.9999991%，让其运动质量达到静止质量的7000倍。这个过程能模拟宇宙大爆炸后不足十亿分之一秒的环境。
然而据科学家的估计，大约每10
12
次的质子对撞，才有1次机会产生一个希格斯子。更麻烦的是，这种粒子一旦产生，存在时间大约只有十亿分之一秒，然后就衰变成其他粒子了。所以即使有了这么强大的设备，要找到它也仍然不那么容易。
上帝粒子现身，霍金认输
其实，早在大型强子对撞机还没建成之前，已经有迹象表明希格斯子确实存在。在过去的强子对撞机投入运行的三年里，也多次捕捉到了它的踪迹，但皆因误差太大而不敢肯定。尽管如此，希格斯本人对于这个以他的名字命名的粒子的存在是充满信心的，但大名鼎鼎的英国物理学家霍金由于不支持标准模型，却打赌希格斯子不存在。
经过多年的实验和数据积累，2012年7月3日，欧洲核子中心两个独立的研究小组终于宣布找到了一种新粒子，其能量在125～126G电子伏特（质子的静止质量大约为1G电子伏特），结果的可信度大约在99.99994%。虽然发现者只是谨慎地说发现了“疑似希格斯子的粒子”，但从各方面来看，基本可以肯定,新发现的粒子就是理论预言的希格斯子。标准模型再次被证明是经得起考验的。
霍金再次赌输了。许多人或许会对霍金竟然会在这样“大是大非”的问题上搞错感到不解。这其实是标准模型自身的缺陷造成的。因为标准模型哪怕再完善，至今也无法把引力统一进来，而这些年，有个后起之秀——超弦理论却有望实现这一点。但在该理论中，并没有希格斯机制。霍金对超弦理论情有独钟，所以对发现希格斯子不报什么希望。
如今，很可能是希格斯子的新粒子终于找到了，举世同欢。那么，大型强子对撞机的使命就此结束，可以歇工了吗？实验物理学家们下一步还有什么事情可做呢？且听下一篇文章分解。
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