物理群星
弗朗索瓦·恩格勒 肖像

图:Bengt Nyman,2013 年 12 月诺奖周新闻发布会(时年 81 岁)/ Wikimedia Commons / CC BY 2.0

弗朗索瓦·恩格勒

François Englert

1932–2026 · 生于比利时布鲁塞尔 · 比利时

粒子物理

战时靠陌生人藏匿活下来的孩子,与挚友布劳特最早写出了规范粒子获得质量的机制

诺贝尔物理学奖 2013 对亚原子粒子质量起源机制的理论发现(与希格斯同获)

「没有这些了不起的人,我们逃不过那场迫害,我今天也不会在这里讲述这一切。」

—— 2013 年诺贝尔奖自传,谈战时收留他的比利时村民(译自英文原文)

2013 年 12 月,恩格勒在斯德哥尔摩作诺贝尔演讲,开头就先交代:这个机制是罗伯特·布劳特和我一起构建的,「布劳特 2011 年去世了,留下我一个人来讲我们的故事」。

被藏起来的孩子

恩格勒 1932 年生于比利时。父母是波兰犹太人,1924 年抱着几个月大的哥哥移居比利时,靠一家纺织品店过上了还算体面的日子。

1940 年 5 月,纳粹德国入侵比利时。他那年七岁,已经很清楚发生了什么。迫害是一步步来的:先是被迫在衣服上佩戴犹太标记,几个月后,驱逐开始了。

全家四口都活了下来,靠的是一群根本不认识他们的人。 为了增加孩子活下来的机会,父母和他分开藏身。他被阿登山区吕斯坦村一对开咖啡馆的夫妇收留,他们的女儿教他弹钢琴——他后来说,那是绝望世界里的一线微光。

一次告密之后,一家人逃到另一个村子阿讷瓦。村里的神父对外说他们是基督徒,还给他施了洗,好让他能以普通学生的身份进迪南的天主教中学;哥哥则穿上一件假法衣,被送进一所神学院的预科学校。

他们在那里熬到了战争结束。留在波兰的亲人,一个也没有活下来。

从工程师到物理学家

战后他回到学校,噩梦还常常缠着他,但成绩很好。数学老师建议他去读工科,父母担心他将来的生计,也推他往那个方向走。1955 年他拿到了电气机械工程学位。

可他发现自己在意的不是怎么用,而是底下的理论结构。他一边在工学院当助教挣钱,一边重新读物理,1959 年拿到博士学位。

同一年,他得到康奈尔大学一个两年的研究职位,给一位年轻教授当助手。那位教授叫罗伯特·布劳特。他后来写道,第一次见面出乎意料地温暖。两人一起研究铁磁性、超导与相变的统计理论,都意识到对称性自发破缺在相变中的分量;南部阳一郎把这个概念搬进粒子物理,更让他们大受震动。

1961 年康奈尔想留他当教授,他谢绝了——他太想念欧洲。布劳特一家对旧大陆也有同样的向往:布劳特拿着古根海姆奖学金跟到了布鲁塞尔,几个月后干脆辞去康奈尔的职位,留了下来,后来还入了比利时籍。两人一起主持了布鲁塞尔自由大学的理论物理组。

1964:两张费曼图

他们在布鲁塞尔接着追问一个问题:如果把自发破缺放进规范场论,会发生什么?

规范场论的难处在于,局域对称性不允许传力粒子有质量,而弱力的载体偏偏很重(困境的来龙去脉见本站「希格斯机制与质量的起源」页)。自发破缺本身又会带出一个无质量的戈德斯通玻色子,现实里也找不到。两个麻烦叠在一起,看上去是死路。

恩格勒和布劳特的算法很像凝聚态物理学家的做法:让规范场在一片充满标量场凝聚的真空里传播,算这片真空把它「极化」成了什么样。两张费曼图加起来,结果在 q2=0q^2 = 0 处不为零——规范粒子有了质量。而那个碍事的戈德斯通玻色子不见了:它的自由度被规范粒子吃掉,成了规范粒子多出来的那个偏振方向。两个麻烦互相抵消了。

论文 1964 年 8 月 31 日刊出。希格斯独立得出同样结论的论文晚七周,古拉尼、哈根与基布尔的论文 11 月刊出。恩格勒在诺贝尔演讲里把它称作「BEH 机制」,三个字母依次是布劳特、恩格勒、希格斯。

他们的算法还藏着一个日后很关键的细节:极化函数的张量结构与量子电动力学里一模一样,说明局域对称性没有真的被破坏。1966 年他们与蒂里据此提出,这样的理论应当可以重整化。真正的证明要等到 1971 年,由特霍夫特完成。

宇宙的开端

这个机制很快被别人拿去搭标准模型,布鲁塞尔的小组则转向了别处:强相互作用与夸克禁闭、广义相对论与宇宙学。

1978 年,布劳特、恩格勒与贡齐格提出,宇宙在最开端可能经历过一段指数式的膨胀,并把它与宇宙本身的起源联系起来。这是后来被称为「暴胀」的思想最早的版本之一。恩格勒在 2013 年的自传里说,他至今仍认为这个图景在概念上可能是对的。

此后他又研究超引力、弦论与无穷维的卡茨-穆迪代数,都指向同一个他认为最重要的问题:广义相对论与量子理论之间的冲突。他写道,这个冲突在实验上只在 10−3310^{-33} 厘米的尺度上才显现,但解决它「相当于纠正一个概念上的错误」,可能改变我们对一切尺度上自然规律的理解。

布劳特对这些新方向兴趣不大,更多转向宇宙学,两人合写的论文少了,友谊却丝毫未变。

一个人来讲的故事

2011 年 5 月 3 日,布劳特久病后去世。十四个月后的 2012 年 7 月 4 日,恩格勒坐在欧洲核子研究中心的礼堂里,同在台下的还有希格斯、古拉尼和哈根,一起听 ATLAS 与 CMS 报告在约 125 GeV 处发现了一个新玻色子。

次年诺贝尔奖颁给了恩格勒与希格斯。诺奖不追授已故者,布劳特因此不在名单上;同年独立得出结果的古拉尼、哈根与基布尔也没有获奖。恩格勒的诺贝尔演讲讲到这项工作时,通篇用的是「我们」。

2026 年 6 月 18 日,恩格勒在布鲁塞尔于克勒区去世,享年 93 岁。

代表方程

真空极化给出的规范粒子质量

Πμν(q)=(gμν−qμqνq2)Π(q2)Π(q2)=e2⟨ϕ⟩2⇒MV2=e2⟨ϕ⟩2\begin{aligned} \Pi_{\mu\nu}(q) &= \left(g_{\mu\nu} - \frac{q_\mu q_\nu}{q^2}\right)\Pi(q^2) \\ \Pi(q^2) &= e^2\langle\phi\rangle^2 \quad\Rightarrow\quad M_V^2 = e^2\langle\phi\rangle^2 \end{aligned}

规范场穿过一片充满标量场凝聚的真空时,会被这片真空「极化」。恩格勒与布劳特算了两张费曼图,发现极化函数在 q2=0q^2 = 0 处不为零——在场论里,这恰好意味着规范粒子有了质量,大小由凝聚的强度 ⟨ϕ⟩\langle\phi\rangle 决定。前面那个括号与量子电动力学里的形式完全相同,说明局域规范对称性并没有被破坏,这也是后来能证明整个理论可重整的伏笔。

伟大发现