汤姆·基布尔

他最早认识「对称」这个词，是在莫卧儿建筑的花纹里。父亲在马德拉斯基督教学院教数学，业余爱研究阿格拉一带清真寺与陵墓墙面上的图案，教他认正多面体，带他折纸模型。那些花纹的特点是：不管怎么转、怎么翻，看上去都一样。

一个人后来一生要做的事，是搞清楚这种「怎么转都一样」的性质被藏起来之后，世界会留下什么痕迹——哪些粒子因此变重，哪些必须一点质量也不许有，哪些疤痕会留在宇宙里，又能不能在一杯液氦里把同样的疤痕再冻出来一次。

十一周的航程

1943 年初，战时的船位只提前两天通知。十岁的他一个人登船离开印度，此后再没有在那里长住过。苏伊士运河封闭，船队绕非洲、横渡大西洋再折回，走了十一周。在开普敦他独自上岸逛了一圈，回到码头时发现船不见了——其实只是换了个泊位。

回英国后他进爱丁堡的梅尔维尔学院，1950 至 1951 学年当了一年学生会长。父亲希望他去剑桥，但他觉得奖学金考试的题目极其乏味，那阵子日子又过得太开心，懒得准备，没考上，于是留在爱丁堡大学。他后来说自己从不后悔。本科读到一半，马克斯·玻恩退休，由凯默接任，讲课完全不用讲稿，只是有个把粉笔一根根竖着叠起来的分神习惯。1958 年他在约翰·波尔金霍恩门下拿到博士学位，论文一半讲施温格的作用量原理，一半讲非弹性散射的色散关系。随后一年拿哈克尼斯奖学金去了加州理工，在那里认识了费曼与盖尔曼。

一个人待了五十七年的地方

1959 年他以北约研究员的身份回英国，进帝国理工学院的理论物理组。此后到去世为止，他再没有换过单位——五十七年。

那个组是阿卜杜勒·萨拉姆两年前受布莱克特之邀建起来的，正处在最热闹的时候。基布尔后来回忆，访客名单上有温伯格、盖尔曼、肯·约翰逊、洛厄尔·布朗、曼德尔施塔姆、约翰·沃德。萨拉姆很早就认定基本相互作用的理论会是规范理论，基布尔一生的主线因此定了下来。

我会永远把这些早年当作一生中最激动人心的日子。学院里的气氛好极了，我想不出还有哪里是我更愿意待的地方。我永远感激萨拉姆让我有机会参与这些。

这段话出自他 1997 年纪念萨拉姆的文章，皇家学会的传记回忆录逐字转引了它。

稿子正要装进信封

1964 至 1965 年，美国来的两位访问学者杰拉尔德·古拉尼与卡尔·理查德·哈根在帝国理工，三个人开始合作。那一年有几组人各自走到了同一处，这段经过本站别处已经讲过，这里只说他们三个的做法有什么不同：布劳特与恩格勒算的是破缺真空附近最低阶微扰的真空极化，希格斯的处理是纯经典的；他们三个用的是量子算符的形式，死盯着流守恒律，要搞清楚戈德斯通定理究竟是从哪个缝里被绕过去的。

按古拉尼的回忆，基布尔坚持认为凝聚态里「戈德斯通定理看起来失效」这件事非弄明白不可，并且说服了他——弄清楚非相对论情形到底是怎么回事，把这篇论文的发表往后推了好几个月。

也是按古拉尼的回忆，稿子写完、正要装进信封寄给《物理评论快报》的时候，基布尔抱着两篇刚到的论文推门进来——那时的越洋邮件又慢又不可靠。他们这才知道欧洲有人在做同一个问题，很吃惊。于是那篇稿子在寄出前引用了另外两篇。论文 1964 年 11 月 16 日刊出。将近五十年后他自己把次序说得很干脆：我们那篇毫无疑问是三篇里最后发表的。

发表之后几乎没有人理会。1965 年夏天古拉尼在慕尼黑郊外一次海森堡主持的小会上讲这套想法，在场的资深物理学家——包括海森堡本人——认为这些东西是垃圾，并且很热情地让他知道了这一点。同一场会上，肯·威尔逊讲格点计算，挨的批评也不轻。

1967：谁变重，谁必须没有质量

1964 年那几篇解决的是一个「怎么可能」的问题：在规范理论里，凭什么可以绕开戈德斯通定理，让传力的粒子变重。但要真造出一个能用的模型，还缺一步，而且是不能含糊的一步——破缺之后，究竟哪些规范场变重，哪些必须保持严格无质量？

电磁学不允许一点通融。光子若有哪怕极小的质量，库仑定律就不是平方反比，电磁场就有了有限的射程。所以一个模型能不能用，不光要看它让 W 和 Z 变重，还要看它能不能同时保证光子一克质量也没有。

1967 年，基布尔独自把答案写完整了，发在《物理评论》第 155 卷。规范群 $G$ 破缺到子群 $H$：陪集 $G/H$ 方向上的矢量场获得质量，$H$ 方向上的保持无质量。这不是对某个模型的计算，而是一条判据——先看真空剩下哪些对称性没被破坏，就知道哪些力还能传到天边。电弱群 $SU(2)\times U(1)$ 有四个生成元，破缺之后未破缺的子群是电磁的 $U(1)$，于是三个方向变成 W⁺、W⁻、Z，第四个方向留给光子，而且必须是零质量。

同一年秋天，温伯格写出了《轻子模型》。那篇只有三页，在脚注 3 里列了前几年的相关工作：

P. W. Higgs, Phys. Letters 12, 132 (1964), Phys. Rev. Letters 13, 508 (1964), and Phys. Rev. 145, 1156 (1966); F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Letters 13, 321 (1964); G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Letters 13, 585 (1964). See particularly T. W. B. Kibble, Phys. Rev. 155, 1554 (1967).

列完三组人之后，他单起一句「尤其见」，指向的是 1967 年那一篇。在随后的十几年里，这套机制在文献里一度就叫「希格斯-基布尔效应」——1972 年特霍夫特与韦尔特曼证明这类理论可重整的那篇论文，用的就是这个名字，而那个证明正建立在破缺后场如何分类之上。萨拉姆 1968 年做电弱统一，也是直接踩在这套机制上的。

2013 年 3 月，帝国理工为基布尔办 80 岁生日研讨会，温伯格在晚间的公开演讲里，以一句「汤姆·基布尔告诉了我们光为什么没有质量」收尾。

把同一套数学搬进早期宇宙

1970 年代初，基尔日尼茨等人指出，希格斯场的有效势会随温度改变：温度足够高时对称性是恢复的，冷下来才会破缺。这意味着宇宙早期必定经历过这样一次相变。

1976 年，基布尔写了《宇宙畴与弦的拓扑》。论证只有一步，却是决定性的一步：宇宙冷却穿过临界温度时，相距太远的区域来不及互相「商量」，各自独立地选一个方向倒下去；相邻的区域选得不一致，交界处的场就回不到最低点，能量被困在那里——这就是缺陷。至于会留下什么样的缺陷，完全由真空流形 $\mathcal{M}$ 的形状决定：$\pi_0(\mathcal{M}) \neq 0$ 出畴壁，$\pi_1(\mathcal{M}) \neq 0$ 出一维的弦，$\pi_2(\mathcal{M}) \neq 0$ 出点状的磁单极。1974 年特霍夫特与波利亚科夫在一个带三重态希格斯场的模型里找到的磁单极解，是这条路的直接前身。

有意思的是它反过来给粒子物理上了一道约束。畴壁极重，只要宇宙里有一张，微波背景就会各向异性到与观测完全不符——所以现实世界的真空流形必须是连通的。这是一条从宇宙学推回粒子模型的判据：有些原本看着无害的对称性破缺方式，被天上的均匀背景否决了。磁单极的过剩同样是个麻烦，几年后阿兰·古斯的暴胀正是冲着这类麻烦去的。

宇宙弦的账

1980 年代有十来年，宇宙弦是个很热的候选：它们质量巨大、分布成网，看上去正适合当星系结构的种子。基布尔此后与特罗克、拉扎里德斯与沙菲、科普兰、欣德马什等人一路做下去，从弦的自交、被弦围住的墙，一直做到综述。1994 年他还在剑桥的牛顿研究所组织过一个长达半年的拓扑缺陷工作坊。

这笔账最后没有算成。微波背景的精密测量表明，结构的主导来源是被暴胀放大的初始高斯涨落，宇宙弦的贡献至多占约一成——这是个上限，不是测量值。但弦本身并没有被判死刑：它们仍可能在引力透镜与引力波里露面，因为一根宇宙弦周围的时空不弯曲，只是少了一块角度，像把一张纸剪掉一个楔形再粘起来，所以弦背后的同一个星系会在天上留下两个并排的像。

后来这条线在弦论里复活了。1985 年威滕写了宇宙超弦，2002 年萨兰吉与戴自海预言膜暴胀末期会产生宇宙超弦，2005 年波尔钦斯基指出膨胀能把基本弦与 D 弦拉到星系尺度。基布尔说过，弦论宇宙学家后来在灌木丛里到处发现了宇宙弦。2010 年他和科普兰一起为《皇家学会会刊 A》写了那篇综述。

一杯液氦里的早期宇宙

1985 年，沃伊切赫·祖瑞克在《自然》上提了一个看起来近乎玩笑的问题：既然基布尔那套论证只用到「相变时各处来不及互相商量」这一点，那它凭什么只管早期宇宙？把一杯常流氦快速降温进超流相，同一套论证应该照样成立，而且缺陷就是量子化涡旋——可以数。

这套合起来叫基布尔-祖瑞克机制。它给出的预言是一条标度律：降温越慢，冻结下来的关联长度越大，留下的缺陷越少，而指数只由相变的临界指数决定，与材料是什么无关。

1996 年，两组人同时把它做了出来，两篇论文发在《自然》的同一卷上：赫尔辛基一组和兰卡斯特-格勒诺布尔一组，都用中子辐照在超流氦-3 里制造一小块极快的局部淬火，然后去看有没有涡旋冻出来——有。基布尔是赫尔辛基那篇的共同作者之一。一个 1976 年为宇宙开头几分之一秒写下的论证，二十年后在一个一米见方的低温装置里被检验了。

此后这类实验扩展到液晶、超流氦-4、冷原子气体、离子阱等体系。2007 年他自己在《今日物理》上给一般读者写过一篇总结，标题就叫《实验室与宇宙中的相变动力学》。

不肯只待在黑板前

1970 年他进了英国科学社会责任学会的全国委员会，1974 至 1977 年任主席；此后很多年主持「反核武科学家」；晚年是「全球责任科学家」的赞助人，直到去世前还在参与反对更新三叉戟核武系统的活动。儿子在悼词里说，父亲加入的组织最后往往都由他来管——反核武科学家是一个，里士满徒步协会是另一个。

同一篇悼词里还有两件事。有人在学院里跟他打招呼，说三十年前上过他的课，现在回来把博士读完，他道贺、握手，事后才问旁人那是谁——皇后乐队的吉他手布莱恩·梅。七十多岁时他在公交车上被扒了钱包，跳下车沿街追，一直追到那人把钱包扔下为止。据说他还是个相当出色的舞者。

在学院里，他宁愿和组里的年轻人一起吃午饭、喝下午茶，也不愿坐到资深同事那一桌；他和妻子安妮常把整个理论组请到里士满的家里开派对。剑桥的安妮-克里斯汀·戴维斯说，他是许多年轻物理学家的导师，也是女性物理学家有力的支持者，帮的远不止身边的人；2005 年他因此获得 NESTA 与《自然》的终身指导成就奖。1966 年他写的教科书《经典力学》此后半个世纪不断再版，后来的版本与伯克希尔合著。科学大臣瓦尔德格雷夫曾悬赏征集「用一页 A4 纸向公众解释希格斯玻色子」，他是获奖者之一。

2013 年 10 月 8 日

那天上午诺贝尔物理学奖公布，给了恩格勒与希格斯。当天帝国理工发出一份新闻稿，标题是「基布尔向得主道贺」。他在里面说，很高兴看到瑞典皇家科学院承认了规范理论中质量生成机制的重要性；他和古拉尼、哈根确实为这项发现出过力，但他们那篇毫无疑问是三篇里最后发表的，学院受自己定下的三人上限所限没能把他们算进去，这并不奇怪；他向两位得主致以诚挚的祝贺；而名单上真正令人难过的缺席，是恩格勒已故的合作者布劳特。

全篇没有一句抱怨。

另一边的说法也该并呈。皇家学会的传记回忆录转述说，希格斯本人认为基布尔应当分享 2013 年的奖，理由是他 1967 年写的那些东西——这条只有转述，原始报道已不可查。而希格斯 2014 年在 BBC 的节目里又说，把奖限制在他们两个人是件好事，因为这等于间接承认了那位无法获奖的第三人布劳特。两句话并不矛盾，问的本来就是两件事。

2014 年他在女王寿辰荣誉名单中受封爵士，同年获爱因斯坦奖章。2016 年 6 月 2 日，他在伦敦去世，享年 83 岁；同年英国物理学会把牛顿奖章授予了他。

CERN 的讣告称他是一位深刻的思想者，也是一个有魅力而谦逊的人。帝国理工的杰罗姆·冈特莱特写道：「汤姆在他那样辉煌的一生里，始终以非凡的谦逊与正直行事。」写传记的人用的词也是同一个——谦逊到令人吃惊的程度。

一个把光子为什么没有质量这件事说清楚了的人，晚年最常被同事提起的，是他不肯坐到资深那一桌去。