發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”

什么是“上帝粒子”？為什么那幫物理學(xué)狂人們像打了雞血一樣為它的現(xiàn)身歡呼雀躍呢？看來，我們都有必要了解一下物理學(xué)的世界里究竟發(fā)生了些什么了。

對于物理學(xué)界尤其是粒子物理學(xué)界來說，上個月發(fā)生了一件不亞于“人類登上月球”之類的大事：歐洲核子研究所所長洛夫·霍耶爾宣布：兩個為大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）工作的獨立團(tuán)隊，已經(jīng)確定發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子（又名“上帝粒子”）。

什么是“上帝粒子”？為什么那幫物理學(xué)狂人們像打了雞血一樣為它的現(xiàn)身歡呼雀躍呢？看來，我們都有必要了解一下物理學(xué)的世界里究竟發(fā)生了些什么了。

何謂“上帝粒子”

要解釋“上帝粒子”，首先要從粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型說起。

自然界中物體之間的相互作用力可以劃分為4種，即引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力和弱相互作用力。愛因斯坦的相對論解決了重力問題之后，理論物理學(xué)家開始嘗試建立統(tǒng)一的模型，以期解釋通過后3種力相互作用的所有粒子，這就是標(biāo)準(zhǔn)模型。該模型把基本粒子分為夸克、輕子和玻色子3大類，預(yù)言了62種基本粒子的存在。然而，這個標(biāo)準(zhǔn)模型卻有一個致命的缺陷——它演繹的世界里沒有質(zhì)量。

直到1964年，英國科學(xué)家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在，并假設(shè)希格斯玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，標(biāo)準(zhǔn)模型才得以自圓其說。根據(jù)希格斯的理論，希格斯玻色子是其他粒子形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。它們在希格斯玻色子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。爾后所有的粒子在除引力外的另3種力的框架中相互作用，統(tǒng)一于“標(biāo)準(zhǔn)模型”之下，構(gòu)筑成大千世界。

隨著實驗物理學(xué)家把加速器越造越大，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的未知粒子全都在實驗中現(xiàn)身，只有最重要的“上帝粒子”仍然“在逃”。對于粒子物理學(xué)研究者來說，這種情況多少有些搞笑。因為幾乎所有粒子物理學(xué)的研究都要基于標(biāo)準(zhǔn)模型，而這一理論的一個基礎(chǔ)預(yù)設(shè)居然還沒有被徹底證實。換句話說，一旦“上帝粒子”的存在被證偽，“標(biāo)準(zhǔn)模型”理論大廈將傾。

尋找“上帝粒子”

粒子物理學(xué)家們當(dāng)然不會放任這樣的情況延續(xù)下去。長期以來，他們一直試圖揭開希格斯玻色子的“面紗”。大型強(qiáng)子對撞機(jī)正是物理學(xué)家為尋找“上帝粒子”所作的最新嘗試。

為什么希格斯玻色子一直很難找到？說起來很容易理解：它的質(zhì)量一定足夠大，以往使用的粒子對撞機(jī)能量還不夠大，還不足以把它撞出來。并且它極不穩(wěn)定，將在碰撞后10億分之一秒的時間內(nèi)衰變，因此要想捕捉到它極不容易。

這時候，大型強(qiáng)子對撞機(jī)的建成和投入使用，使科學(xué)家們對捕捉“上帝粒子”有了足夠的信心。最激動人心的是，這將是一個判決性實驗——如果真有希格斯玻色子存在，它一定能探測到，不像以往的實驗設(shè)備存在漏網(wǎng)的可能性；反過來的說法也成立，如果它仍然不能探測到希格斯粒子，就說明這東西根本不存在。要么證實，要么證偽。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)位于法國和瑞士邊境地區(qū)地下100米深、約27公里長的環(huán)形隧道中，耗資總計約 20億美元。在撞擊器內(nèi)那條27公里長的圓形隧道，超導(dǎo)磁鐵會把質(zhì)子和離子加速至接近光速，然后相撞，在極細(xì)微空間爆發(fā)十萬倍太陽溫度的超級高溫。這一刻就像宇宙大爆炸之后，釋放大量能量和基本粒子，冷卻后形成組成物質(zhì)的質(zhì)子和中子。而令人欣喜的是，這個“大家伙”不負(fù)眾望，終于找到了人們期盼已久的“上帝粒子”。

“上帝粒子”與日常生活

可能有些人會問，為什么我們要花這么大力氣去尋找“上帝粒子”？它能帶我們穿梭時空？還是可以送我們在宇宙旅行？

十分遺憾的是，“上帝粒子”并不像它的名字聽起來那樣無所不能。不以物理為業(yè)的人對客觀世界組成的理解，大概會停留在課本上質(zhì)子、中子、電子之類，而在粒子物理學(xué)的世界里，研究已經(jīng)到達(dá)了玻色子級別的基本粒子。這些粒子的形態(tài)和外觀無法用任何儀器“看到”，而所謂的“找到”，指的則是通過一系列實驗數(shù)據(jù)的論證。在那樣微觀的世界里，甚至“質(zhì)量”都不是我們所熟知的幾斤幾兩的重量，而也是一系列由數(shù)字來證明的存在。

許多網(wǎng)友在圍觀了英文網(wǎng)站第一時間的報道后紛紛吐槽：好像很牛的樣子……但是完全看不懂！其實不消說普通網(wǎng)友，就連同樣屬于物理學(xué)中的應(yīng)用物理研究者，也同樣不能完全明白粒子物理學(xué)家的興奮。實際上，基礎(chǔ)科學(xué)與應(yīng)用科學(xué)的“死磕”在每一個學(xué)科領(lǐng)域都存在，基礎(chǔ)科學(xué)總被人質(zhì)疑“能做什么”，而應(yīng)用科學(xué)則又常常遭到“過分功利”的鄙視，就像《生活大爆炸》里理論物理學(xué)家謝耳朵長期鄙視研究應(yīng)用物理的Howard。

發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”無疑深化了我們對物質(zhì)本質(zhì)的理解，但將這種理論運用到生活中還需要一段時間?！吧系哿Ｗ印钡陌l(fā)現(xiàn)基本論證了標(biāo)準(zhǔn)模型的成立，這只是一個開端而不是終點。在標(biāo)準(zhǔn)模型成立的基礎(chǔ)上，還有更多的科研工作等待展開。