“上帝粒子”的美，不只有上帝看得到

今年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2013年諾貝爾物理學(xué)獎授予英國物理學(xué)家彼得·希格斯和比利時物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒，以表彰他們對希格斯玻色子所做的預(yù)測。令他們榮獲諾貝爾獎的希格斯玻色子是如此之小，以致歷時半個世紀(jì)之后才得以發(fā)現(xiàn)。不過，它對物理學(xué)的意義又是如此重大，因而得名“上帝粒子”。

半個世紀(jì)前的預(yù)言

物體的質(zhì)量是怎么來的？這個問題一直困擾著物理學(xué)界。1964年，恩格勒與同事羅伯特·布魯特提出標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論，用以解釋粒子如何獲得質(zhì)量。一個月后，希格斯提出一種粒子場的存在，預(yù)言存在一種玻色子，可以吸引其他粒子產(chǎn)生質(zhì)量，是物質(zhì)的質(zhì)量之源，繼而構(gòu)筑我們認知的世界。希格斯寫了兩篇關(guān)于“希格斯場”的論文，每篇都只有兩頁長，權(quán)威的《物理快報》接收了第一篇論文，但拒絕了第二篇論文。著名物理學(xué)家南部陽一郎在評審第二篇論文時，建議希格斯加上一部分內(nèi)容來解釋這一理論的物理學(xué)意義。希格斯加了一段話，提出一種粒子場的存在，預(yù)言一種能吸引其他粒子進而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他認為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)，其他粒子在這種粒子形成的場中游弋并產(chǎn)生慣性，進而形成質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界。然后，他把改過的論文投給了那家雜志的對手——《物理評論快報》，結(jié)果發(fā)表了。這是希格斯有關(guān)玻色子的設(shè)想第一次公開發(fā)表。幾個月后，美國的哈根、古拉爾尼克與英國的基布爾也發(fā)表了有關(guān)報告。

標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論中共預(yù)言了62種基本粒子的存在，“希格斯玻色子”正是該理論依賴的基石。作為物質(zhì)的質(zhì)量之源，“希格斯玻色子”連接著粒子獲得質(zhì)量的領(lǐng)域。沒有“希格斯玻色子”，宇宙和人類就不會存在，因為其他粒子正是在“希格斯玻色子”構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論提出后，其他61種粒子相繼被實驗所證實，只有“希格斯玻色子”難覓蹤影。過去數(shù)十年中，無數(shù)全球頂級科學(xué)家苦苦捕捉著這一“希格斯玻色子”的存在證據(jù)。大型強子對撞機（LHC）是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設(shè)備屬于歐洲核子研究中心（CERN），其目的是創(chuàng)建地球上能級最強大的粒子加速器設(shè)施，而其中找出“希格斯玻色子”則被列為了該設(shè)備的最優(yōu)先目標(biāo)之一。

近半個世紀(jì)過去了，終于，2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，該中心的兩個強子對撞實驗項目——ATLAS和CMS項目發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與希格斯玻色子一致。隨后該中心于2013年3月14日稱，更多數(shù)據(jù)分析表明它就是“希格斯玻色子”。

“上帝粒子”對世界意味著什么？

宇宙大爆炸后開始冷卻，一種被稱為“希格斯場”的不可見力量形成，無數(shù)的希格斯玻色子在“場”中減慢了其他粒子飛行速度，就像蒼蠅被蜜糖附住一樣，并使它們獲得質(zhì)量。也就是說，如果沒有希格斯場，這些粒子將在宇宙中以光速到處飛行，行星也無法形成。

“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)將為科學(xué)家們開啟一扇大門，讓他們得以進行此前無法進行的一些計算。其中一些計算的結(jié)果有關(guān)宇宙的命運。有一種觀點認為宇宙將在未來數(shù)十億年內(nèi)毀滅。在進行這樣的計算時，“上帝粒子”本身的質(zhì)量是一個非常關(guān)鍵的參數(shù)，它預(yù)示了時空的未來命運。目前的測量值顯示，“上帝粒子”的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍，這一質(zhì)量值幾乎已經(jīng)處在了一個臨界點上，它將有可能讓宇宙在未來數(shù)十億年內(nèi)走向毀滅。這或許意味著我們所生活于其中的這個宇宙本身存在著內(nèi)在的不穩(wěn)定性，在數(shù)十億年之后這一切都將歸于瓦解。

盡管人類發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”這件事已經(jīng)載入史冊，這是標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，但是這并不意味著我們揭開了宇宙的終極奧秘。就舉其中一個例子，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子應(yīng)當(dāng)是沒有質(zhì)量的，然而近期的一些研究卻發(fā)現(xiàn)這種粒子似乎的確擁有質(zhì)量。另一個原因是，標(biāo)準(zhǔn)模型只能對可見物質(zhì)進行描述，而可見物質(zhì)僅僅占到整個宇宙中所有物質(zhì)總量的4%左右。我們對于神秘的暗物質(zhì)、暗能量的本質(zhì)仍然知之甚少。我們無法直接觀測到暗物質(zhì)，但是卻可以通過其施加的引力作用感知到它的存在，正是由于暗物質(zhì)的引力作用，宇宙中的星系才不至于解體。暗物質(zhì)幾乎完全不會與可見物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。然而我們現(xiàn)在知道希格斯玻色子是與眾不同的，或許它將幫助我們在這兩種完全不同的世界之間建立起某種聯(lián)系。

“諾貝爾物理學(xué)獎”背后的其他人

數(shù)十年間，“上帝粒子”一直存在于理論中，直到歐洲核子研究中心證實其存在。事實上，“上帝粒子”近年來一直是諾貝爾物理學(xué)獎候選名單上的?？?，但因其未被證實，才延宕至今獲獎。1964年，希格斯才35歲，恩格勒才32歲，現(xiàn)在恩格勒和希格斯均年過80。在過去半個世紀(jì)中，他們一直在等待理論被驗證。去年大型強子對撞機宣布發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”時，希格斯當(dāng)場流下熱淚。他說，“很高興我能活著看到這一天的到來”。遺憾的是畢生榮譽，奈何來遲，與恩格勒同時發(fā)表論文的羅伯特·布魯特在2011年去世，因此不在授獎范圍內(nèi)。

其實，1964年同時研究“上帝粒子”的還有3位科學(xué)家，美國的哈根、古拉爾尼克和英國的基布爾，但諾貝爾獎規(guī)定不得超過3人同時得獎，因此他們失落殊榮。

從理論的建立來講，在1964年間，先后有6位物理學(xué)家在4個月期間出版了一系列關(guān)于該理論的相關(guān)文章，每個人的研究都可說是站在其他人的肩膀之上。我們應(yīng)該知道的是，在這幾個人之前，其實還有幾位英雄對希格斯機制的創(chuàng)立作出了不可磨滅的貢獻。

美籍日裔理論物理學(xué)家南部陽一郎是第一個把超導(dǎo)中的自發(fā)破缺引入到基本粒子物理領(lǐng)域的人，時間大約是1960年，但是他沒有把自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合。

哥德斯通受南部陽一郎的啟發(fā)首次引入標(biāo)量場，時間大約是1961年，但是哥德斯通也沒有進一步把標(biāo)量場的自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合。

美國科學(xué)家朱利安·施溫格于1962年想到了有質(zhì)量的矢量粒子可能與無質(zhì)量的標(biāo)量粒子有關(guān)，但沒有去證明。

美國物理學(xué)家安德森受施溫格的啟發(fā)，于1963年在非相對論情況下發(fā)現(xiàn)無質(zhì)量的標(biāo)量粒子可以被無質(zhì)量的規(guī)范玻色子吃掉而導(dǎo)致有質(zhì)量的規(guī)范玻色子，這其實就是希格斯機制，但是它是非相對論的。

最后，在安德森的工作基礎(chǔ)上，希格斯、恩格勒和布魯特建立了相對論情況下的希格斯機制。

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兩位獲獎?wù)呓榻B

彼得·希格斯 1929年出生在英格蘭北部城市紐卡斯?fàn)?，父親是英國廣播公司的音效工程師。受第二次世界大戰(zhàn)影響，希格斯童年教育并不連貫，有相當(dāng)長的時間在家學(xué)習(xí)。即使如此，他仍以優(yōu)異的成績考入了倫敦大學(xué)國王學(xué)院，專業(yè)是理論物理，并在那里相繼獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。1960年博士畢業(yè)后，希格斯北上蘇格蘭，進入愛丁堡大學(xué)任教，在一場車禍中幸運地“大難不死”，隨后奮力投入研究事業(yè)。目前是英國愛丁堡大學(xué)榮譽教授。

弗朗索瓦·恩格勒 1932年出生于布魯塞爾，1959年獲得博士學(xué)位，之后赴美國康奈爾大學(xué)深造。1960年他任康奈爾大學(xué)助理教授，結(jié)識了羅伯特·布魯特并與其成為好朋友和密切的工作伙伴。1961年，恩格勒返回比利時，好搭檔布魯特也攜全家跟著恩格勒一起返回比利時。1964年，恩格勒與布魯特首次提出粒子如何得到質(zhì)量的理論。

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為什么又稱“上帝粒子”？

1988年，諾貝爾物理學(xué)獎獲得者利昂·萊德曼無意中為希格斯玻色子起了“上帝粒子”（God Particle）這么一個名字。萊德曼寫了本科普書，原書名叫“該死的粒子”（Goddamn Particle），因為希格斯玻色子難以找到，但出版商認為不妥，遂改成了“上帝粒子”。然而，希格斯本人并不喜歡這種稱呼，他說：“雖然我本人不信教，但是我覺得不應(yīng)該用‘上帝’這樣的字眼，因為這有可能會讓一部分人覺得受了冒犯。”有意思的是，當(dāng)別人提到“希格斯玻色子”時，希格斯總是誠惶誠恐，因為他覺得自己的名字不配用來命名這種粒子。

圣經(jīng)中描述上帝創(chuàng)世紀(jì)：上帝說要有光，于是便有了光；隨后各種物質(zhì)、天地、人獸花草徐徐而來。希格斯玻色子解決的是宇宙膨脹的問題，是說明宇宙開始后，基本粒子如何在被產(chǎn)生后具有質(zhì)量，再聚合成各種其他物質(zhì)，從而形成我們現(xiàn)在所生活的世界。換句話說，它解決的也是宇宙零秒之后的問題。稱之為“上帝粒子”，也有賦予其創(chuàng)世紀(jì)的意味。

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霍金賭輸了

此前，英國科學(xué)家霍金曾與美國密歇根大學(xué)的戈登教授打了個賭：歐洲核子研究中心不會發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。當(dāng)時定下的賭金為100美元。2012年，當(dāng)歐洲核子研究中心宣布初步確認發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子后，霍金表示該研究中心的發(fā)現(xiàn)非常了不起，他說如果這個新發(fā)現(xiàn)的粒子衰變的交互數(shù)量跟他們預(yù)期想象的一樣，那這將成為粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的有力證據(jù)，它將能夠解釋到目前為止的所有試驗。

理論物理學(xué)者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯

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近百位中國科學(xué)家參與尋找“上帝粒子”

歐洲核子研究中心的大型強子對撞機研究項目是一個全球合作的項目，共有40多個國家和地區(qū)約3000名科學(xué)家參與，中國也是參與國之一。從對撞機探測器的建造到研究，有近百位中國工程師和科學(xué)家參與這個項目。中國科學(xué)家主要參加其中的兩個實驗：ATLAS實驗和CMS實驗。這兩個實驗通過不同探測器找到了希格斯玻色子。

【責(zé)任編輯】蒲 暉