“上帝粒子”做了什么

孫文德

諾貝爾獎評選委員會將2013年度的諾貝爾物理學獎授予比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學家彼得·希格斯，以表彰他們預測了“上帝粒子”的存在，幫助我們理解物質(zhì)為什么具有質(zhì)量。

這是一個眾望所歸的結(jié)果，84歲的希格斯和81歲的恩格勒特有理由感到自豪。1964年，他們就先后做出預言，認為宇宙中彌漫著一種能量場（希格斯場），并會產(chǎn)生一種粒子，它能賦予萬物質(zhì)量。人們用希格斯的名字給這種神奇的“上帝粒子”命名——希格斯玻色子。幾十年來，科學家孜孜以求的探索在2012年7月獲得成功，歐洲核子研究中心得到的數(shù)據(jù)已經(jīng)足以證明“上帝粒子”理論的正確性。

發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的歷程可能是人類歷史上最費時費力費錢的科學實驗之一，全球許多國家都貢獻了自己的力量。在那些龐大、復雜的對撞機上，科學家花了幾十年，在極其狹小的空間和轉(zhuǎn)瞬即逝的時間內(nèi)捕捉“上帝粒子”的蛛絲馬跡。終于，通過近6000名研究人員多年的不懈努力，終于從數(shù)以十億計的粒子對撞中提取出希格斯玻色子。

希格斯當時說，自己“很高興能活著看到這一天”。

這兩位科學家的理論到底說了些什么？他們帶領(lǐng)我們回到137億年前，回到萬事萬物的起點。在宇宙大爆炸的瞬間，各種粒子四下飛奔，一些粒子因為希格斯場的存在獲得了質(zhì)量，放慢了腳步，逐漸聚合，產(chǎn)生了恒星和行星，慢慢孕育出生命。我們現(xiàn)在熟悉的世界就是這樣生成的。

恩格勒特和希格斯的理論描述了這一過程。如果不存在這一機制，宇宙中的所有粒子會像現(xiàn)在的光子一樣，沒有質(zhì)量，在無垠的空間中撒野，宇宙就會像一鍋沸騰的熱湯，“希格斯粒子為我們帶來了構(gòu)造世界的磚塊”。就像蒼蠅落在蜜糖上會被粘住一樣，希格斯粒子粘住了獲得質(zhì)量的粒子。諾貝爾獎評選委員會說：“沒有希格斯場，我們就不會存在?！?/p>

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發(fā)現(xiàn)玻色子的歐洲大型強子對撞機

什么是時間？什么是空間？如何準確、全面地描述我們所處的這個宇宙？這是理論物理學家一直想要回答的問題。近幾十年，他們的研究已經(jīng)達到了相當?shù)纳疃龋岢隽怂^“宇宙標準模型”，預言了宇宙中全部的基本粒子。這被視為當代粒子物理學的基石，構(gòu)成了人類理解宇宙的基本視角。

諾貝爾獎評選委員會如此評價：“按照標準模型，任何事情，從鮮花到人類，再到恒星和行星，都是由少量構(gòu)筑模塊構(gòu)成的，那就是物質(zhì)粒子。這些粒子受到作用力的支配，而那些作用力則由攜力粒子傳遞，以保證萬物能夠正常運轉(zhuǎn)?！?/p>

按照標準理論模型，基本粒子并沒有質(zhì)量，但實驗結(jié)果卻又清楚地表明，絕大多數(shù)粒子都是有質(zhì)量的。希格斯機制就是針對這一難題提出的，現(xiàn)在已成為標準模型的核心。它是人類智慧和深邃宇宙相碰撞的美妙產(chǎn)物，使標準模型對于宇宙的解釋更加穩(wěn)固。

2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，他們發(fā)現(xiàn)的新粒子幾乎可以確定就是一種希格斯粒子。近半個世紀以來，希格斯機制第一次得到了堅實有力的證據(jù)。當天公布消息的時候，身經(jīng)百戰(zhàn)的老科學家都顯得有點緊張。人們怎能不激動，這可關(guān)乎我們對宇宙的基本認知。

在尋找希格斯粒子的漫長過程中，不少人失去耐心，甚至開始進行基于“希格斯粒子不存在”這一假設(shè)的研究?；艚鹕踔吝€和希格斯打賭，認為“上帝粒子”不存在。最終，大自然給予不畏險途的探索者豐厚的回饋。不過，一切才剛剛開始，正如瑞典皇家科學院所說，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子并非宇宙謎題拼圖的最后一塊，還有更多神秘的未知領(lǐng)域等待科學家去探索。