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破坏对称性宇宙变复杂 上帝粒子实为该死的粒子

http://www.kexue.com 2013-10-12 10:43:10 科技日报  发表评论


这是LHC设备中ATLAS探测器得到的一幅图像,图中4条红线可能是μ子,它们可能是短寿命并瞬间衰变消失的希格斯粒子产生的

  当上帝巡视他所创造的世界时,他先是惊讶于它的美丽,接着又发现,这个世界实则也是令人厌烦的。于是,他进行了一番计算,然后高兴地笑了。他使宇宙膨胀并冷却下来。

  瞧,宇宙已经足够凉爽,它的可靠而忠实的使者——希格斯场已经有了活力。在希格斯场的影响下,粒子开始从场中吸允能量,逐渐变大;同时,作用力和作用力的传递者也开始增多……

  上帝被深深地打动了,情不自禁地大笑起来。不过,很快地,他又强压笑容,招来了希格斯,带着责备的口吻说道:

  “你为什么要破坏世界的对称性?”

  希格斯被上帝语气中流露出来的不满吓得胆战心惊,他这样辩解道:

  “哦,主啊,我并没有破坏对称性。我只不过是把它隐藏在能量消耗的圈套中。这样做,我的确使世界变得复杂啦。”

  “谁能够预见到,除了这一套枯燥沉郁的相同物体之外,我们还能拥有核子、原子、分子、行星和恒星呢?”

  “谁能够预言日落、海洋和那些由被闪电和热激发的各种讨厌的分子所组成的有机物呢?又有谁能想到进化,以及那些物理学家们在竭力探求,而由我在为您效劳时小心隐藏起来的东西呢?”

  上帝努力止住自己的笑容,原谅了希格斯,并提升了他。

  这番调侃,出自爱开玩笑的美国物理学家利昂·莱德曼的《上帝粒子》一书。他这番20年前的“预言”真是靠谱——“苦海”里遨游良久的希格斯终于获得“提升”,摘下了诺贝尔奖的桂冠。而希格斯玻色子(希格斯粒子)的绰号——“上帝粒子”得以广为流传,恰恰缘自莱德曼的一句“诅咒”。

  说来话长

  探寻物质最终要素是个老生常谈的故事,科学家们为此付出了几个世纪的努力。17世纪中叶,牛顿发现的万有引力,可以解释诸多看起来毫不相关的现象:潮汐、苹果落地、行星运行和星系的形成。19世纪中后期,法拉第和麦克斯韦等人揭开了电磁波谱的秘密,电、磁、阳光、无线电波和x射线都被看作是同一种力的表现。在20世纪20年代,原子得到了解释,从更基本的粒子的形式我们弄懂了原子核是什么。1929年,劳伦斯建造了世界上第一台粒子回旋加速器,打开了探索未知亚原子世界的大门……由此,我们一步步地形成了对天地万物组成的基本认识。

  视线转向1964年。这一年8月,时为英国爱丁堡大学数学物理讲师的彼得·希格斯,写了一篇论文投给欧洲的《物理快报》,但被编辑以不宜发表为由拒绝了。希格斯对此“愤愤不平”。次年希格斯到哈佛大学做报告,听众同样对他的理论持怀疑态度。一位哈佛大学的物理学家后来承认,他们“一直期待着折磨一番这个自以为可以绕开戈德斯通定理的白痴”。

  略作修改后,希格斯把它投给了《物理快报》的竞争对手、美国的《物理评论快报》。论文被送到“识货”的南部一郎(2008年诺贝尔物理学奖得主)手中,请他做同行评议。南部要求希格斯评论一下他的论文与比利时物理学家R.布劳特与弗朗索瓦·恩格勒特刚刚在同一期刊发表的论文之间的关系,解释其理论的物理学意义。

  希格斯此前从未听说过布劳特与恩格勒特针对同一问题所做的工作,于是他听从建议,在自己只有两页半篇幅的论文中加了一则注脚,表示注意到了他们的论文;又在正文中添加了最后一段,对“标量玻色子和矢量玻色子的不完全重态”的可能性表示了关注,并相当隐晦地提到了存在另一个有质量且自旋为零的玻色子的可能性,即存在希格斯场的量子粒子的可能性。这种能吸引其他粒子进而产生质量的粒子,就是著名的希格斯玻色子。根据希格斯模型,基本粒子是跟一种看不见的、无所不在的场发生相互作用而获得了质量。

  到了20世纪70年代,通过对多种粒子的研究,物质的所有性质原则上都可以用一种相对简单并更有条理的理论来解释,即把现实中的一切归结为大约12种粒子和4种作用力。这种数学上自洽的理论被称为“标准模型”。它将那些组成天地万物的所有基本微粒系统地分门别类,形成了一张简单的列表,并阐明了微粒之间相互作用的规律。“标准模型”预言了62种基本粒子的存在,其中61种粒子相继被实验所证实,只有希格斯玻色子难觅踪影。

  到底是什么东西在阻碍呢?

  莱德曼在《上帝粒子》中“咬牙切齿”地写道:“宇宙中有一个无所不在的幽灵一样的大坏蛋,正在阻止我们理解物质的真正本质,阻止我们获得终极的知识。”这个障碍叫希格斯场。它阴冷的触角伸向宇宙的各个角落,而它的科学和哲学意义让物理学家起了一身鸡皮疙瘩。希格斯场通过希格斯玻色子来施展它的邪恶的魔力。

  这种粒子对于我们最终理解物质的结构举足轻重;而同时又是那样难以琢磨,莱德曼给它取了一个绰号:上帝粒子(God Particle)。他原来取的名字是“该死的粒子”( Goddanmn Particle):“考虑到它那‘恶毒’的本性,再加上花在它身上的巨额资金,我认为这个名字可能更加合适。”但出版商变通一下,就成了“上帝粒子”。

  寻找希格斯玻色子正是建造超级对撞机的主要原因之一。物理学家需要希格斯玻色子来解释一个对普通人来说不是问题的问题:万物皆有质量。

  2012年7月4日,位于日内瓦的欧洲核子中心举行发布会,宣布科学家发现了希格斯粒子的存在。恩格勒特与希格斯也应邀出席了这个发布会(他们是第一次见面,布劳特已于2011年去世)。2013年10月8日,瑞典皇家科学院宣布,本年度的诺贝尔物理学奖由恩格勒特与希格斯共同分享。

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