「恭喜你們做出了偉大成就。我很高興可以活著看到這一天。」
——彼得·希格斯本人在發布會現場發言
「發現的那個粒子可能就是希格斯玻色子,它也許能夠解釋宇宙如何在大爆炸後的那萬億分之一秒內形成;也許它不是希格斯玻色子,而是一種比希格斯玻色子大很多的粒子,那麼,他也會打開一扇門,開啟一套比『標準模型』走得更遠的新理論。」
——歐洲核研究組織物理學家伊夫斯·西羅伊斯
昨天,對於全球物理界來說是極具裡程碑意義的一天,但鼎鼎大名的物理學家霍金可有點「悶悶不樂」,他輸掉了四年前給出的100美元賭注。他曾自信地用這筆錢打賭被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子不可能被找到。可就在昨天,歐洲核研究組織宣布找到一種新亞原子粒子,與「上帝粒子」的特徵「一致」。
霍金在得知消息之後接受英國廣播公司的採訪中稱讚了該發現的重要意義,並打趣地說:「這個發現可害我輸了100美元啊,哈哈!」
歐洲核子研究中心4日表示,他們在尋找希格斯玻色子,也就是所謂的「上帝粒子」的研究過程中發現了一種新型亞原子粒子,該粒子符合希格斯玻色子的屬性。「上帝粒子」是當前物質理論中最後一個未被發現的粒子,被認為是宇宙中所有基本粒子的質量之源。
「只能宣布,我們發現一種玻色子」
歐洲核研究組織4日發布聲明,用一句話震撼粒子物理學界:「新發現的粒子與長期尋找的希格斯玻色子一致。」
之所以用「相一致」這樣的表述,是因為科學嚴謹性要求科學家更加精確地證明他們所發現粒子的特徵和特性。在把誤差縮小至既定範圍後,「相一致」才能換成「就是」。
「在對自然的理解之路上,我們抵達一座裡程碑,」歐洲核研究組織主任羅爾夫·霍伊爾在新聞發布會上說,「作為一個外行人,我會說我們已經發現它(希格斯玻色子)了,但作為一名科學家我不得不問一句,『我們發現的是什麼』。」「所以,我只能宣布,我們發現一種玻色子,現在我們正在確認它是怎樣的一種玻色子。」
還要繼續尋找「上帝粒子」
過去數十年,數萬名物理學家和數以十億美元計的資金投入研究,用以尋找「上帝粒子」,逐步縮小搜尋範圍,直至4日出現突破性成果。
歐洲核研究組織在4日聲明中說,兩座各自獨立的實驗室都發現了這種亞原子粒子,質量範圍在125至126吉電子伏特之間。兩家實驗室都宣布,數據結果的統計確定性為5西格瑪,或5標準差。
5西格瑪,換算成統計誤差率,大約為0.00006%
在粒子物理學界,若要證實某一發現,數據統計確定性需要達到5標準差;若要作為證據,統計確定性必須達到3標準差。
「雖然是初步結果,但5標準差和125吉電子伏特的結果讓我們確信,這是一個新粒子,」實驗室發言人喬·因坎代拉說,「我們確認,它必須是一種玻色子,而且是我們迄今為止發現的最重的玻色子。這一發現意義重大……我們必須極其努力地繼續研究與反覆核校。」
什麼是「上帝粒子」?
在長期研究和探索中,科學家們建立起稱作「標準模型」的粒子物理學理論,它把構成物質的亞原子結構分成3大類:夸克、輕子與玻色子。但是,這個模型無法解釋物質質量的來源。為了修補粒子物理學理論缺陷,英國科學家彼得·希格斯1964年提出「希格斯場」的存在,預言了希格斯玻色子的存在。他假設,希格斯玻色子是電子和夸克等形成質量的基礎,進而構築大千世界。
希格斯認為,在137億年前的宇宙大爆炸過程中,形成一種無形卻到處存在的場,希格斯玻色子就存在於這個場內。當有些粒子在與希格斯玻色子遭遇時,它們會降低速度,獲得質量,而另一些粒子則會不受阻礙地繼續前進。
「標準模型」預言了62種基本粒子的存在,其中61種粒子已獲實驗證實,而希格斯玻色子是最後一種未被發現的基本粒子。
為什麼叫「上帝粒子」?
美國物理學家利昂·萊德曼教授寫過一本書,書名叫做《上帝粒子——假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》。在此之後,希格斯玻色子經常被媒體稱之為「上帝粒子」。實際上,萊德曼本來想稱這種粒子為「該死的粒子」(goddamn particle),但是編輯不讓他這樣用,因而他改為「上帝粒子」(God particle)。很多物理學家並不喜歡這種叫法,因為這樣高看了該粒子的重要性。因為發現了該粒子也不能回答宇宙起源的問題。
怎樣尋找這種粒子?
歐洲核研究組織的歐洲大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器,是一種將質子加速對撞的高能物理設備,英文名稱為LHC(Large Hadron Collider)。其周長27公裡,深埋在法國和瑞士的100米地下。它本質上就是個巨大的管道,質子以接近光的速度在這巨大的地下管道裡飛來飛去,並在約有三層樓高的檢測器裡相撞。
當質子相撞時,會出現一個很小但是很強烈的能量瞬間釋放。電子跑出來,夸克跑出來,光子也跑出來。但偶爾還會得到一個希格斯玻色子。但希格斯玻色子可不願老實呆著等人們找到它,它會進入一個衰變序列,自己衰變成其他粒子。這使得尋找希格斯玻色子非常困難,也非常耗時間。
「上帝粒子」一旦找到對我們意味著什麼?
花那麼大的代價,去尋找玄而又玄的希格斯玻色子,到底值不值?
物理學家會用一句話來回答這個問題:人和螞蟻不同,我們有求知慾,我們需要了解生命和宇宙的機制。
歷史的經驗總是證明,科學真理的發現一定會給我們的實際生活帶來有用的影響。比如說,當年創建量子力學的那些物理學家,他們的興趣也許只為探索物質世界的終極奧秘,但如果沒有建立在量子力學基礎上的半導體理論,電子計算機的發明就完全不可能,我們今天資訊時代的生活也就不可想像。
[原理闡釋]
「上帝粒子」是質量之源?試著用託盤、砂糖和桌球來解釋
根據希格斯模型,一個粒子與希格斯場相互作用越強烈,它擁有的質量就越大。據英國《衛報》的視頻報導,解釋「上帝粒子」的作用,可以用託盤、一包砂糖、一些桌球來表示。
託盤就是最初的宇宙,把它用粒子(桌球)裝滿。在宇宙形成的最初期,所有這些粒子都完全沒有質量,它們都以光速跑來跑去。但在宇宙大爆炸之後的極短時間裡「希格斯場」出現了。
那麼拿來另一個空的託盤,給它填滿希格斯場,也就是砂糖,這就是早期宇宙。把一些電子和夸克扔進去,像夸克這樣較重的粒子陷進了希格斯場,陷得越深,質量越大。一旦希格斯場打開,就對宇宙中的運動粒子產生了一種阻礙作用,它們再也不能以光速在宇宙中竄來竄去。但有一個例外——光子,它對希格斯場視而不見,依然不受任何阻礙,自由地以光速穿梭其間。
關於這個原理的解釋,1993年,英國科學部長威廉·瓦多格列佛曾向科學家們發起挑戰,讓他們用一頁紙的篇幅向他解釋希格斯場。獲勝者是英國倫敦大學學院的物理學家戴維·米勒。米勒把希格斯場比作一個房間,房間裡均勻分散著一大群為政客聚會服務的工作人員。一個無關緊要的人可以不受阻礙地在人群中穿來穿去。然而,如果是時任英國首相柴契爾夫人到場,一定會吸引大量的關注:聚會工作人員會圍攏在她周圍,減慢她穿行的速度,使她帶上某種「質量」。
彼得·希格斯
霍金
歐洲大型強子對撞機內的檢測器
科學家模擬的「上帝粒子」衰變圖
(文/瀟湘晨報)