排隊五年，今年的諾貝爾物理獎會是TA嗎？

出品：科普中國

製作：張昊（中國留日同學會）

監製：中國科學院計算機網絡信息中心

眾所周知，諾貝爾物理學獎的規律性相較其它自然科學獎項較為明顯，一言以蔽之——四大領域，宇宙天體物理學、粒子物理學、原子分子及光物理學和凝聚態物理學，輪番登臺。

2015年開始，諾貝爾物理學獎先後頒給了這些研究領域：2015是粒子物理學，2016年是凝聚態物理學，2017年是宇宙天體物理學，2018年是原子分子及光物理學範疇，2019年諾貝爾物理學獎的獲獎成果是宇宙天體物理學範疇。

根據四大學科輪流轉換的經驗規律，宇宙天體物理今年再次拿獎就是四年三中，可能性極小。

從概率上來說，粒子物理和凝聚態物理學領域研究獲獎的機會比較大。尤其是粒子物理，已經暌違諾獎5年，斬獲桂冠的可能性更大。

粒子物理的大部分研究成果都不是我等吃瓜群眾所能理解的，到目前為止，它最大的成就之一就是建立了粒子物理的標準模型。

那麼，這個標準模型到底講了些什麼？有沒有可能用生活中的概念去嘗試理解它？

首先我們必須承認，標準模型是人類歷史上最複雜，最難以理解的物理理論，甚至沒有之一。我們也只能儘可能地以描述化、圖像化的方式來跟大家聊聊粒子物理和基本模型的那些事兒。今年粒子物理萬一中了獎，當別人還在懷疑自己是不是真的能聽懂中文，你已經可以自豪地宣稱："沒人比我更懂粒子物理！"。

來源：Freepik.com

粒子物理想要解決怎樣的問題？

粒子物理研究的是極為微小的世界，它想要回答的問題主要有兩個：第一、物質由什麼組成？第二、組成物質的微粒間如何相互作用

這裡的物質包括從宇宙星體到原子內部的廣大物質世界，而作用形式也包括電磁力和強力、弱力乃至引力。經過物理學家100多年的努力，人類的認知水平已經深入原子內部，甚至將組成原子的質子和中子又分解為更加基本的粒子。並且，人類還發現電磁力和強力、弱力等各種力的作用形式其實還與某些傳遞這些作用的粒子有關，例如電磁作用就與光子關係密切。

最終，科學家們通過將組成物質的粒子細分以及尋找作用力間負責進行力傳遞的各種粒子，獲得了一個由基本粒子構成的龐大家族，這個家族的家譜就叫粒子物理標準模型。

標準模型中的基本粒子分為兩種基本類型，負責組成物質的夸克和輕子，以及負責傳遞相互作用的媒介子。這些基本粒子們還有各自的屬性，比如電荷、自旋、質量等等，這又導致同一個種類的基本粒子有時候還要細分成幾種。最終，目前的標準模型中包含了61種基本粒子。

粒子物理標準模型 來源：維基百科"標準模型"

粒子物理的世界中為什麼有這麼多"登場角色"？

可以說科學家們構建標準模型，就類似於給基本粒子們蓋房子。科學家們最開始的計劃其實是蓋個蒙古包，由於粒子不斷被預言、被發現，結果得修四合院，後來發現房間不夠住又被迫修起了小公寓，到最後不知不覺就蓋成了摩天大樓。

不過最厲害的是，雖然標準模型的建立過程是摸著石頭過河，但是目前為止，它極好地統一了電磁力、強力和弱力，經它預言的很多基本粒子也在之後陸續被人發現。

這個過程我們還是用蓋樓來比喻說明，最開始這樓怎麼搭大家都沒主意，一邊蓋一邊想。有人說這兒得多加一層，有人說這兒得留幾個屋。最後沒想到，房子越蓋越大，慶幸的是，房間剛剛好，客人都滿意。

希格斯粒子於2012年被發現後，粒子物理標準模型的61個房間空缺都被填滿了。在這座大廈的構築過程中，很多科學家都發揮了關鍵作用，直接與之相關的諾貝爾獎得主就有數十人之多。

由大型強子對撞機中的緊湊μ子線圈得到的希格斯粒子產生時的景象 來源：維基百科"萬有理論"

有哪些粒子物理成果可能得到諾獎垂青？

目前與粒子物理相關的諾獎級成果，大部分屬於大廈構築過程中出了力但是沒有得到獎項的肯定，極少數是對現行大廈的格局進行了修訂，但是否正確還需要進行最終的檢驗。

如果要說具體成果，詹姆斯·比約肯是被很多諾獎預測提到的名字。他的主要貢獻是提出了比約肯標度，同時他也是量子色動力學早期的貢獻者之一。

比約肯標度可以理解為是蓋標準模型大廈時的某些設計思想，而量子色動力學是大廈的重要組成部分，可以認為是其中的一個單元。比約肯的這些工作，直接和間接地促成了將近十位諾獎得主，而他自己則一直未能得到諾獎肯定。2015年他已經榮獲了沃爾夫獎，希望在2020這個粒子物理的諾貝爾大年他能夠有所收穫。

除了怎麼蓋樓，給大樓裡的房間找住戶也曾是粒子物理學家們的重要工作。1973年，小林誠和益川敏英預言了當時並未被發現的兩種夸克，它們分別是底夸克和頂夸克，這就好比二人提出要給大廈加兩個房間，同時還猜到了將要來的客人長啥樣。

1988年，隨著底夸克被發現，標準模型中預言的六種夸克中，已經有五種被找到，但頂夸克還遲遲不見所蹤。如果找不到頂夸克，那麼整個標準模型就將遭到質疑。如果找到了它，則又將是標準模型的一個勝利。

作為標準模型中的最後現身的夸克，頂夸克質量比別的夸克都重得多，這意味著找到它需要更大的能量。

在自然條件下，宇宙高能射線和大氣層中的空氣分子相碰撞時有可能會產生頂夸克，但人類在大氣層中找頂夸克則無異於是大海撈針，於是就只能藉助於人造粒子加速器的力量了。底夸克發現後，科學家們滿懷希望地期待著各大高能粒子加速器傳出捷報。然而，這一等就又是7年，直到1995年頂夸克才被費米實驗室發現。最終，頂夸克的質量比科學家們最初的估計足足重了4倍。截至2010年，也只有兆電子伏特加速器及大型強子對撞機才能產生如此高的能量。

兆電子伏特加速器（左）和大型強子對撞機（右） 來源：維基百科"粒子加速器"

2008年，小林誠和益川敏英因為理論上預言頂夸克而獲得諾貝爾獎，但在加速器上完成實驗驗證的科學家們卻沒有能夠一同獲獎。作為對比，理論上預言了粲夸克存在的幾位科學家沒能獲獎，但在實驗中找到它們的丁肇中和裡克特則在成果公布後的第三年就獲得了諾貝爾獎。因此，很多人都看好粲夸克的預言和頂夸克的實驗驗證能夠有朝一日獲得諾貝爾獎。

最後，雖然標準模型的大廈已經修建得十分富麗堂皇了，但它還稱不上完美，科學家們仍然可能更改設計，或者預測潛在的新客人。此外，引力尚未被納入標準模型的體系中，它們之間在某些情形下存在矛盾。統一引力和標準模型的所謂萬有理論，可以說是所有理論物理學家的終極夢想。遺憾的是，關於萬有理論，近幾十年來仍然沒能取得足以得到學術界公認的重量級成就。

粒子物理學標準模型在物理學體系中所處的位置 來源：維基百科"萬有理論"

今年的諾貝爾物理學獎到底會花落誰家？我們拭目以待吧。