當上帝巡視他所創造的世界時,他先是驚訝於它的美麗,接著又發現,這個世界實則也是令人厭煩的。於是,他進行了一番計算,然後高興地笑了。他使宇宙膨脹並冷卻下來。
瞧,宇宙已經足夠涼爽,他的可靠而忠實的使者一一希格斯場已經有了活力。在希格斯場的影響下,粒子開始從場中吸允能量,逐漸變大;同時,作用力和作用力的傳遞者也開始增多……
上帝被深深地打動了,情不自禁地大笑起來。不過,很快地,他又強壓笑容,招來了希格斯,帶著責備的口吻說道:「你為什麼要破壞世界的對稱性?」
希格斯被上帝語氣中流露出來的不滿嚇得膽戰心驚,他這樣辯解道:
「哦,主啊,我並沒有破壞對稱性。我只不過是把它隱藏在能量消耗的圈套中。這樣做,我的確使世界變得複雜啦。」
「誰能夠預見到,除了這一套枯燥沉鬱的相同物體之外,我們還能擁有核子、原子、分子、行星和恆星呢?」
「誰能夠預言日落、海洋和那些由被閃電和熱激發的各種討厭的分子所組成的有機物呢?又有誰能想到進化,以及那些物理學家們在竭力探求,而由我在為您效勞時小心隱藏起來的東西呢?」
上帝努力止住自己的笑容,原諒了希格斯,並提升了他。
上面這番調侃,出自愛開玩笑的美國物理學家利昂・萊德曼(1922-2018),在其於1993年出版的《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》一書。
萊德曼本人因發現μ子型中微子、揭示了輕子的內部結構而榮獲1988年諾貝爾物理學獎。他20年前的那個「預言」還真是靠譜——「苦海」裡遨遊良久的希格斯終於獲得「提升」,摘下了諾貝爾獎的桂冠。而希格斯玻色子(希格斯粒子)的綽號——「上帝粒子」得以廣為流傳,恰恰緣自萊徳曼的一句「詛咒」。
「上帝粒子」之父利昂·萊德曼 | 費米實驗室
說來話長
探尋物質最終要素是個老生常談的故事,科學家們為此付出了持續幾個世紀的努力。17世紀中葉,牛頓發現的萬有引力,可以解釋諸多看起來毫不相關的現象:潮汐、蘋果落地、行星運行和星系的形成。再往後,19世紀中後期,法拉第和麥克斯韋等人揭開了電磁波譜的秘密,電、磁、陽光、無線電波和X射線都被看作是同一種力的表現。在20世紀20年代,原子得到了解釋,從更基本的粒子的形式我們弄懂了原子核是什麼。1929年,勞倫斯建造了世界上第一臺粒子回旋加速器,打開了探索未知亞原子世界的大門……由此,我們一步步地形成了對天地萬物組成的基本認識。
讓我們將視線轉向1964年。這一年的8月,時為英國愛丁堡大學數學物理講師的彼得・希格斯,興致衝衝地寫了一篇論文投給歐洲的《物理快報》,但是,它卻被編輯以不宜發表為由拒絕了。希格斯對此「感到憤憤不平」,因為他相信他所證明的東西在粒子物理學中會有很重要的結果,同行們顯然沒有理解他工作的真諦。次年希格斯到哈佛大學做報告,聽眾同樣對他的理論持懷疑態度。一位哈佛大學的物理學家後來承認,他們「一直期待著折磨一番這個自以為可以繞開戈德斯通定理的白痴」。
彼得・希格斯 | wiki commons
再說當年,在對自己的論文略作修改後,希格斯把它投給了《物理快報》的競爭對手、美國的《物理評論快報》。這篇論文被送到「識貨」的南部一郎(2008年諾貝爾物理學獎得主)手中,請他做同行評議。南部要求希格斯評論一下他的論文與比利時物理學家羅伯特・布勞特與弗朗索瓦・恩格勒剛剛(1964年8月31日)在同一期刊發表的論文之間的關係,解釋其理論的物理學意義。
希格斯此前從未聽說過布勞特與恩格勒針對同一問題所做的工作,於是他聽從建議,在自己發表於1964年10月19日、只有兩頁半篇幅的論文中加了一則註腳,表示注意到了他們的論文;又在正文中添加了最後一段,對「標量玻色子和矢量玻色子的不完全重態」的可能性表示了關注,並相當隱晦地提到了存在另一個有質量且自旋為零的玻色子的可能性,即存在希格斯場的量子粒子的可能性。這種能吸引其他粒子進而產生質量的粒子,就是著名的希格斯玻色子(這個名字實際上是在1972年以後オ廣泛叫開的)。根據希格斯模型,基本粒子是跟一種看不見的、無所不在的場發生相互作用而獲得了質量。
到了20世紀70年代,通過對多種粒子的研究,物質的所有性質原則上都可以用一種相對簡單並更有條理的理論來解釋,即把現實中的一切歸結為大約12種粒子和4種作用力。這種數學上自洽的理論被稱為「標準模型」。它將那些組成天地萬物的所有基本微粒系統地分門別類,形成了一張簡單的列表,並闡明了微粒之間相互作用的規律。「標準模型」預言了62種基本粒子的存在,其中61種粒子相繼被實驗所證實,只有希格斯玻色子難覓蹤影。
基本粒子的標準模型 | wiki commons
這究竟是什麼緣故?
萊德曼在他那部科普著作中「咬牙切齒」地寫道:「宇宙中有一個無所不在、幽靈一樣的大壞蛋,正在阻止我們理解物質的真正本質,阻止我們獲得終極的知識。」這個看不見的阻止我們了解真相的障礙叫希格斯場。它那陰冷的觸角伸向宇宙的各個角落,而它的科學和哲學意義讓物理學家起了一身雞皮疙痞。希格斯場通過希格斯玻色子來施展它邪惡的魔力。
希格斯場通過希格斯玻色子來施展它邪惡的魔力 | 圖蟲創意
這種粒子對於我們最終理解物質的結構舉足輕重;而同時,它又是那樣的難以琢磨,所以,菜德曼給它取了一個綽號:上帝粒子( God Particle)。不過,菜德曼原來取的名字是「該死的粒子」( goddamn particle):「考慮到它那『惡毒』的本性,再加上花在它身上的巨額資金,我認為這個名字可能更加合適。」但出版商不幹,於是變通一下,就成了「上帝粒子」。
尋找希格斯玻色子正是建造超級對撞機的主要原因之一。物理學家需要希格斯玻色子來解釋一個對普通人來說不是問題的問題:萬物皆有質量。
大型強子對撞機質子碰撞引起的希格斯玻色子候選事件 | wiki commons
2012年7月4日,位於日內瓦的歐洲核子中心舉行發布會宣布「發現了一種和希格斯玻色子的性質非常相符的粒子」。恩格勒與希格斯也應邀出席了發布會(他們是第一次見面。布勞特久病不治,已於2011年5月去世)。會場上,希格斯流下了激動的熱淚一一這一刻,他苦苦等了48年之久。2013年10月8日,瑞典皇家科學院宣布,本年度的諾貝爾物理學獎由恩格勒與希格斯共同分享。這一結果,不出許多業界人土的預料。
人們或許會感到奇怪,上帝粒子的提出和發現並非希格斯一人之功,為什麼先前「名分」都安在了希格斯頭上?或者說,希格斯的名氣何以要遠遠大於布勞特與恩格勒?據中國高能物理學家那志忠考證,這與美國物理學家史蒂文・溫伯格的一失「手」成千古恨多少有些關係。溫伯格在1967年基於布勞特一恩格勒一希格斯機制建立了統一電磁力和弱核力的標準模型(他因此於1979年獲得了諾貝爾物理學獎),電弱理論預言了希格斯粒子除了它質量以外的所有性質。可是,溫伯格在引用這兩組人1964年發表的研究成果時,卻不經意地把希格斯的論文排在了布勞特與恩格勒的論文之前(儘管後者完成的論文發表時間要比前者早一個月)。
更「出格」的是,溫伯格在自己發表於1971年的一篇論文引述中,將希格斯發表第一篇論文的期刊名稱《物理快報》誤寫成《物理評論快報》(希格斯這篇與電弱統一理論毫無關係的論文發表於1964年9月15日,不是前述被編輯「斃」掉的那篇),這樣表面看起來似乎希格斯的工作要明顯早於布勞特與恩格勒的工作。
可笑的是,許多作者並不認真查看原始文獻就搬用,將溫伯格的筆誤進一步擴大化,在一定程度上也成就了希格斯的盛名。直到2012年5月,溫伯格本人オ意識到自己的這一引用失誤,並就此做了公開糾正。同年9月,歐洲核子中心的官方網站將「希格斯機制」正式更名為「布勞特一恩格勒一希格斯機制」( BEH mechanism)。
希格斯勢與希格斯場的關係形狀好似一頂墨西哥帽 | wiki commons
有人說,實事求是的科學家都十分鄙視「上帝粒子」這個名稱,因為它誇大了希格斯粒子的重要性,並把公眾的注意力吸引到了物理學和神學之間的關係上,而這有時令人感到很不舒服。然而,不得不承認,它是一個深受科學記者和科普作家喜愛的名稱。
那麼,希格斯本人又如何看呢?有報導稱,希格斯最早得知粒子用自己的名字命名,是1972年在美國伊利諾州費米實驗室舉行的會議以後。他說,儘管他是最早將大家的注意力引向相關粒子的第一人,但這類理論中蘊涵的其他一切精髓不屬於他一個人。希格斯反對「上帝粒子」之類的標籤,雖然他本人是一名無神論者,卻擔心這個稱呼「會傷害篤信宗教者的感情」。
在「上帝粒子」的背後,揭示了一個輝煌的、令人目眩的世界。可很快我們便會察覺到,我們並沒有得到所有的答案:電子、夸克和黑洞裡面到底有什麼呢?這些問題將牽引著我們繼續探究下去。
美國著名天文學家兼科普作家卡爾·薩根認為,理解世界是一種享受,沒有被鼓勵著去積極思考的人是不幸的。
這本發掘經典科學著作理趣、展示科學閱讀之美、具有廣博科學視野的書評書話集,話題涉及不同領域近百部名著。縱橫捭闔中,既有時空背景科學江湖的還原顯現,又有思想觀點精神情感的激情碰撞。理解和欣賞科學,愛上科學閱讀,將從這裡啟程。
作者:尹傳紅
編輯:鞠強
排版:雷穎
題圖來源:wiki commons
參考資料:
[1]《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什麼是問題?》,[美]利昂・菜徳曼、迪克・泰雷西著,米緒軍、古宏偉、趙建輝、陳宏偉譯,尹傳紅校,上海辭書出版社;
[2]《希格斯——「上帝粒子」的發明與發現》,[英]吉姆・巴戈特著,邢志忠譯,上海科技教育出版社。
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