微觀世界的「上帝粒子」是怎麼一回事,它和「上帝」有沒有關係?

「上帝粒子」與上帝無關

希格斯玻色子常被媒體稱為「上帝粒子」。當歐洲核子研究中心在2012年7月4日宣布發現具有希格斯玻色子若干特徵的新粒子後，提出相關理論的英國愛丁堡大學退休教授彼得·希格斯成了關注焦點。在愛丁堡大學於7月6日請希格斯教授出席的新聞發布會上，他在回答相關問題時作了如下的解釋。

「『上帝粒子』這個名字與我沒有關係，它來自一個玩笑。」希格斯說，多年前有人在撰寫關於希格斯玻色子的文章時，由於覺得這種粒子實在太難找到，便開玩笑地將其稱為「上帝詛咒的粒子」。但後來某位編輯覺得這個名字不太好，就將其改成了「上帝粒子」。所以，「上帝粒子」是對一種新的亞原子粒子——希格斯粒子的風趣稱呼。

希格斯說，科學家們在進行嚴肅討論時都不用「上帝粒子」這個名稱，但它的確非常吸引普通公眾的眼球。

尋找希格斯粒子非常不容易，需要有巨大的能量，而產生超高能量需要世界上最強大的粒子加速器將粒子加速後對撞。希格斯粒子壽命非常短暫，只有億億分之一秒，即使在實驗中產生了希格斯粒子，它也會立即衰變成其他粒子。科學家們只能從衰變產生的粒子中尋找希格斯粒子的蛛絲馬跡。

歐洲核子研究中心（CERN）早鳥曾宣布，CERN的Atlas（超環面儀器）實驗和CMS（緊湊繆子線圈）實驗都觀測到新粒子，該粒子與科學界尋求已久的被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子疑似。

「CERN公布的只是一個初步結果，目前還不能最終確認觀測到的新粒子就是希格斯玻色子。」中科院高能所兩位科學家表示，雖然科學家們心中都認為新粒子很可能是「上帝粒子」，但是為了科學的嚴謹性，至少需要一年以上時間才能確認結果。

基本粒子不基本

自從文明的曙光降臨大地，人類便孜孜不倦地探求宇宙內在的規律。 面對千變萬化的自然現象，人類自古以來就企圖用少數幾種「元素」來歸納它們。到了19世紀末期，科學家們認為所有物質都是由不可分割的原子組成的。可是人們發現了「放射性」現象。

「放射性」這個術語是居裡夫人提出來的，用來描述鈾的輻射能力。

放射性元素能夠自發地從不穩定的原子核內部放出粒子或射線（α射線、β射線、γ射線等）。α射線是高速的氦原子核，β射線是高速電子流，γ射線是光子。

在β衰變中，放射性元素的原子核內的一個中子衰變成一個質子、一個電子以及一個反中微子。

如果不假定有反中微子的存在，在β衰變中，能量將不守恆，這在物理學中是不能接受的，所以在1931年，奧地利科學家泡利提出了中微子假設。他假定在放射性元素β衰變中，產物粒子不僅僅是電子，還有一個中性的微小粒子，即中微子，中微子的質量假定是零。

到了上世紀30年代初期，物理學家感到很滿意，因為他們找到了構成原子的基本粒子。它們是那樣的簡單，一共是4種粒子，即質子、中子、電子以及假設中的中微子。當然還有光子，光子是電磁波的基本粒子。

可是，物理學家並不滿足，他們著手進一步研究質子和中子的內部結構。在1935年，日本科學家湯川秀樹假定原子核內有π介子的存在，這個預言在1947年被實驗證實。

所謂介子，是指質量在質子和電子之間的粒子。由於宇宙射線的觀測以及加速器技術的發展，科學家們發現了許多介子，它們有π±，π0，ρ，k±，k0 等等。這些粒子都是短壽命的，存在時間不超過1微秒。此外，科學家們還發現了質量比質子大的許多重子：Σ±，Σ0，Ξ±，Ξ0，Λ等等。每種粒子都有反粒子，這樣一來，基本粒子的總數達數十種。情況似乎回到了門捷列夫發現元素周期律前的狀態。

基本粒子的質量用兆電子伏特（MeV）表示， 1000兆電子伏特 = 1京電子伏特（GeV）。電子質量是0.51 MeV；質子質量是938 MeV，接近於1 GeV。

其實，後來發現的所謂「基本粒子」，壽命不超過1納秒，連一瞬間都說不上，所以稱為共振態粒子。上世紀50 年代初，一些大型加速器陸續建成，使人們有可能利用加速器所加速的粒子來轟擊原子核。自1951年美國物理學家費米首次發現共振態粒子以來，到1964年人們發現的粒子種類達到了33種。至上世紀80年代，已發現的共振態粒子達300多種。物理學家們頭暈了。

標準模型是怎麼一回事

除了基本粒子的研究，物理學家把自然界的相互作用力歸納為四種力，它們是萬有引力、電磁力、強相互作用力和弱相互作用力。當人們的研究逐步進入原子核內部後，理論物理學家們開始嘗試著建立一種統一的理論來解釋後面這三種力，這就是粒子物理的「標準模型」。

標準模型把基本粒子分類為費米子和玻色子兩類粒子——費米子是組成物質的粒子，玻色子則是傳遞各種作用力的粒子。費米子被物理學家比喻為建造宇宙萬物的磚塊，玻色子則被比喻為水泥。質子和中子屬於費米子，π介子是玻色子。光子能夠傳遞電磁力，被歸為玻色子。

「基本粒子」如此之多，難道它們真的都是最基本、不可分的嗎？近40年來大量實驗事實表明中子和介子等是有內部結構的。於是在1964年，美國物理學家蓋爾曼提出了夸克模型，他認為介子由夸克和反夸克所組成，重子由三個夸克組成。他因此獲1969年物理獎。

在夸克理論提出後，人們認識到基本粒子本身也有複雜的結構，故現在的「基本粒子」的提法與1964年以前不同。物理學家根據作用力的不同，把費米子分為強子和輕子，加上玻色子，共三大類。

強子就是所有參與強力作用的粒子的總稱，它們由夸克組成。已發現的夸克有6種，它們是：頂夸克、上夸克、下夸克、奇異夸克、粲夸克和底夸克。其中理論預言的頂夸克，在2007年由美國費米實驗室發現。現有粒子的絕大部分屬於強子，例如質子、中子、π介子等等。

輕子就是只參與弱力、電磁力和引力作用，而不參與強相互作用的粒子的總稱。輕子共有6種，包括電子、電子中微子、μ子；μ中微子、τ子、τ中微子。電子、μ子和τ子是帶電的，中微子都不帶電；τ子是在1975年發現的，又叫重輕子。

玻色子也屬於基本粒子。傳遞弱核力的有W玻色子及Z玻色子，傳遞強核力的有8種膠子，它們統稱為「規範玻色子」。

由於「基本粒子」不基本，所以物理學家有時把那些後來發現的粒子稱為亞原子粒子。

「標準模型」是現代物理學家的「傑作」。我現在把它稱為粒子物理學的「三角大樓」，它是支配建造宇宙萬物的「司令部」。現在，三個大樓中的有些人員已經到位並開始工作，可是中央控制室的「首長」卻遲遲沒有出現，作為「三角大樓」設計師的現代物理學家怎麼會不著急呢？

在「標準模型」中，理論物理學家們假定傳遞弱核力的物理場是「規範場」，類似於光子，理論上「弱力規範場」的質量為零。如果這樣，怎麼說明質子、電子有靜止質量呢？也就是說，理論物理學家們看好的「規範場論」一開始就遇到了嚴重的困難。這時，希格斯等人想出了一個補救的辦法，他們在1964年提出，在弱力規範場的數學方程式中人為地加上一個函數項。這個函數項被解釋為來源於「真空」，它被稱為希格斯機制，後來又被稱為「希格斯場」，也稱為希格斯玻色子。總之，有了希格斯先生假定的函數項，理論物理學家們可以調節數學方程式中的幾個參數，預言了W玻色子及Z玻色子，後來它們在高能加速器實驗中被發現。正因為這樣，希格斯玻色子被稱為物質的質量之源。

令人著急的是，支配建造宇宙萬物粒子物理學的「三角大樓」的「司令部」的「首長」——希格斯玻色子卻遲遲沒有出現。如果找不到這種粒子，「標準模型」的「三角大樓」將成為一項「爛尾工程」。

探索「上帝粒子」的代價和前景

今年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）終於宣布在能量為125GeV附近找到了一種新亞原子粒子，這種粒子有可能就是「上帝粒子」——希格斯玻色子。為了這個結果，歐洲核子研究中心不惜耗費了10年時間，耗資133億美元，建造了大型強子對撞機（LHC）。

大型強子對撞機的作用，是讓高能質子兩兩對撞，捕獲所產生的「碎片」，科學家需要從這些「碎片」中尋找「上帝粒子」。用碰撞的方法將微觀粒子打碎，可以比喻為將兩個西瓜用力撞碎，這樣我們就能看到裡面有些什麼。只不過微觀粒子內部極為複雜，撞擊之後所產生的「碎片」，也是各式各樣，再進一步研究碰撞後到底能產生什麼新粒子。

這次發現新亞原子粒子的歐洲大型強子對撞機，被深埋在100米的地下，周長有27公裡，探測器有三四層樓房那麼高，完全可以稱得上是個「巨無霸」。只要高能質子相撞時的速度足夠大，在這些碎片中就有可能發現一些以前從未出現過的微觀粒子。

在前三年上億次數據採集、分析的基礎上，歐洲核子中心的科學家們在2011年逐漸發現了一些新粒子存在的跡象。到2012年數據中新信號的統計顯著性比較讓人信服，新粒子是確實存在的。2012年6月下旬，歐洲核子中心內部決定在7月4日公布這個重大發現。他們從對撞機上取下最後一批數據，分析出結果，再在3000多人的合作組內通過評審，留給科學家的時間實際上只有兩周。歐洲核子中心大型強子對撞機上的CMS和ATLAS實驗都報告稱發現了新粒子，儘管大型強子對撞機所發現的這個新粒子的一些特性與尋找了幾十年的希格斯玻色子接近一致，但所發現的事例數還太少，並不能排除是其他粒子的可能。要最終證實這個新粒子是不是「上帝粒子」，還需要驗證它的很多物理性質。這可能要花很長的時間，甚至需要再建造一個正負電子對撞機來對這一粒子的性質做出判斷。

大型強子對撞機的實驗，無疑是人類在探索微觀世界歷程中的壯舉。「上帝粒子」有待進一步的驗證，它不是探索終點。

物理學家們懷著宗教般的虔誠，一直致力於理解物質的本質，企圖完成對所有物理現象的統一理論，從而獲得整個世界的終極知識。在建立終極理論的過程中，主流物理學家目前最關心的是希格斯粒子的發現，它似乎具有能左右21世紀物理學發展方向的重要因素。為了完成大統一理論，希格斯粒子成為統一「電磁力」與「弱力」的關鍵。物理學家還在努力尋找這兩者加上「強力」三者之間的關係。能統一說明此三者之間關係的理論即是大名鼎鼎的「大統一理論」（GUT， grand unified theory），如果再進一步，應該還有包括「重力」在內的理論。

人們或許要問，如果發現的新粒子最終證明不是希格斯玻色子，怎麼辦？其實，理論物理學家是如此地有信心，很大程度上是仗著「no lose theorem」（永遠不敗定理），這個詞彙是由幾位幽默的物理學家調侃出來的。在他們的「標準模型」中有幾個參數可以調節，即使 「標準模型」有問題，還有非標準的模型，比如超弦理論、超對稱理論和超引力理論。它們預言了好幾個候補的xxx粒子，所以能永遠不敗。

科學史表明，一個物理理論是否代表真理，需要幾十年甚至上百年的實驗檢驗。