2013年諾貝爾物理學獎得主是比利時物理學家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學家彼得·希格斯,兩人描述了粒子物理學的標準模型,其預測的基本粒子——希格斯玻色子,2012年被歐洲核子研究中心運行的大型強子對撞機通過實驗發現。
希格斯玻色子為什麼綽號叫「上帝粒子」?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?
希格斯曾被當作「自以為是的白痴」
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。
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……
1964年8月,時為英國愛丁堡大學數學物理講師的彼得·希格斯,興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作報告,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」。
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·恩格勒特剛剛(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,提出存在一種粒子場,並預言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。
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。一切物質的質量都由希格斯場的存在而決定。
希格斯玻色子
有個「惡毒」的綽號
到了20世紀70年代,通過對多種粒子的研究,科學家確定,基本粒子是構成一切物質實體的基本成分,提出「標準模型」理論,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。
愛開玩笑的美國物理學家利昂·萊德曼在他1993年出版的科普著作《上帝粒子》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,希格斯場通過希格斯玻色子來施展它邪惡的魔力。
所以,萊德曼給它取了一個綽號:上帝粒子。不過,萊德曼原來取的名字是「該死的粒子」:「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。」但出版商覺得不雅,於是變通一下,就成了「上帝粒子」(萊德曼榮獲1988年諾貝爾物理學獎。)
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。
希格斯「貪功」源於筆誤
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?
據學者考證,這與1979年諾貝爾物理學獎獲得者、美國物理學家史蒂文·溫伯格的筆誤多少有些關係。
溫伯格在1967年基於布勞特—恩格勒特—希格斯機制,建立了統一電磁力和弱核力的標準模型,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特的論文之前,而且把期刊名稱也寫錯了。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特的工作。
可笑的是,許多研究論文的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。
希格斯其人十分低調、謙和,多年來面對媒體時他一直不願直呼那個粒子的學名,而稱之為「以本人命名的玻色子」。他甚至認為,其他幾位同樣作出了重要貢獻的同行因此而受到了不公正的對待。他也反對「上帝粒子」之類的標籤。
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。
尹傳紅 著名科普作家 《上帝粒子》的校譯
上帝粒子:一隻看不見的足球
用超級對撞機尋找上帝粒子,對外行而言充滿了黑箱操作的神秘。但萊德曼說,一點也不神秘,只要你看過足球比賽。
還是打個比方吧,他說,幾個外星人到地球來看英超比賽,阿森納對陣曼聯,外星人長得和地球人一模一樣,只是有點黑白色盲,看不見黑白對比的物體,比如斑馬、足球。他們看到一群穿著短褲的人在場地上跑來跑去,盲目地踢腿,經常飛鏟,人仰馬翻。
外星人一頭霧水,又不好意思問。於是他們就展開研究。
這時一個外星人突然說,我們能不能假設有一個看不見的球?這個外星人注意到了一些很少出現的事件:在人群歡呼的一瞬間,在比分牌改寫之前,球網後面一剎那凸起了一塊。而這個凸起呈半圓形。
外星人經過討論,覺得假設這樣一個球存在,那麼一切的困惑就迎刃而解。
希格斯玻色子就是那個看不見的足球。