原標題:上帝粒子?該死的粒子!
這是LHC設備中ATLAS探測器得到的一幅圖像,圖中4條紅線可能是μ子,它們可能是短壽命並瞬間衰變消失的希格斯粒子產生
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,它的可靠而忠實的使者——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。
這番調侃,出自愛開玩笑的美國物理學家利昂·萊德曼的《上帝粒子》一書。他這番20年前的「預言」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,恰恰緣自萊德曼的一句「詛咒」。
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。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。
視線轉向1964年。這一年8月,時為英國愛丁堡大學數學物理講師的彼得·希格斯,寫了一篇論文投給歐洲的《物理快報》,但被編輯以不宜發表為由拒絕了。希格斯對此「憤憤不平」。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」。
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》。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R.布勞特與弗朗索瓦·恩格勒特剛剛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特針對同一問題所做的工作,於是他聽從建議,在自己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。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。
到底是什麼東西在阻礙呢?
萊德曼在《上帝粒子》中「咬牙切齒」地寫道:「宇宙中有一個無所不在的幽靈一樣的大壞蛋,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。」這個障礙叫希格斯場。它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瘩。希格斯場通過希格斯玻色子來施展它的邪惡的魔力。
這種粒子對於我們最終理解物質的結構舉足輕重;而同時又是那樣難以琢磨,萊德曼給它取了一個綽號:上帝粒子(God Particle)。他原來取的名字是「該死的粒子」( Goddanmn 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。
2012年7月4日,位於日內瓦的歐洲核子中心舉行發布會,宣布科學家發現了希格斯粒子的存在。恩格勒特與希格斯也應邀出席了這個發布會(他們是第一次見面,布勞特已於2011年去世)。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特與希格斯共同分享。