神秘“上帝粒子”或被發(fā)現(xiàn)

Q：7月初，歐洲核子研究中心宣布發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其特征與號(hào)稱(chēng)“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合，引起了學(xué)界的轟動(dòng)和社會(huì)的關(guān)注。但在之前的報(bào)道中，我們注意到，您說(shuō)您不太喜歡“上帝粒子”這個(gè)稱(chēng)呼，總要改口說(shuō)是“希格斯粒子”。為什么有人會(huì)把希格斯粒子稱(chēng)為“上帝粒子”？您為什么不喜歡這個(gè)稱(chēng)呼？

1964年，英國(guó)物理學(xué)家彼得?希格斯發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)理論文章，提出了希格斯機(jī)制，預(yù)言存在一種能使其他粒子獲得質(zhì)量的玻色子。他認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源。“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者萊德曼對(duì)希格斯玻色子的別稱(chēng)。

我之所以不喜歡“上帝粒子”這個(gè)稱(chēng)呼，是因?yàn)樗粶?zhǔn)確。科學(xué)地講，它是所有基本粒子的質(zhì)量之源。根據(jù)物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型和大爆炸理論，我們的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸剛發(fā)生時(shí)，產(chǎn)生無(wú)數(shù)的正反粒子，當(dāng)然也產(chǎn)生了希格斯粒子。輕子和夸克通過(guò)與希格斯場(chǎng)的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子凝聚成物質(zhì)，通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的演化形成了現(xiàn)在的宇宙，由此人們將希格斯粒子比喻成“上帝粒子”。

Q：有媒體說(shuō)，希格斯粒子是一切物質(zhì)的質(zhì)量之源，那么是不是說(shuō)世間萬(wàn)物中應(yīng)該都存在著希格斯粒子，我們的身體中是不是也存在它呢？

我們的身體都是由分子組成的，分子又是由原子構(gòu)成，原子由原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子又是由夸克和膠子組成，而夸克和電子等的質(zhì)量都來(lái)源于希格斯粒子。但是希格斯粒子在137億年前的宇宙大爆炸開(kāi)始后，馬上就衰變掉，沒(méi)有了。所以我們身體中沒(méi)有希格斯粒子，但有很多夸克、電子等基本粒子。

Q：希格斯粒子究竟有多大？如果它真的存在，物理學(xué)家們?cè)鯓诱业剿兀?/p>

希格斯粒子的質(zhì)量是大約是126.5GeV（GeV是10億電子伏特），是質(zhì)子質(zhì)量的125倍。它的大小，目前我們還沒(méi)有測(cè)定。你可以想象一下，它相當(dāng)于幾何意義上的一個(gè)點(diǎn)，沒(méi)有大小。其他粒子也一樣，比如電子、夸克，都可以理解為幾何意義上的一個(gè)點(diǎn)，它們沒(méi)有大小。

由于在宇宙大爆炸后，希格斯粒子的使命就完成了，它就沒(méi)有了，因此現(xiàn)在我們?yōu)榱苏业剿荒芾么笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)（簡(jiǎn)稱(chēng)LHC）模擬大爆炸起始時(shí)刻，重新“制造”出希格斯粒子。怎么制造呢？我們用質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞的方法。質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞，會(huì)產(chǎn)生出希格斯粒子，但這概率很小很小。更麻煩的是，希格斯粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，十億分之一秒后就會(huì)衰變成光子和強(qiáng)子等其他粒子，因此很難找到它。希格斯粒子有幾種衰變模式，其中一種模式就是衰變成雙光子。光子大家知道嗎？太陽(yáng)光就是由很多很多光子組成，不過(guò)太陽(yáng)光的能量是很低的，屬于電子伏特這個(gè)級(jí)別。而希格斯粒子衰變出來(lái)的光子，能量很高，相當(dāng)于幾百億電子伏特，比太陽(yáng)的光子能量高幾百億倍。我們通過(guò)探測(cè)這雙光子，來(lái)反推它是不是由希格斯粒子產(chǎn)生后衰變出來(lái)的。

Q：希格斯粒子既然這么難找，那科學(xué)家們會(huì)通過(guò)怎樣的物理科研裝置去捕獲它？

為了捕獲希格斯粒子，我們?cè)贚HC上制造了兩個(gè)規(guī)模很大、高精度的粒子探測(cè)器ATLAS和CMS，來(lái)進(jìn)行光電信號(hào)的收集。CMS（緊湊繆子線圈）探測(cè)器的外形像一個(gè)啤酒桶，有30米高，相當(dāng)于10層樓那么高，里面塞滿了各種設(shè)備。其中測(cè)量光子的探測(cè)器是用一種晶體做的。探測(cè)器端蓋部分的電磁量能器的晶體，由上海一家單位研制，它在尋找希格斯粒子中起到很大作用，因?yàn)楣庾泳褪强窟@個(gè)晶體來(lái)測(cè)量的。ATLAS（超環(huán)面儀器）實(shí)驗(yàn)測(cè)量光子利用的是另外一種技術(shù)。

Q：之前，物理學(xué)大師霍金都不相信希格斯粒子的存在。那么現(xiàn)在物理學(xué)家們找到的新粒子究竟是不是希格斯粒子？

英國(guó)物理學(xué)家彼得?希格斯提出希格斯粒子的存在，認(rèn)為基本粒子的質(zhì)量是由希格斯粒子提供的，這實(shí)際上只是一種猜測(cè)，是理論上的一種假設(shè)。在未找到希格斯粒子之前，這個(gè)假設(shè)是對(duì)還是錯(cuò)還不知道。

霍金支持一種超弦理論，在超弦理論中，沒(méi)有希格斯粒子的位置。他認(rèn)為，我們的時(shí)空具有更高的維度，比如5維、6維、7維、8維、9維等。在高維度時(shí)空中，基本粒子自己能產(chǎn)生質(zhì)量，不需要希格斯粒子提供。他預(yù)測(cè)，在質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生小的黑洞。黑洞產(chǎn)生后，會(huì)馬上蒸發(fā)掉，然后產(chǎn)生很多強(qiáng)子。但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他所謂的神秘黑洞，而看到類(lèi)似希格斯粒子的新粒子。因此，霍金之前出100美金跟人打賭，說(shuō)希格斯粒子并不存在，他打輸了。

Q：如果這次能夠確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的真是希格斯粒子，對(duì)物理學(xué)有哪些意義？有人說(shuō)，發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，我們就能進(jìn)行時(shí)空旅行了，這是真的嗎？

如果能證實(shí)這次發(fā)現(xiàn)的就是希格斯粒子，這是我們?nèi)祟?lèi)認(rèn)識(shí)自然的一個(gè)里程碑。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型（所謂標(biāo)準(zhǔn)模型，就是描述基本粒子相互作用規(guī)律的理論）這個(gè)理論通過(guò)前面的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，是沒(méi)有問(wèn)題的，能被廣泛接受，因?yàn)檫@個(gè)體系中的其他粒子都已經(jīng)找到了，只剩希格斯粒子沒(méi)有找到。如果希格斯粒子也被找到了，那我們的物理學(xué)就有再往前進(jìn)一步的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，它的發(fā)現(xiàn)也會(huì)載入科學(xué)發(fā)展史冊(cè)。

之前也有很多人認(rèn)為，宇宙間存在著蟲(chóng)洞、白洞、黑洞等，通過(guò)這些洞，人類(lèi)就可以進(jìn)行時(shí)空旅行。不過(guò)，這些說(shuō)法目前還沒(méi)有被證明。希格斯粒子和時(shí)空旅行沒(méi)有關(guān)系。

Q：目前，像歐洲核子研究中心這樣的權(quán)威機(jī)構(gòu)也尚未確認(rèn)這次發(fā)現(xiàn)的新粒子就是希格斯粒子，那何時(shí)才能最終確定找到的新粒子是否就是希格斯粒子？

要確認(rèn)新發(fā)現(xiàn)的粒子是否是標(biāo)準(zhǔn)理論預(yù)言的希格斯粒子，它的很多性質(zhì)還需要去驗(yàn)證。但這需要大量的粒子做統(tǒng)計(jì)，因?yàn)橹挥袔讉€(gè)粒子是無(wú)法測(cè)定的。只有當(dāng)這種粒子很多很多時(shí)，我們才能將其性質(zhì)測(cè)定清楚。這需要大量的時(shí)間，我們現(xiàn)在尋找希格斯粒子的實(shí)驗(yàn)是2010年3月開(kāi)始的，到目前為止有2年多的時(shí)間，但找到的這種新粒子只有十幾個(gè)，統(tǒng)計(jì)意義還很小。而要搞清楚它的性質(zhì)，需要幾千個(gè)上萬(wàn)個(gè)這種粒子才行。因此，要想弄清楚發(fā)現(xiàn)的新粒子是不是希格斯粒子，我們還有很長(zhǎng)的路要走。

目前，用于尋找希格斯粒子的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，可能還不適合去研究它的性質(zhì)，因此可能還要一個(gè)高能的電子對(duì)撞機(jī)去研究它。這兩種對(duì)撞機(jī)的基本原理不一樣，強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是利用質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞，而電子對(duì)撞機(jī)是利用電子與電子對(duì)撞。但電子對(duì)撞機(jī)的想法剛剛開(kāi)始提出，正在討論，因此何時(shí)才能最終確認(rèn)找到的新粒子是否是希格斯粒子，現(xiàn)在尚不能確定。

Q：有人在聽(tīng)到這則新聞時(shí)就心有懷疑，覺(jué)得這個(gè)粒子找到也好，找不到也罷，對(duì)普通公眾來(lái)說(shuō)最多只是一時(shí)的談資而已，而開(kāi)展這種時(shí)間久、耗費(fèi)大，又看不出如何能促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的科學(xué)項(xiàng)目，除了滿足科學(xué)家的好奇心外，對(duì)我們普通人的生活究竟有多少影響呢？

我們進(jìn)行的基礎(chǔ)研究，對(duì)人類(lèi)文明進(jìn)步的貢獻(xiàn)有以下幾個(gè)方面：

首先，基礎(chǔ)研究是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。19世紀(jì)初，牛頓力學(xué)就能解釋一切。根據(jù)牛頓力學(xué)，我們就知道了“宇宙”（實(shí)為太陽(yáng)系）不是以地球?yàn)橹行亩且蕴?yáng)為中心，地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)。牛頓力學(xué)還推動(dòng)了以蒸汽機(jī)為代表的英國(guó)工業(yè)革命。

20世紀(jì)初，物理學(xué)發(fā)生了一次革命，建立了量子力學(xué)體系，還有愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，這是科學(xué)的革命。因?yàn)樵谖⒂^領(lǐng)域，牛頓力學(xué)不適用了，需要量子力學(xué)和相對(duì)論來(lái)代替。量子力學(xué)與相對(duì)論剛提出來(lái)的時(shí)候，和我們生活是沒(méi)什么關(guān)系，但是在這基礎(chǔ)上后來(lái)發(fā)展起了很多新技術(shù)。比如半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，就是從量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，芯片也是。半導(dǎo)體的收音機(jī)、電視機(jī)、電子計(jì)算機(jī)、手機(jī)等，現(xiàn)在任何工業(yè)都離不開(kāi)這芯片。正是這些基礎(chǔ)科學(xué)研究，一步步推動(dòng)著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步。假如沒(méi)有芯片，互聯(lián)網(wǎng)、手機(jī)等方便我們生活的設(shè)施、設(shè)備都無(wú)從談起。當(dāng)然，從基礎(chǔ)研究到真正可以改善我們生活之間還有一個(gè)過(guò)程，它需要在基礎(chǔ)性研究的基礎(chǔ)上有新的發(fā)明創(chuàng)造。我們對(duì)希格斯粒子的研究也不例外，現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)看上去離實(shí)用很遙遠(yuǎn)，但對(duì)未來(lái)生活的影響不可估量。

其次，為了進(jìn)行基礎(chǔ)的、前沿的研究，我們需要很多高新技術(shù)。比如，為了尋找希格斯粒子，建造了大型的強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)和探測(cè)器，這些技術(shù)都是在這些基礎(chǔ)研究上發(fā)展起來(lái)的。這些基礎(chǔ)技術(shù)在我們生活中也有很多應(yīng)用。比如加速器在醫(yī)療方面可以治療癌癥。它可以將粒子加速，去攻擊癌細(xì)胞，將癌細(xì)胞殺死。斷層掃瞄、核磁共振、伽馬刀以及醫(yī)療上診察、診斷的一些設(shè)備也都是在粒子探測(cè)器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。再比如保鮮方面，將魚(yú)撈起來(lái)，再用加速器對(duì)其進(jìn)行測(cè)照，殺死里面的細(xì)菌，將魚(yú)真空包裝以后，不需要防腐劑就可以保存很長(zhǎng)時(shí)間。另外，在我國(guó)，燒煤、燒油等會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生污染，如果用原子能的話，就會(huì)干凈得多。核廢料是件麻煩事，不過(guò)現(xiàn)在我們可以用在加速器基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，來(lái)處理核廢料。

探測(cè)器方面也有很多的用途。比如研究材料，它的性質(zhì)怎樣？它里面的細(xì)微結(jié)構(gòu)怎樣？結(jié)構(gòu)是怎樣影響它屬性的？為了弄清材料的這些問(wèn)題，就可以用探測(cè)器方面的技術(shù)如同步光，對(duì)它進(jìn)行測(cè)照，根據(jù)探測(cè)器探測(cè)到的信號(hào)，來(lái)判斷這種材料的結(jié)構(gòu)和性能。同樣的手段可以用來(lái)探測(cè)生物大分子、蛋白質(zhì)。比如探測(cè)蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)象，以及空間結(jié)構(gòu)在它的生命活動(dòng)中起了什么作用等，進(jìn)行生命科學(xué)研究。

這些技術(shù)幾乎可以應(yīng)用到所有的學(xué)科上，粒子物理學(xué)為各種科學(xué)研究提供了很好的基礎(chǔ)。在北京的高能物理研究所有一個(gè)對(duì)撞機(jī)，上面還有一個(gè)同步輻射裝置，能開(kāi)展材料研究、生物大分子研究等。因?yàn)橛脩籼嗔耍栽谏虾Ｓ纸ㄔ炝艘粋€(gè)同步輻射裝置，南方地區(qū)的研究可以到上海的同步輻射裝置那兒進(jìn)行。現(xiàn)在用戶還是不斷增加，我們還想在北京、廣東造一個(gè)更大的裝置，這些都是為了促進(jìn)其他基礎(chǔ)科學(xué)的研究與發(fā)展。可以說(shuō)，粒子物理研究對(duì)其他研究起了一個(gè)引領(lǐng)作用。

再舉個(gè)例子，我們現(xiàn)在離不開(kāi)的互聯(lián)網(wǎng)，也是從高能物理研究中發(fā)展起來(lái)的。高能研究所是中國(guó)第一家使用E-mail的單位，我本人也是在上世紀(jì)80年代就開(kāi)始使用E-mail了，那時(shí)全國(guó)很多地方都還沒(méi)有，只有一些職業(yè)特殊的用戶，才能使用E-mail，以后才推廣到全國(guó)的。所以高能物理的研究對(duì)我們?nèi)祟?lèi)進(jìn)步的貢獻(xiàn)是不可小視的。