“上帝粒子”趣事多

　　歐洲核子研究中心公布來自大型強(qiáng)子對撞器(LHC)的重要數(shù)據(jù)顯示，發(fā)現(xiàn)了疑似有“上帝粒子”之稱的希格斯玻色子。玻色子是一種比原子還小的粒子。在137億年前的宇宙大爆炸中，希格斯玻色子使物質(zhì)得到質(zhì)量(萬有引力則將質(zhì)量變成重量)，使恒星和行星都得以誕生，最終孕育生命。人類距離了解宇宙誕生之謎或?qū)⑦~進(jìn)一大步。
　　從愛因斯坦到霍金
　　我們知道，紛繁復(fù)雜的大千世界全靠4種基本作用力 來“管理”： 萬有引力、電磁力、強(qiáng)核力、弱核力。前兩種力是長程力，它們的作用范圍理論上可以達(dá)到無限遠(yuǎn)；而后兩種力都是短程力，一旦跨出原子核，就變得微乎其微了。但是，20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家愛因斯坦卻認(rèn)為宇宙本質(zhì)上只有一種基本作用力，這4種力應(yīng)該可以統(tǒng)一成一種，因為他堅信自然是最簡單的。愛因斯坦的“大統(tǒng)一”還沒有實現(xiàn)，他就離開了人世。
　　1964年，英國愛丁堡大學(xué)物理學(xué)家希格斯提出了希格斯場的概念。1967年，物理學(xué)家薩拉姆和溫伯格把希格斯機(jī)制應(yīng)用到弱核力研究中，提出弱核力的傳遞粒子起初像光子一樣是沒質(zhì)量的，后來才通過希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量。這樣，電磁力和弱核力完成了統(tǒng)一。在統(tǒng)一了電磁力和弱核力后，又經(jīng)過數(shù)代物理學(xué)家的努力，一個可以解釋強(qiáng)核力、弱核力和電磁力的理論體系終于搭建起來了。這是粒子物理學(xué)迄今最完美的理論體系，一般稱之為“標(biāo)準(zhǔn)模型”。 希格斯場既然是一種場，那么也應(yīng)該有其相應(yīng)的傳遞粒子，這就是希格斯玻色子。
　　希格斯本人對于這個以他的名字命名的粒子的存在是充滿信心的，但大名鼎鼎的英國物理學(xué)家霍金卻堅持認(rèn)為希格斯粒子不存在。許多理論物理學(xué)家試圖不用希格斯玻色子來解釋目前已知的粒子和它們的質(zhì)量，但他們都沒有得到一個合理的模型，所以大部分學(xué)者還是接受希格斯玻色子這個假設(shè)。而霍金等一些科學(xué)家則支持超弦理論，這種理論能把包括引力在內(nèi)的自然界全部4種基本作用力統(tǒng)一起來，這是標(biāo)準(zhǔn)模型和超對稱理論做不到的，但超弦理論中并沒有希格斯粒子的位置。正因為這些，霍金才會出100美元跟人打賭說希格斯粒子并不存在。
　　因禍得福的一次退稿
　　1964年，希格斯寫了兩篇論文，探討了今天所說的希格斯場問題。學(xué)術(shù)期刊刊登了第一篇論文，但是把第二篇論文退回了。他的同行看了第二篇論文后，建議希格斯增加一段。希格斯于是在論文里添加了一段，探討如今大名鼎鼎的希格斯玻色子的存在性問題。預(yù)言宇宙中存在一種場，就像海洋中的波浪，能夠產(chǎn)生新的粒子。然后，他把新修改的論文再次投給學(xué)術(shù)期刊，終于得以發(fā)表。他所預(yù)言的新的粒子，就是后來大名鼎鼎的“上帝粒子”——希格斯玻色子。那是希格斯有關(guān)玻色子的設(shè)想第一次公開發(fā)表。不過，這篇在接下來的半個世紀(jì)中對大型強(qiáng)子對撞機(jī)實驗影響深遠(yuǎn)的文章其實并不長，甚至占不滿刊物的兩頁紙。
　　為什么叫玻色子呢？玻色是20世紀(jì)20年代與愛因斯坦合作的一位物理學(xué)家。玻色從來沒有獲得博士學(xué)位，也沒有獲得諾貝爾獎，但他對玻色子的研究獲得了物理學(xué)界的承認(rèn)。微觀粒子分為兩類：玻色子和費米子，希格斯玻色子屬于玻色子。兩個屬性相同的玻色子可以在同一時間出現(xiàn)在同一地點，而兩個費米子是不行的。比如，光子是玻色子，許多光子可以組成狹窄的激光束，一起向前沖；而電子是費米子，不同的電子在原子核外要占據(jù)不同的電子軌道，彼此要保持一定的距離。
　　跨越兩國的物理實驗室
　　盡管我們?nèi)匀徽J(rèn)為科學(xué)發(fā)現(xiàn)可以由一位天才在自家地下室的實驗室里獨力完成，但事實上，要想發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”并不便宜，需要超乎想象的巨大能量。這是因為，為了要發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，你需要將兩束質(zhì)子流加速到接近光速。驅(qū)動這些探測器所需的電力供應(yīng)是驚人的120兆瓦，這幾乎相當(dāng)于鄰近的瑞士城市日內(nèi)瓦的所有家庭用電的總和。
　　為了將兩束質(zhì)子流加速到接近光速，歐洲核子研究中心的科學(xué)家們使用了大型強(qiáng)子對撞機(jī)設(shè)備（LHC）。歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)是人類歷史以來建造的最大、最復(fù)雜的機(jī)器，周長為27千米，跨越瑞士和法國兩國的邊界。它能把質(zhì)子加速到接近光速，讓其運動質(zhì)量達(dá)到靜止質(zhì)量的7 000倍。
　　大型強(qiáng)子對撞機(jī)的建造近10年時間，耗資大約47.5億美元。其后每年所需的經(jīng)費約為2.86億美元。事實上每年僅電費消耗就達(dá)2 350萬美元。要維持大型強(qiáng)子對撞機(jī)設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，每年的預(yù)算開支至少達(dá)10億美元。為了找到希格斯玻色子，人們一共為此花費了約132.5億美元。
　　LHC是一臺埋設(shè)在法國-瑞士邊境地區(qū)地下的環(huán)形裝置，長度約16.8英里(約合27千米)，埋設(shè)深度約330英尺(約100米)。整個對撞系統(tǒng)裝備有9 300塊磁鐵，并被冷卻至-271.25℃。這樣的條件讓大型強(qiáng)子對撞機(jī)有能力將質(zhì)子流加速到光速的99.99%。這些質(zhì)子流會經(jīng)過6臺不同的探測器，這些探測器會進(jìn)行不同的實驗。
　　讓瑞典諾貝爾委員會很頭疼
　　我們知道，物體由分子、原子構(gòu)成，原子由質(zhì)子、中子組成的原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成。而質(zhì)子和中子都由夸克和膠子組成，夸克、膠子和電子等至今為止沒有發(fā)現(xiàn)有更深層次的結(jié)構(gòu)，因此被稱為基本粒子。希格斯認(rèn)為，在137億年前的宇宙大爆炸過程中，形成一種無形卻到處存在的場，希格斯玻色子就存在于這個場內(nèi)。當(dāng)有些粒子在與希格斯玻色子遭遇時，它們會降低速度，獲得質(zhì)量，而另一些粒子則會不受阻礙地繼續(xù)前進(jìn)。簡單地講，有了希格斯玻色子，基本粒子才有質(zhì)量，有了質(zhì)量才產(chǎn)生引力，才會有宇宙中的元素、恒星、行星和生命。
　　在物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的62種基本粒子中，其他61種都已被實驗證實了存在，只有希格斯玻色子仍然懸而未決，它的難以捉摸也讓研究者多了幾分敬畏。如果它們就存在于我們身邊的話，為什么這么多年都捕獲不到它們的蹤跡？實際上，每1012次的質(zhì)子對撞，才可能產(chǎn)生一次希格斯玻色子。更麻煩的是，這種粒子一旦產(chǎn)生，十億分之一秒后就會衰變成光子和強(qiáng)子等其他粒子。由于它難以尋覓又極為重要，因此也被學(xué)術(shù)界稱為“上帝粒子”。
　　其實，早在2000年，歐洲的大型正負(fù)電子對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)了有趣的現(xiàn)象，有些東西看起來非常像希格斯玻色子，基本符合理論預(yù)測的范圍。此后的對撞機(jī)觀測發(fā)現(xiàn)了更多的證據(jù)，可能當(dāng)時希格斯玻色子已經(jīng)現(xiàn)身了。可惜由于當(dāng)時這個對撞機(jī)要關(guān)閉，為給后來的大型強(qiáng)子對撞機(jī)騰地方，觀測沒有繼續(xù)進(jìn)行下去。
　　目前，至少有十幾個理論物理學(xué)家都對希格斯場的理論有貢獻(xiàn)。在2010年，美國物理學(xué)會曾經(jīng)授予了1964年發(fā)表相關(guān)論文的6位科學(xué)家以獎項。很多科學(xué)家都對希格斯場的理論有貢獻(xiàn)，這會讓瑞典的諾貝爾委員會很頭疼，畢竟，諾貝爾物理學(xué)獎一次最多只能頒給3位健在的學(xué)者。如果希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)真的獲獎了，該給哪些人頒獎呢?