李昆侖

1964年，英國(guó)粒子物理學(xué)家彼得?希格斯寫(xiě)了兩篇論文，投給著名學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》，然而該刊只接受了其中的第一篇，第二篇只有兩頁(yè)的論文被退了回來(lái)。美籍日裔物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎看了希格斯的第二篇論文后感覺(jué)很有意思，建議他在文中解釋一下他提出的“希格斯場(chǎng)理論”的物理學(xué)意義。于是，希格斯在文章中加了一段：“希格斯場(chǎng)的激發(fā)，將會(huì)猶如海洋中的波浪一樣，產(chǎn)生一種新的粒子……”不久，《物理評(píng)論快報(bào)》重新審核并發(fā)表了修改后的文章。文中所描述的新的粒子后來(lái)被稱(chēng)為“希格斯玻色子”或“希格斯粒子”。

南部陽(yáng)一郎因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)“亞原子物理學(xué)中的自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺機(jī)制”而獲得2008年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。而距希格斯提出“希格斯場(chǎng)理論”半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，南部陽(yáng)一郎曾工作過(guò)的美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室直到最近也只發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子的“蛛絲馬跡”—— 3月7日，該實(shí)驗(yàn)室宣布，經(jīng)過(guò)窮盡數(shù)據(jù)分析以后，他們已接近證實(shí)希格斯玻色子的存在，這個(gè)結(jié)論的最后確認(rèn)，有望在今年之內(nèi)實(shí)現(xiàn)。

“該死的粒子”或“上帝粒子”

無(wú)論大千世界多么豐富多彩，組成它的物質(zhì)都是由夸克、電子、光子等基本粒子組成的?；玖Ｗ又g存在著引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力四種自然力的相互作用。然而，物理學(xué)家一直力圖找到把四種自然力統(tǒng)一起來(lái)的途徑，以證明宇宙具有一種基本的統(tǒng)一性。比如，電磁力就是早期由法拉第和麥克斯韋把電力和磁力統(tǒng)一起來(lái)的結(jié)果。愛(ài)因斯坦的貢獻(xiàn)是解決了引力的問(wèn)題，他的后半生一直致力于進(jìn)一步把電磁力和引力統(tǒng)一起來(lái)，但最終未果。美國(guó)理論物理學(xué)家格拉肖從數(shù)學(xué)公式對(duì)弱力和電磁力的描述中看出它們?cè)谀承┓矫婢哂邢嗨菩?，但是讓格拉肖不解的是，弱力的作用非常微小，但是傳遞弱力的粒子的質(zhì)量卻很重。希格斯論文中提出的設(shè)想，為解決格拉肖所無(wú)法理解的問(wèn)題提供了新的思路，同時(shí)，也可以解釋質(zhì)量起源的基本問(wèn)題。

根據(jù)希格斯的理論，基本粒子通過(guò)和一種看不見(jiàn)、卻又似乎無(wú)處不在的場(chǎng)發(fā)生相互作用來(lái)獲取質(zhì)量；相互作用越多，粒子獲得的質(zhì)量也越大。在1993年，英國(guó)科學(xué)家們還很難向政府解釋希格斯所描述的這一現(xiàn)象，為此，英國(guó)科學(xué)部長(zhǎng)威廉?渥德格雷發(fā)起一場(chǎng)全國(guó)競(jìng)賽，尋找對(duì)希格斯場(chǎng)最好最通俗的解釋。結(jié)果，倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家大衛(wèi)?米勒成為獲勝者之一。米勒將希格斯場(chǎng)比喻成在一個(gè)房間內(nèi)正在舉行聚會(huì)的政治團(tuán)體。當(dāng)一個(gè)普通人走進(jìn)房間的時(shí)候，不會(huì)引起別人注意，他會(huì)沒(méi)有任何阻力地在房間來(lái)回走動(dòng)。然而如果走進(jìn)來(lái)的是當(dāng)時(shí)的英國(guó)首相瑪格麗特?撒切爾，情況則會(huì)大為不同。許多人會(huì)走上來(lái)，圍起來(lái)，使得撒切爾首相放慢腳步，這就像是給了撒切爾首相一種“質(zhì)量”， 這時(shí)被圍著的首相具有很大的慣性，而慣性正是質(zhì)量的物理屬性。

英國(guó)理論物理學(xué)家約翰?埃利斯則對(duì)希格斯場(chǎng)做過(guò)這樣的比喻：把希格斯場(chǎng)想象成一片雪地，如果你想徒步穿越，你將會(huì)陷入雪地，并且要花很長(zhǎng)時(shí)間才能走出去；若是穿上一雙雪鞋，你的速度將大大加快；而如果使用雪橇，你則可以輕松快速地穿過(guò)雪地。對(duì)應(yīng)到物理學(xué)上來(lái)，粒子的質(zhì)量來(lái)源于某種基本的物理屬性，意義上等同于雪鞋或雪橇，這種屬性直接影響到粒子穿過(guò)希格斯場(chǎng)的方式。希格斯場(chǎng)正是被賦予了這種屬性的場(chǎng)，它決定了一個(gè)粒子，是如光子一樣在空中輕松飛行， 還是像笨重的質(zhì)子那樣運(yùn)動(dòng)。而希格斯粒子是希格斯場(chǎng)的“海洋”中掀起的“波浪”。

然而這樣的粒子目前還只是科學(xué)家的一種假設(shè)，并沒(méi)有從實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)。該粒子的重要性及其發(fā)現(xiàn)難度，使諾貝爾獎(jiǎng)獲得者利昂?萊德曼打算用“該死的粒子”來(lái)稱(chēng)呼希格斯粒子，并以此作為一本著作的名稱(chēng)。然而出版商認(rèn)為，如果書(shū)名改為“上帝粒子”，則可能有助于圖書(shū)的銷(xiāo)量。經(jīng)過(guò)協(xié)商，該書(shū)最終以“上帝粒子”命名。希格斯粒子無(wú)處不在，但又找不到它，這很容易讓人想到上帝的存在，所以很多科學(xué)家對(duì)于“上帝粒子”這個(gè)名稱(chēng)，也跟著“牽強(qiáng)附會(huì)”了一把。

不再是“謠言”？

目前，全世界主要有兩大機(jī)構(gòu)在尋找希格斯粒子。一個(gè)是位于法國(guó)和瑞士交界處的歐洲核子研究中心，它建有世界上最大質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC。在這里，加速器將粒子幾乎加速到光速，在探測(cè)器中實(shí)現(xiàn)對(duì)撞，并記錄所撞出的粒子。另一個(gè)就是美國(guó)的費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，該實(shí)驗(yàn)室是美國(guó)最大的高能物理研究實(shí)驗(yàn)室，在世界上僅次于歐洲核子研究中心。

去年秋天，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的萬(wàn)億電子伏加速器Tevatron因?yàn)榻?jīng)費(fèi)問(wèn)題而關(guān)閉，然而該實(shí)驗(yàn)室積累了大量可供科學(xué)家進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)。3月初，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家宣稱(chēng)，他們最新數(shù)據(jù)分析的結(jié)果顯示，希格斯粒子可能存在于115GeV??135GeV之間，置信度為2.2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，這一數(shù)據(jù)意味著該實(shí)驗(yàn)有1/36的幾率是誤報(bào)或者噪音。在科學(xué)界，置信度5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果才被視為正式發(fā)現(xiàn)。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自于安裝在Tevatron上的兩個(gè)探測(cè)器，它們采用不同的技術(shù)捕捉和分析新粒子的信息。

和費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室類(lèi)似，歐洲核子研究中心的對(duì)撞機(jī)上也在不同位置安裝了不同的探測(cè)器，以相互驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。不同之處在于，歐洲核子研究中心采用的是通過(guò)質(zhì)子和質(zhì)子對(duì)撞，來(lái)分析產(chǎn)生輕子和光子過(guò)程中的數(shù)據(jù)；而費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室采用的是通過(guò)撞擊質(zhì)子和反質(zhì)子，來(lái)分析產(chǎn)生底夸克和反底夸克過(guò)程中的數(shù)據(jù)。

在過(guò)去幾年里，關(guān)于希格斯粒子存在的“謠言”在歐洲核子研究中心和美國(guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室常常“閃現(xiàn)”，然而經(jīng)常出現(xiàn)的情況是，一組科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的跡象，另一組科學(xué)家則發(fā)現(xiàn)相反的結(jié)果，科學(xué)家們始終在證明“上帝粒子”存在的證據(jù)上難以步調(diào)一致。

然而這次的情況與以往不同。去年12月13日，歐洲核子研究中心LHC上的兩個(gè)探測(cè)器的科學(xué)家宣布，他們分別發(fā)現(xiàn)了一種質(zhì)量在126GeV到124GeV區(qū)間的“上帝粒子”的線索。費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室近期公布的實(shí)驗(yàn)結(jié)果則和歐洲去年的這個(gè)發(fā)現(xiàn)大致吻合。這是不同對(duì)撞機(jī)、不同探測(cè)器、不同科學(xué)機(jī)構(gòu)在發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”跡象方面第一次取得大致相同的結(jié)果。雖然這些發(fā)現(xiàn)還不能讓科學(xué)家們宣告勝利，但這足以讓他們期待今年就可能有最終的結(jié)果。

等待“上帝粒子”現(xiàn)身

根據(jù)當(dāng)代粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，空間充斥著一種神秘的物質(zhì)，稱(chēng)為希格斯場(chǎng)，和電磁場(chǎng)和引力場(chǎng)不同的是，希格斯場(chǎng)的強(qiáng)度在空間的每一處都嚴(yán)格相同，而變化的只是各種不同的基本粒子與它的作用方式。正是這些作用方式，給基本粒子賦予了質(zhì)量。如果沒(méi)有了質(zhì)量和與之息息相關(guān)的作用力，我們的星系、恒星、包括我們自己都不會(huì)產(chǎn)生。

標(biāo)準(zhǔn)模型所設(shè)想的62種基本粒子中，希格斯玻色子是目前唯一尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子。物理學(xué)家相信，它是所有物質(zhì)的質(zhì)量之源，是促成宇宙形成的重要粒子，但是極難被發(fā)現(xiàn)和分辨，因而有人形容它是物理學(xué)家的“圣杯”。

“現(xiàn)在的這個(gè)結(jié)果更加強(qiáng)了人們對(duì)今年下半年可能發(fā)現(xiàn)的期待。如果真的如期發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，一方面說(shuō)明標(biāo)準(zhǔn)模型非常完美，但另一方面也限制了發(fā)現(xiàn)所謂超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理的可能性，”清華大學(xué)物理系教授王青對(duì)《中國(guó)新聞周刊》表示，“反之，如果沒(méi)能發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型中的希格斯粒子，那么就存在非標(biāo)準(zhǔn)模型希格斯粒子的可能性，并且，也有不存在希格斯粒子的可能性。那就意味著目前粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型是不完備的，有超出它的新東西存在?！?/p>

在物理學(xué)界，一些科學(xué)家對(duì)希格斯粒子是否存在表示懷疑。坐在輪椅上通過(guò)電子儀器“說(shuō)話”的物理學(xué)家斯蒂芬?霍金就打賭說(shuō)，“上帝粒子”并不存在。當(dāng)然，希格斯本人對(duì)自己的理論充滿(mǎn)信心，他已經(jīng)準(zhǔn)備好了用來(lái)慶祝的香檳。

中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所教授刑志忠對(duì)“上帝粒子”持不同態(tài)度的科學(xué)家進(jìn)行了有意思的歸納：幸災(zāi)樂(lè)禍的、起哄架秧子的、誓死捍衛(wèi)希格斯的，如今已經(jīng)亂作一團(tuán)。很顯然，不相信希格斯的，都是些惟恐天下不亂的新物理信徒；相信可能存在希格斯的，則包括那些對(duì)“超對(duì)稱(chēng)”情有獨(dú)鐘的理論家。