今年10月8日，瑞典皇家科學(xué)院宣布將2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)授予英國(guó)物理學(xué)家彼得·希格斯和比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒，以表彰他們對(duì)希格斯玻色子所做的預(yù)測(cè)。令他們榮獲諾貝爾獎(jiǎng)的希格斯玻色子是如此之小，以致歷時(shí)半個(gè)世紀(jì)之后才得以發(fā)現(xiàn)。不過(guò)，它對(duì)物理學(xué)的意義又是如此重大，因而得名“上帝粒子”。

半個(gè)世紀(jì)前的預(yù)言

物體的質(zhì)量是怎么來(lái)的？這個(gè)問(wèn)題一直困擾著物理學(xué)界。1964年，恩格勒與同事羅伯特·布魯特提出標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論，用以解釋粒子如何獲得質(zhì)量。一個(gè)月后，希格斯提出一種粒子場(chǎng)的存在，預(yù)言存在一種玻色子，可以吸引其他粒子產(chǎn)生質(zhì)量，是物質(zhì)的質(zhì)量之源，繼而構(gòu)筑我們認(rèn)知的世界。希格斯寫(xiě)了兩篇關(guān)于“希格斯場(chǎng)”的論文，每篇都只有兩頁(yè)長(zhǎng)，權(quán)威的《物理快報(bào)》接收了第一篇論文，但拒絕了第二篇論文。著名物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎在評(píng)審第二篇論文時(shí)，建議希格斯加上一部分內(nèi)容來(lái)解釋這一理論的物理學(xué)意義。希格斯加了一段話，提出一種粒子場(chǎng)的存在，預(yù)言一種能吸引其他粒子進(jìn)而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子和夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)，其他粒子在這種粒子形成的場(chǎng)中游弋并產(chǎn)生慣性，進(jìn)而形成質(zhì)量，構(gòu)筑成大千世界。然后，他把改過(guò)的論文投給了那家雜志的對(duì)手——《物理評(píng)論快報(bào)》，結(jié)果發(fā)表了。這是希格斯有關(guān)玻色子的設(shè)想第一次公開(kāi)發(fā)表。幾個(gè)月后，美國(guó)的哈根、古拉爾尼克與英國(guó)的基布爾也發(fā)表了有關(guān)報(bào)告。

標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論中共預(yù)言了62種基本粒子的存在，“希格斯玻色子”正是該理論依賴(lài)的基石。作為物質(zhì)的質(zhì)量之源，“希格斯玻色子”連接著粒子獲得質(zhì)量的領(lǐng)域。沒(méi)有“希格斯玻色子”，宇宙和人類(lèi)就不會(huì)存在，因?yàn)槠渌Ｗ诱窃凇跋８袼共Ｉ印睒?gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)粒子模型理論提出后，其他61種粒子相繼被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，只有“希格斯玻色子”難覓蹤影。過(guò)去數(shù)十年中，無(wú)數(shù)全球頂級(jí)科學(xué)家苦苦捕捉著這一“希格斯玻色子”的存在證據(jù)。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）是世界上最大的粒子加速器。這一耗資約100億美元的設(shè)備屬于歐洲核子研究中心（CERN），其目的是創(chuàng)建地球上能級(jí)最強(qiáng)大的粒子加速器設(shè)施，而其中找出“希格斯玻色子”則被列為了該設(shè)備的最優(yōu)先目標(biāo)之一。

近半個(gè)世紀(jì)過(guò)去了，終于，2012年7月4日，歐洲核子研究中心宣布，該中心的兩個(gè)強(qiáng)子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目——ATLAS和CMS項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)了同一種新粒子，它的許多特征與希格斯玻色子一致。隨后該中心于2013年3月14日稱(chēng)，更多數(shù)據(jù)分析表明它就是“希格斯玻色子”。

“上帝粒子”對(duì)世界意味著什么？

宇宙大爆炸后開(kāi)始冷卻，一種被稱(chēng)為“希格斯場(chǎng)”的不可見(jiàn)力量形成，無(wú)數(shù)的希格斯玻色子在“場(chǎng)”中減慢了其他粒子飛行速度，就像蒼蠅被蜜糖附住一樣，并使它們獲得質(zhì)量。也就是說(shuō)，如果沒(méi)有希格斯場(chǎng)，這些粒子將在宇宙中以光速到處飛行，行星也無(wú)法形成。

“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)將為科學(xué)家們開(kāi)啟一扇大門(mén)，讓他們得以進(jìn)行此前無(wú)法進(jìn)行的一些計(jì)算。其中一些計(jì)算的結(jié)果有關(guān)宇宙的命運(yùn)。有一種觀點(diǎn)認(rèn)為宇宙將在未來(lái)數(shù)十億年內(nèi)毀滅。在進(jìn)行這樣的計(jì)算時(shí)，“上帝粒子”本身的質(zhì)量是一個(gè)非常關(guān)鍵的參數(shù)，它預(yù)示了時(shí)空的未來(lái)命運(yùn)。目前的測(cè)量值顯示，“上帝粒子”的質(zhì)量約為質(zhì)子的126倍，這一質(zhì)量值幾乎已經(jīng)處在了一個(gè)臨界點(diǎn)上，它將有可能讓宇宙在未來(lái)數(shù)十億年內(nèi)走向毀滅。這或許意味著我們所生活于其中的這個(gè)宇宙本身存在著內(nèi)在的不穩(wěn)定性，在數(shù)十億年之后這一切都將歸于瓦解。

盡管人類(lèi)發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”這件事已經(jīng)載入史冊(cè)，這是標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，但是這并不意味著我們揭開(kāi)了宇宙的終極奧秘。就舉其中一個(gè)例子，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，中微子應(yīng)當(dāng)是沒(méi)有質(zhì)量的，然而近期的一些研究卻發(fā)現(xiàn)這種粒子似乎的確擁有質(zhì)量。另一個(gè)原因是，標(biāo)準(zhǔn)模型只能對(duì)可見(jiàn)物質(zhì)進(jìn)行描述，而可見(jiàn)物質(zhì)僅僅占到整個(gè)宇宙中所有物質(zhì)總量的4%左右。我們對(duì)于神秘的暗物質(zhì)、暗能量的本質(zhì)仍然知之甚少。我們無(wú)法直接觀測(cè)到暗物質(zhì)，但是卻可以通過(guò)其施加的引力作用感知到它的存在，正是由于暗物質(zhì)的引力作用，宇宙中的星系才不至于解體。暗物質(zhì)幾乎完全不會(huì)與可見(jiàn)物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。然而我們現(xiàn)在知道希格斯玻色子是與眾不同的，或許它將幫助我們?cè)谶@兩種完全不同的世界之間建立起某種聯(lián)系。

“諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)”背后的其他人

數(shù)十年間，“上帝粒子”一直存在于理論中，直到歐洲核子研究中心證實(shí)其存在。事實(shí)上，“上帝粒子”近年來(lái)一直是諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)候選名單上的?？停蚱湮幢蛔C實(shí)，才延宕至今獲獎(jiǎng)。1964年，希格斯才35歲，恩格勒才32歲，現(xiàn)在恩格勒和希格斯均年過(guò)80。在過(guò)去半個(gè)世紀(jì)中，他們一直在等待理論被驗(yàn)證。去年大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)宣布發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”時(shí)，希格斯當(dāng)場(chǎng)流下熱淚。他說(shuō)，“很高興我能活著看到這一天的到來(lái)”。遺憾的是畢生榮譽(yù)，奈何來(lái)遲，與恩格勒同時(shí)發(fā)表論文的羅伯特·布魯特在2011年去世，因此不在授獎(jiǎng)范圍內(nèi)。

其實(shí)，1964年同時(shí)研究“上帝粒子”的還有3位科學(xué)家，美國(guó)的哈根、古拉爾尼克和英國(guó)的基布爾，但諾貝爾獎(jiǎng)規(guī)定不得超過(guò)3人同時(shí)得獎(jiǎng)，因此他們失落殊榮。

從理論的建立來(lái)講，在1964年間，先后有6位物理學(xué)家在4個(gè)月期間出版了一系列關(guān)于該理論的相關(guān)文章，每個(gè)人的研究都可說(shuō)是站在其他人的肩膀之上。我們應(yīng)該知道的是，在這幾個(gè)人之前，其實(shí)還有幾位英雄對(duì)希格斯機(jī)制的創(chuàng)立作出了不可磨滅的貢獻(xiàn)。

美籍日裔理論物理學(xué)家南部陽(yáng)一郎是第一個(gè)把超導(dǎo)中的自發(fā)破缺引入到基本粒子物理領(lǐng)域的人，時(shí)間大約是1960年，但是他沒(méi)有把自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合。

哥德斯通受南部陽(yáng)一郎的啟發(fā)首次引入標(biāo)量場(chǎng)，時(shí)間大約是1961年，但是哥德斯通也沒(méi)有進(jìn)一步把標(biāo)量場(chǎng)的自發(fā)破缺同規(guī)范理論相結(jié)合。

美國(guó)科學(xué)家朱利安·施溫格于1962年想到了有質(zhì)量的矢量粒子可能與無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子有關(guān)，但沒(méi)有去證明。

美國(guó)物理學(xué)家安德森受施溫格的啟發(fā)，于1963年在非相對(duì)論情況下發(fā)現(xiàn)無(wú)質(zhì)量的標(biāo)量粒子可以被無(wú)質(zhì)量的規(guī)范玻色子吃掉而導(dǎo)致有質(zhì)量的規(guī)范玻色子，這其實(shí)就是希格斯機(jī)制，但是它是非相對(duì)論的。

最后，在安德森的工作基礎(chǔ)上，希格斯、恩格勒和布魯特建立了相對(duì)論情況下的希格斯機(jī)制。

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兩位獲獎(jiǎng)?wù)呓榻B

彼得·希格斯 1929年出生在英格蘭北部城市紐卡斯?fàn)?，父親是英國(guó)廣播公司的音效工程師。受第二次世界大戰(zhàn)影響，希格斯童年教育并不連貫，有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間在家學(xué)習(xí)。即使如此，他仍以?xún)?yōu)異的成績(jī)考入了倫敦大學(xué)國(guó)王學(xué)院，專(zhuān)業(yè)是理論物理，并在那里相繼獲得學(xué)士、碩士和博士學(xué)位。1960年博士畢業(yè)后，希格斯北上蘇格蘭，進(jìn)入愛(ài)丁堡大學(xué)任教，在一場(chǎng)車(chē)禍中幸運(yùn)地“大難不死”，隨后奮力投入研究事業(yè)。目前是英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)榮譽(yù)教授。

弗朗索瓦·恩格勒 1932年出生于布魯塞爾，1959年獲得博士學(xué)位，之后赴美國(guó)康奈爾大學(xué)深造。1960年他任康奈爾大學(xué)助理教授，結(jié)識(shí)了羅伯特·布魯特并與其成為好朋友和密切的工作伙伴。1961年，恩格勒返回比利時(shí)，好搭檔布魯特也攜全家跟著恩格勒一起返回比利時(shí)。1964年，恩格勒與布魯特首次提出粒子如何得到質(zhì)量的理論。

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為什么又稱(chēng)“上帝粒子”？

1988年，諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者利昂·萊德曼無(wú)意中為希格斯玻色子起了“上帝粒子”（God Particle）這么一個(gè)名字。萊德曼寫(xiě)了本科普書(shū)，原書(shū)名叫“該死的粒子”（Goddamn Particle），因?yàn)橄８袼共Ｉ与y以找到，但出版商認(rèn)為不妥，遂改成了“上帝粒子”。然而，希格斯本人并不喜歡這種稱(chēng)呼，他說(shuō)：“雖然我本人不信教，但是我覺(jué)得不應(yīng)該用‘上帝’這樣的字眼，因?yàn)檫@有可能會(huì)讓一部分人覺(jué)得受了冒犯。”有意思的是，當(dāng)別人提到“希格斯玻色子”時(shí)，希格斯總是誠(chéng)惶誠(chéng)恐，因?yàn)樗X(jué)得自己的名字不配用來(lái)命名這種粒子。

圣經(jīng)中描述上帝創(chuàng)世紀(jì)：上帝說(shuō)要有光，于是便有了光；隨后各種物質(zhì)、天地、人獸花草徐徐而來(lái)。希格斯玻色子解決的是宇宙膨脹的問(wèn)題，是說(shuō)明宇宙開(kāi)始后，基本粒子如何在被產(chǎn)生后具有質(zhì)量，再聚合成各種其他物質(zhì)，從而形成我們現(xiàn)在所生活的世界。換句話說(shuō)，它解決的也是宇宙零秒之后的問(wèn)題。稱(chēng)之為“上帝粒子”，也有賦予其創(chuàng)世紀(jì)的意味。

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霍金賭輸了

此前，英國(guó)科學(xué)家霍金曾與美國(guó)密歇根大學(xué)的戈登教授打了個(gè)賭：歐洲核子研究中心不會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。當(dāng)時(shí)定下的賭金為100美元。2012年，當(dāng)歐洲核子研究中心宣布初步確認(rèn)發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子后，霍金表示該研究中心的發(fā)現(xiàn)非常了不起，他說(shuō)如果這個(gè)新發(fā)現(xiàn)的粒子衰變的交互數(shù)量跟他們預(yù)期想象的一樣，那這將成為粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的有力證據(jù)，它將能夠解釋到目前為止的所有試驗(yàn)。

理論物理學(xué)者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯

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近百位中國(guó)科學(xué)家參與尋找“上帝粒子”

歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)研究項(xiàng)目是一個(gè)全球合作的項(xiàng)目，共有40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)約3000名科學(xué)家參與，中國(guó)也是參與國(guó)之一。從對(duì)撞機(jī)探測(cè)器的建造到研究，有近百位中國(guó)工程師和科學(xué)家參與這個(gè)項(xiàng)目。中國(guó)科學(xué)家主要參加其中的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：ATLAS實(shí)驗(yàn)和CMS實(shí)驗(yàn)。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)通過(guò)不同探測(cè)器找到了希格斯玻色子。

【責(zé)任編輯】蒲 暉