簡(jiǎn)介

在粒子物理學(xué)里，標(biāo)準(zhǔn)模型是一種被廣泛接受的框架，可以描述強(qiáng)力、弱力及電磁力這三種基本力及組成所有物質(zhì)的基本粒子。由于基本粒子和基本力形成了物理世界，所以，除了引力以外，標(biāo)準(zhǔn)模型可以合理解釋這世界中的大多數(shù)物理現(xiàn)象。最初，標(biāo)準(zhǔn)模型所倚賴的規(guī)范場(chǎng)論禁止基本粒子擁有質(zhì)量，這很明顯地顯示出初始模型不夠完全。后來(lái)，物理學(xué)者研究出一種機(jī)制，能夠利用對(duì)稱(chēng)性破缺來(lái)賦予基本粒子質(zhì)量，同時(shí)又不會(huì)抵觸到規(guī)范場(chǎng)論。這機(jī)制被稱(chēng)為希格斯機(jī)制。在所有解釋質(zhì)量起源的機(jī)制之中，希格斯機(jī)制是最簡(jiǎn)單、最被認(rèn)可的一種。物理學(xué)者已完成很多實(shí)驗(yàn)，并確實(shí)偵測(cè)到這機(jī)制引發(fā)的許多種效應(yīng)，但是他們不確切了解這機(jī)制到底是怎么一回事。

標(biāo)準(zhǔn)模型給出了自然界四種相互作用中的電磁相互作用和弱相互作用的統(tǒng)一描述，但是在能量低于一定條件后，電磁相互作用和弱相互作用將呈現(xiàn)為不同的相互作用，這被稱(chēng)為電弱相互作用的對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺。希格斯粒子就是在標(biāo)準(zhǔn)模型解釋電弱對(duì)稱(chēng)性自發(fā)破缺的機(jī)制時(shí)引入的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論，宇宙空間中的各處，無(wú)論是真空中還是空氣中，甚至是物質(zhì)的內(nèi)部，都充滿了希格斯粒子(希格斯場(chǎng))。希格斯粒子被認(rèn)為是生成基本粒子的“質(zhì)量”之源。雖然質(zhì)量總是與“重量”聯(lián)系在一起，但嚴(yán)格說(shuō)起來(lái)是不一樣的。質(zhì)量應(yīng)該是反映“物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的難易程度”(更為正確的說(shuō)法是“改變物質(zhì)速度的難易程度”)的物理量。

為什么有些基本粒子具有質(zhì)量，而有些基本粒子的質(zhì)量為零?標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制可以解釋這問(wèn)題。根據(jù)希格斯機(jī)制，有些基本粒子因?yàn)榕c遍布于宇宙的希格斯場(chǎng)彼此相互作用而獲得質(zhì)量，但同時(shí)也會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)品希格斯玻色子。這玻色子是希格斯機(jī)制的必然后果，是物理學(xué)者長(zhǎng)久以來(lái)尋覓的對(duì)象，假若實(shí)驗(yàn)證實(shí)希格斯玻色子存在，則可給予希格斯機(jī)制極大的肯定，特別是對(duì)于為什么有些基本粒子具有質(zhì)量這問(wèn)題的解釋?zhuān)部梢源_定標(biāo)準(zhǔn)模型基本無(wú)誤。有些理論不需要假定希格斯玻色子的存在。這些理論稱(chēng)為無(wú)希格斯模型。假若希格斯玻色子被證實(shí)不存在，則物理學(xué)者可能會(huì)轉(zhuǎn)而關(guān)注這些理論。

2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測(cè)到的新粒子是希格斯玻色子。

相關(guān)事件

2013年10月8日，在瑞典皇家科學(xué)院舉行的新聞發(fā)布會(huì)上，大屏幕展示2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主的頭像，他們分別是比利時(shí)物理學(xué)家弗朗索瓦?恩格勒特(左)和英國(guó)物理學(xué)家彼得?希格斯。

一生二、二生三、三生萬(wàn)物，到底“一”這個(gè)最基本的粒子從何而來(lái)?8日晚，2013年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)“遲到”一個(gè)小時(shí)才頒布，比利時(shí)人弗朗索瓦?恩格勒特和英國(guó)人彼得?希格斯分享諾獎(jiǎng)。這兩位年過(guò)八旬的理論物理學(xué)家，在大約半個(gè)世紀(jì)前提出關(guān)于“上帝粒子”的理論預(yù)言，去年這一預(yù)言被實(shí)驗(yàn)證實(shí)，今年又“兌獎(jiǎng)”成功。然而，這個(gè)看似圓滿的結(jié)局還是帶著一連串的問(wèn)號(hào)。

為何三度延遲頒布?

按計(jì)劃，今年物理學(xué)獎(jiǎng)應(yīng)在北京時(shí)間傍晚5時(shí)45分揭曉，但瑞典官方3次延遲發(fā)布會(huì)時(shí)間，解釋稱(chēng)“正在會(huì)商”，被外界疑為存在爭(zhēng)議。上海交大物理和天文系主任季向東教授表示，這一科學(xué)預(yù)言絕對(duì)是“諾獎(jiǎng)級(jí)”的，“但問(wèn)題在于獎(jiǎng)項(xiàng)是發(fā)給理論成果，還是發(fā)給實(shí)驗(yàn)成果”。華東師大理論物理研究所劉宗華教授認(rèn)為，到底應(yīng)該由幾人來(lái)分享這項(xiàng)諾獎(jiǎng)也是一個(gè)大問(wèn)題。

在原子、質(zhì)子、電子、中子之外，再細(xì)分下去，有沒(méi)有更純粹的粒子，猶如化學(xué)世界中的基本元素。劉宗華介紹，早在1964年，世界上至少有3個(gè)研究組在做同一件事情――探索物質(zhì)世界的微觀粒子，都預(yù)言了后來(lái)被稱(chēng)為 “上帝粒子”的“希格斯粒子”存在。布繞特和恩格勒特兩人的理論文章發(fā)表于當(dāng)年6月，希格斯獨(dú)立研究得出的論文發(fā)表于7月，另外還有一個(gè)多人研究組在10月總結(jié)了前兩人的理論成果，并加入了自己的理論，提出了基于這種粒子的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，被引為粒子物理領(lǐng)域的經(jīng)典模型。

在此之后，“預(yù)言”中夸克、輕子等62種基本粒子，有61種都被陸續(xù)找到，只有最后一種“希格斯粒子”經(jīng)多次驗(yàn)證，卻始終未有確鑿證據(jù)。直至2012年7月，歐洲核子研究中心的高能粒子對(duì)撞機(jī)捕捉到了“希格斯粒子”稍縱即逝的身影，兩個(gè)多國(guó)實(shí)驗(yàn)組參與者上千。

在季向東和劉宗華看來(lái)，顯然諾貝爾獎(jiǎng)堅(jiān)持了原則性。首先，不授予已故人士，比如和恩格勒特同組的布繞特已離世，便無(wú)緣諾獎(jiǎng)。其次，獲獎(jiǎng)?wù)卟怀^(guò)3人，這樣多人研究組和千人實(shí)驗(yàn)組也錯(cuò)失了諾獎(jiǎng)。至于為何“希格斯粒子”僅以希格斯命名，這只是另一位物理學(xué)家讀了希格斯論文后給出的定義，誰(shuí)知約定俗成，被后人叫開(kāi)了。

有沒(méi)有更完美理論?

獲獎(jiǎng)人恩格勒特和希格斯均試圖解釋在物質(zhì)世界誕生之初，在從“無(wú)”到“有”的過(guò)程中，究竟由什么基本粒子構(gòu)成，并相互作用。

也許，探索物質(zhì)本源的理論物理學(xué)最近乎哲學(xué)。季向東說(shuō)，其實(shí)“希格斯機(jī)制”是最簡(jiǎn)單甚至是最丑的粒子物理理論。根據(jù)“希格斯機(jī)制”，如果造物主真的存在，他用的粒子法則并沒(méi)有人們想象的那么高深精妙，似乎很容易地被希格斯等人猜出了心思。因?yàn)樽蠲赖奈锢硗挥幸粭l真理之路，除此之外別無(wú)他途。而“希格斯機(jī)制”存在很大的不確定性，顯得隨機(jī)而任意。事實(shí)上，希格斯粒子是人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的唯一不轉(zhuǎn)動(dòng)的基本粒子，自旋為零。“正因如此，她像一朵‘交際花’，跟任何粒子都可以相互作用。”

據(jù)了解，除了“希格斯機(jī)制”形成的“標(biāo)準(zhǔn)模型”之外，還有不少粒子世界的模型相繼提出，它們相比之下更為復(fù)雜，也難以被證明，因此“標(biāo)準(zhǔn)模型”相對(duì)容易“舉證”，成了經(jīng)典理論。劉宗華表示，其實(shí)歐核中心在宣布發(fā)現(xiàn)“希格斯粒子”時(shí)，也只是用了“疑似”一詞，承認(rèn)仍存在億分之一的誤差。如此之小的誤差，才被物理界認(rèn)為是可以接受的事實(shí)。

對(duì)于季向東、劉宗華等當(dāng)代物理學(xué)家而言，恩格勒特和希格斯是“爺爺輩的人”，雖不再活躍于國(guó)際舞臺(tái)上，而他們的大名都寫(xiě)進(jìn)了教科書(shū)。“其實(shí)物理學(xué)家心底里不希望找到 ‘希格斯粒子’，因?yàn)榇鸢缚赡懿恢挂粋€(gè)，或者說(shuō)還有更完美的理論。”季向東笑言，或許這是上帝騙騙人類(lèi)，依然保守著他的秘密，以及背后的真相。

是一個(gè)粒子還是n個(gè)?

即便“上帝粒子”真是這樣存在，并發(fā)揮作用，它真的只是一個(gè)粒子嗎?據(jù)介紹，理論物理界從沒(méi)有對(duì)“上帝粒子”死心，最大的懸念就是：“上帝粒子”可能是兩種粒子的組合體或混合物。比如，兩個(gè)正轉(zhuǎn)動(dòng)、反轉(zhuǎn)動(dòng)的粒子合二為一，結(jié)果形成了一個(gè)不轉(zhuǎn)動(dòng)的粒子。更有意思的是，也許不止兩個(gè)粒子，而是多個(gè)、n個(gè)粒子共同構(gòu)成了“上帝粒子”?？傊?，人類(lèi)還在繼續(xù)找尋、深入探析這個(gè)懸念。

“上帝粒子”通過(guò)高能高速的粒子對(duì)撞實(shí)驗(yàn)才能測(cè)得，耗費(fèi)人力財(cái)力極大。歐洲大型對(duì)撞機(jī)這樣的實(shí)驗(yàn)裝置，目前是世界上最大、能量最高的粒子加速器，位于全長(zhǎng)27公里、深入地下百米的圓形隧道內(nèi)。從構(gòu)想到建成，歷時(shí)近20年，耗資約60億美元，包括中國(guó)在內(nèi)的80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的上萬(wàn)名科學(xué)家和工程師參與。而且，目前已知，“上帝粒子”的壽命極短，一旦產(chǎn)生即衰變不見(jiàn)，只能存在“10的―22次方”秒，也就是小數(shù)點(diǎn)之后20多個(gè)零的秒數(shù)之內(nèi)。為了“目擊”它的瞬間，就用了3年多時(shí)間。

這種求真的探索和發(fā)現(xiàn)似乎不會(huì)停止。季向東透露，中國(guó)物理學(xué)界正在醞釀建設(shè) “希格斯工廠”，“生產(chǎn)”更多粒子，但這項(xiàng)巨大工程可能需要百億投入。與此同時(shí)，日本科學(xué)家也宣稱(chēng)建設(shè)國(guó)際線性加速器，像工廠一樣制造更多“希格斯粒子”，增加日本在基礎(chǔ)科學(xué)領(lǐng)域的國(guó)際顯示度。