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“上帝粒子”背后的低调老人

2012-07-10  大闲人
2012-07-10 第十二版 

“事实证明这是我迄今做过的最重要的工作,恐怕也是惟一最重要的工作。”

“上帝粒子”背后的低调老人

——彼得·希格斯采访记

 何积惠、方陵生编译 文汇报

  •   彼得·希格斯1929年出生于英国东北部泰恩河畔的纽卡斯尔,1954年在伦敦国王学院获分子物理学博士学位。曾执教于伦敦大学学院和爱丁堡大学,1980年至1996年任理论物理学教授。1983年当选为皇家学会会员,1997年被授予狄拉克奖章和奖金。2004年因在质量生成方面的开拓性工作而和罗伯特·布罗特和弗朗索瓦·恩格勒特一起被授予沃尔夫奖。
  •  
  • 在欧洲核子研究中心宣布发现新亚原子粒子的会场,48年前就预测这种粒子存在的英国科学家彼得·希格斯流下了热泪。
  • 大型强子对撞机(LHC),位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究中心,2008年9月10日开始运转。物理学家希望通过它来解答希格斯机制是否真实,希格斯粒子是否存在等问题。
  • 汤姆·基布尔
  • :彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒特在欧洲核子中心的新闻发布会上
  • 希格斯玻色子假想图
  •   和近来灸手可热、在全球范围内夺人眼球的一种名为“希格斯玻色子”的亚原子粒子不同,48年前首位预测这种粒子存在的英国物理学家彼得·希格斯向来处事低调,很少接受媒体采访。然而,随着上周三欧洲核子研究中心宣布发现了类似希格斯玻色子的新粒子后,82岁的彼得·希格斯被推到了聚光灯前。为帮助读者更多地了解这位与众不同的科学家,本刊特选摘英国《新科学家》记者对希格斯的专访。   ——编者

       作为英国爱丁堡大学现今的荣誉退休教授,希格斯常被描绘成一个隐居遁世的天才。48年前,希格斯预测到一种粒子的存在,它的隐蔽性丝毫不亚于它的深不可测。希格斯玻色子有助于为某些带根本性的物质基石解释质量之源。它在大众传媒看来是“上帝粒子”,是欧洲核子研究中心(CERN)耗资90亿美元建造大型强子对撞机(LHC)所要探明的粒子。据很多人推测,如果这一探索获得成功,希格斯摘取诺贝尔奖桂冠几乎已成定局。

      记者在位于市内的一所公寓里见到了这位老人,很快发现他略显古板,不善待人接物。咖啡茶几上摆满了堆叠整齐的科学杂志,古典音乐唱片在书架上紧靠着艺术类图书和陶土小雕像。为了保护自己免遭媒体无休止的骚扰,他难得接听电话,身边也不见一台电脑。上世纪60年代,他因其工作意外地打乱了某些才智出众的物理学界精英的阵脚而享有国际声誉。后来,他发现自己跟不上这个专业领域,终于中断了无望的事业,转换方向继续前行。

      希格斯有两个孩子:克里斯是一位电脑科学家,强尼则是一名爵士乐师。他本人在谈话过程中显得谦恭有礼,近乎自我贬低,仿佛急切地想强调他尚未完成的工作像业已完成的工作一样多。他做事有板有眼,回忆起几年前的数据和会议讨论来恍如昨日,毫厘不差。他依然倾情于物理学,除了出席会议外,还常跟先前的同事和学生见面。

      希格斯是以1964年开始发表的一系列论文而声名鹊起的,这些论文预测到一个能量场的存在,它充斥整个宇宙而牵引着与它形成互动的粒子,同时赋予原本没有质量的粒子以质量。这个被认为在宇宙形成仅100亿分之一秒之际即被激活的能量场含有一种相伴随的粒子,那就是希格斯玻色子。

      这个理念起初遭到大部分物理学家的摒弃。希格斯得出他的结论所运用的,是量子场论这一在别人看来早已过时而被抛弃了的学说。有些重量级权威坚称他们能证明他的谬误。“我的同事大多将我看成是死死抱住量子场论不放的白痴,但我不相信它已像他们声称的那样丧失生命力。”他表示,“事实证明预测希格斯玻色子的存在是我迄今做过的最重要的工作,恐怕也是惟一最重要的工作。”

      他确信自己的工作是扎实过硬的,却并不清楚它对粒子物理学意味着什么。这种局面一直到60年代末希格斯完成了在美国的巡回演讲后才有所改观。麻省理工学院的史蒂文·温伯格和伦敦帝国学院的阿布杜斯·萨拉姆通过对宇宙四种基本力中电磁相互作用力和弱相互作用力这两种力的统一而为粒子物理学标准模型奠定下第一块基石,从而使该理论发挥了良好的实际作用。

      我们现在称之为希格斯玻色子的理念,其权威性从一开始就充满着争议。在比利时,罗伯特·布罗特和弗朗索瓦·恩格勒特经由一条不同的途径详尽阐述了类似的理念,伦敦帝国学院的汤姆·基布尔和两位美国同行杰拉尔德·古拉尔尼克和理查德·哈根所组成的跨大西洋“三剑客”同样是如此。普林斯顿大学的诺贝尔奖获得者菲利普·安德森也在1962年声称“虚构”了希格斯玻色子。

      希格斯说,他最早得知粒子用自己的名字命名,是1972年在伊利诺伊州费米实验室举行的会议以后。他听一位同事说,会议报告人、著名物理学家本·利将“希格斯”之名加诸于差不多一切同质量生成理论有关的事物。“我不得不接受这个事实,”希格斯说,“我是最早将大家的注意力引向相关粒子的第一人,但这类理论中蕴涵的其他一切精髓不属于我或我一个人。”希格斯反对“上帝粒子”之类的标签,虽然他本人是一名无神论者,却担心这个称呼“会伤害笃信宗教者的感情”。

      费米实验室的会议奠定了希格斯在物理世界舞台中的地位,但私下里他一直在苦苦挣扎,成功不足以推动他对这个理念作进一步的阐发。“这一年我和妻子离异,所以尽管来自那次会议的消息令我精神为之一振,但始终缺乏参与接踵而来的细致理论研究的良好心态。”相反,他将工作重点转向了超对称的领域,闲暇献身于教学和监督,密切关注着费米实验室等研究机构对他的粒子的追踪。2008年早些时候,他对欧洲核子研究中心进行了自1979年以来的第一次正式访问,并像每个参观过大型强子对撞机的人那样对其庞大的规模留下了深刻印象。

      希格斯玻色子看上去会是什么样子呢?对此作出描述的理论很多。据希格斯本人推测,它可能最终证明是一系列超对称的复合粒子而并非不可分割的单一存在。但是,假如希格斯玻色子无法被找到或希格斯的理论被证明是错误的话,那又会如何呢?“如果他们找不到希格斯粒子,我会感到非常意外。如果有人证明希格斯理论是错误的话,我会有点难过,但更多的将会是困惑。”他声称,“我想,届时我的生活应该会变得稍许平静些,而不再受那么多的打扰。”

      

    “希格斯粒子无需改名” ——希格斯玻色子另两位奠基之父访谈录

      希格斯玻色子拥有不止一位奠基之父,准确地说,一共有6位。1964年,在彼得·希格斯提出有关希格斯粒子设想的差不多同一时段,比利时科学家罗伯特·布罗特和弗朗索瓦·恩格勒特,以及英国科学家汤姆·基布尔和两位美国同行杰拉尔德·古拉尔尼克和理查德·哈根所组成的跨大西洋“三剑客”,先后独立发表了相似的理论。

      本月3日,在欧洲核子研究中心(CERN)举办研讨会前夕,英国《新科学家》杂志对“希格斯玻色子”的另两位“候补之父”进行了采访,他们分别是布鲁塞尔自由大学的荣誉退休教授弗朗索瓦·恩格勒特和伦敦帝国学院的荣誉退休教授汤姆·基布尔。

      问:你们两位将同彼得·希格斯一起应邀参加欧洲核子中心组织的研讨会。这看来好像是一个相当重大的线索,预示着某种令人激动的事态。你们期待他们会宣布吗?

      基布尔:我不知道,这方面的情况他们守口如瓶。这必将是一次意义重大的宣布,据推测与希格斯玻色子的存在有关。但他们是否肯定已经找到,我无从知道。

      问:你们对此有何感受?

      恩格勒特:我感觉自己仿佛像一只被榨干了的柠檬——我的办公室里采访者和事先未经通报的不速之客络绎不绝!

      问:为什么发现希格斯玻色子是那么重要呢?

      基布尔:它将证实标准模型是对粒子物理学的完美描述。尚无答案的问题依然大量存在。标准模型无论如何都不是故事的结束。

      恩格勒特:若想取得进展,就必须从事基础研究,这不是单纯地靠复制他人就能做到的。如果一味地只搞应用研究,那么很快就会丧失创新的动力。培育善于思索而不是遇到什么谬见就一古脑儿地全盘接受的公民,人类头脑中的好奇心是必不可少的。

      问:如果说它终究是不存在的,那又会怎么样呢?

      恩格勒特:没有玻色子?哦,这个我无法相信。那会是令人遗憾的。去年12月份出现的迹象就对此有所暗示了,虽然也存在具有统计意义的不确定因素。不过,当同一个地方出现不同的不确定因素时……我此刻就作好了他们肯定如愿以偿的打赌准备,但是对什么类型的玻色子未必说得准。

      问:有人提议修改粒子的命名,藉以反映它有众多奠基之父的事实,你们觉得如何?

      基布尔:说实在的,我不赞成对粒子名称作任何修改。为时太晚了,而且这些替代方案也太过复杂了。彼得·希格斯的论文确实是以公开发表的形式第一次提到玻色子本身,所以我认为那没有什么不合理的地方。将它命名为“上帝粒子”,我会油然而生一种畏惧感。

      恩格勒特:我真不希望给理论增添名字。我宁愿称之为无向量的玻色子,因为它反映了理论的一个基本组分——这意味着玻色子在巡游中所经过的场没有什么优先方向,跟磁场的情况不一样。

      问:在有他人参与理论构建的情况下,你们的关系会是什么样呢?

      基布尔:平心静气。当然,我的同事都是非常要好的朋友。我在这以前认识彼得·希格斯已有很长的时间了。我们从来没有合作过,但是自从结识后就一直保持着平心静气的关系。你常会发现不同的人在做着基本上相同的事情。当然,每个人都有一种相信自己的行事方式是最完美的倾向,这是众所周知的现状,但这些团队都是作出贡献的。

      恩格勒特:我期待着在研讨会上同希格斯会面。我们迄今从未谋过面。几年前应该有过一次开会见面的机会,但是天公不作美。冰岛的火山喷发意味着会议取消了——火山不想让我们见面!

      问:根据诺贝尔奖的评判标准,你们这些同行中只有三人可望问鼎大奖,那三个人会是谁呢?

      基布尔:谁知道呢!我为自己不必作出那个决定而感到庆幸。

      

    希格斯玻色子对人类意味着什么

      在全世界都在关注物理界发现希格斯玻色子的好消息之时,人们格外想了解什么是希格斯玻色子?科学家为什么要努力寻找它?为什么物理学界的这一事件会引起人们广泛的关注?许多人对这些并不十分清楚。以下是《新科学家》杂志对这些问题给出的答案。

      

    科学史上最伟大的理论之一

      首先是比较简洁的答案:

      发现希格斯粒子,将可能代表近代发现史上人类智慧最伟大的成就之一,将证实科学史上最伟大的理论之一,这的确是一个好消息。

      但是,如果在大型强子对撞机(LHC)上发现了希格斯粒子,那么有待于发现的还更多。这是一个非常重要的实验,物理学家需要了解我们存在的一些根本性问题,从关于自然界存在的四种相互作用力是否统一这一重大理论的争论,到宇宙大爆炸究竟是由什么引起的等等,这些至今仍然没有找到答案,回答这些问题可能已经超出了我们这一代人在技术和财力上的能力。

      接下来是较为详尽的答案:

      基本粒子是构成一切物质实体的基本成分,其中质子、中子和电子构成一切稳定的物质,质子、中子、原子核,最终是原子,都是有质量的。如果没有希格斯粒子,这些粒子就会是无质量的,就像光子一样。

      我们从经验知道,物体有多重,取决于它位于何处。例如,在陆地上沉重的物体,在水中就会轻一些。同样,如果你在糖浆中推动一个汤匙,感觉一定比在空气中移动它更费劲一些。

      粒子物理学的标准模型暗示存在着一个充满所有空间的“希格斯场”,这个“希格斯场”与各种粒子相互作用,其活动有强有弱,互动强烈的粒子,在运动中会遇到更多的阻力,显得更重,有些粒子,如光子,与“希格斯场”完全不产生互动,因此光子总是保持无质量的状态。

      如此,一切物质的质量都由“希格斯场”的存在而决定,而质量是我们存在环境中的一个意外,因为在我们生存的宇宙中,恰好就有这样的一个背景场。

      

    站在针尖上的天使

      那么为什么是希格斯粒子呢?相对论告诉我们,没有任何信号可以比光跑得更快,这一理论与量子力学结合在一起告诉我们,我们所认为的场的力量,实际上是各种粒子在物体间的传播。粒子传输力量的方式是有点像“接球游戏”:如果我丢一球,你抓住了它,我会因投掷行为的后推力向后退几步,你也会因接球的动作向后退几步。因此,如果我们双方都有所行动,那么我们就会互相排斥。所以,如果存在有一个希格斯场,那么也一定存在有一种与这个场相关的粒子,这种粒子就是希格斯粒子。

      这似乎是一种想象中的设想,就像想象站在针尖上的天使。那么,是什么原因促使科学家去想象这样一种场景呢?

      过去50年里最大的成就之一是两种自然力的统一:电磁力和弱力的相互作用。在这个“电弱统一理论”中,无质量光子的远距离交流产生电磁力,有质量的W粒子和Z粒子的交流则产生短程弱力,欧洲核子中心于20世纪60年代预测了W和Z玻色子的存在,20世纪80年代证实了它们的存在。

      为了使这一理论在数学上能够说得通,这一基础理论中所有三种粒子都必须是无质量的,因此,它们“居中调停”的力量几乎是相同的。只有当W和Z粒子在与“希格斯场”这一背景场的相互作用中获得了某种质量,这一基础统一理论才能解释,为什么这两种力与我们目前的测量方式看似不同,但从数学的角度上看却又是相容的。

      从理论上来讲,希格斯粒子的质量应该是质子质量的100倍左右,但其确切质量无法预测。自发现W和Z粒子以来的过去25年里,实验物理学家一直试图建立产生一个希格斯粒子的粒子加速器,如果它真的存在的话。美国费米实验室的“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron),能够达到质子质量的大约120倍(约120千兆电子伏特),但没有发现希格斯粒子。

      

    宇宙物质理论 皇冠上的明珠

      大型强子对撞机(LHC)的目的是为了探测比这质量更重的希格斯粒子,如果发现125GeV质量的希格斯粒子,那它将成为电弱统一理论、人类的起源,以及几乎所有宇宙物质理论皇冠上的明珠。

      但并非一切都那么乐观,标准模式并无法对希格斯粒子、W粒子和Z粒子的质量作出解释,事实上,认为我们需要新的物理学来解释为什么量子力学效应不应该造成这种级别质量的论点也并不见得高明多少。

      最激动人心的方式之一可能涉及一种叫做超对称的理论,如果超对称真实存在,那么基本粒子的数量将翻一番,我们需要的将不是一种希格斯粒子,而是两种,这正是许多物理学家们希望能够找到的。从欧洲粒子物理研究所传来的消息表明,第二种这种粒子的质量大约为140GeV。

      超对称是一种更玄妙的弦理论模式的重要组成部分,弦理论模式试图将引力和量子力学统一起来,一些理论家甚至有更多理由希望,两种希格斯粒子,甚至是我们没有预料到的其他粒子,也有可能被发现。

      如果在大型强子对撞机上只发现一种希格斯粒子,没有任何其他的发现,这将是一个喜忧参半的结果,从理论上我们甚至可以想像最坏的可能性,我们将有可能发现质量的起源,但却没有新的实验指导告诉我们将如何进行下一步。

      

    新闻背景 发现希格斯粒子

      自从首次预测希格斯粒子存在的近半个世纪以来,科学家终于在本月初宣布,世界上最期望已久的粒子终于在大型强子对撞机上被检测到。在瑞士日内瓦附近欧洲核子研究中心(CERN)的礼堂内,充满了经久不息的热烈掌声和欢呼声。这一突破意味着解释所有已知粒子以及作用于它们的各种力的粒子物理学标准模型,终于得以完成。

      欧洲核子研究中心(CERN)负责人7月4日宣布,质量约为125GeV~126GeV的希格斯玻色子分别在大型强子对撞机(LHC)的上的CMS和ATLAS子探测器上被发现,确定性水平,或者说标准偏差,分别为5西格玛。即使按照粒子物理学家的严格标准,从统计学的角度来看,也足可以认定这种粒子已被发现。“我认为我们已经发现了它,”欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍耶尔在当地时间上午9时开始的久已期盼的新闻发布会即将结束时宣布道。

      CMS项目组的乔·英卡代拉和ATLAS项目组的法比奥拉·詹内蒂报告称,发现了质量约为125GeV~126GeV的希格斯玻色子,并达到5西格玛的标准偏差。这一结果与去年12月这两个项目组宣布的在统计学意义上稍逊的发现希格斯粒子“迹象”的报告大致相同。

      希格斯玻色子赋予所有基本粒子以质量,是所有物质存在的基础,是希格斯场的最基本单位。希格斯场是一种包罗万象的实体,所有粒子都从中通过。有些粒子,如光子,可以不受阻碍地从中通过,它们是无质量的。而其他一些粒子则更像被困糖浆中的蝇子一样必须用力才能通过。希格斯粒子及希格斯场是标准物理模型中所不可或缺的,但在7月4日宣布其发现之前,一直未被确定地检测到。

      新闻发布会上群情激奋,气氛热烈,最早预测了希格斯玻色子存在的彼得·希格斯(1964年希格斯玻色子以他的名字命名)也出席了这次记者招待会,他心情激动地称此发现为“在我的有生之年发生的最令人激动的事情。”

      “这种质量的标准模式玻色子非常好,”詹内蒂说道,“因为我们可以测量它,感谢大自然。”

      物理学家宁愿将发现的“希格斯玻色子”称为一种“新的玻色子”,这是因为他们还不清楚它的属性,还无法确定它与标准模型希格斯粒子的相似度。“研究这种粒子的所有属性将是一个漫长的过程,”霍耶尔说道。

      需要研究的属性之一是这种粒子的自旋,按照标准模型,它应该是一个零值。CMS项目组的奥利弗·巴克穆勒说道,大型强子对撞机在2012年底将能够确定新发现玻色子的自旋值。“令人兴奋的并不仅仅是发现本身,而是这一发现对希格斯场研究前景的意义。”

      

    相关链接 希格斯玻色子发现简史

      希格斯玻色子的发现是科学发现史上最为轰动的事件之一,瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心的物理学家于7月4日宣布他们通过大型强子对撞机找到了期望已久的希格斯玻色子,50年时间里对这种赋予其他粒子以质量的难以捉摸神秘粒子的探寻,终于达到了一个光辉的顶点,以下是寻找希格斯玻色子的历史简介:

      1964年

      彼得·希格斯是明确预测这种粒子存在的第一人,1964年10月,以他的名字将这种粒子正式命名为希格斯粒子,但其他一些物理学家也认为自己是提出这种产生质量玻色子存在的人。同年8月,罗伯特·布罗特和弗朗索瓦·恩格勒特独立地详述了这种质量生成的机制。另一组科学家理查德·哈根、杰拉尔德·古拉尔尼克和汤姆·基布尔也独立提出了类似的推测,并于希格斯之后不久,于同年11月公开了他们的理论。诺贝尔委员会难以决断究竟是谁提出了希格斯粒子理论,而诺贝尔奖最多只能由三人共享。

      1995年

      即使没有发现希格斯玻色子,我们仍然有希格斯机制存在的证据,因这种机制的存在,导致标准模型作出了一系列成功的预测,包括发现已知最重粒子顶夸克在内。1995年,正如所预见的那样,欧洲核子研究中心在美国芝加哥的竞争对手费米实验室,用“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron),将带电粒子加速到大约176千兆电子伏特(GeV),发现了顶夸克。

      2001年

      在大型强子对撞机(LHC)之前,欧洲核子研究中心在大型正负电子对撞机(LEP)于2000年关闭之前,花了5年时间利用它寻找80GeV的希格斯粒子,2001年的最终分析排除了质量在115GeV以下的希格斯粒子。

      2004年

      在大型正负电子对撞机(LEP)关闭和大型强子对撞机(LHC)开启之间的这段时间内,芝加哥费米实验室是最有可能找到希格斯粒子的地方。Tevatron获得了高于117GeV的希格斯粒子的实验数据,最高上限为251GeV。

      2007年

      大型强子对撞机(LHC)以比以往任何加速器更高的能量让粒子碰撞,所以针对较轻希格斯粒子的实验,增加了Tevatron发现希格斯粒子的几率。随着来自欧洲核子中心的压力越来越大,费米实验室将最高上限降低到了153GeV。

      2008年

      1亿人观看质子束首次绕大型强子对撞机旋转的情景,一些人产生了一种没有根据的恐惧,害怕它有可能造成一个毁灭世界的黑洞。由于煤气泄露事件导致加速器关闭,欧洲核子中心寻找希格斯粒子的努力暂时停止直到次年。

      2009年

      由于大型强子对撞机(LHC)一直要关闭到11月,费米实验室的研究人员满怀希望称,到2010年底,他们用“万亿伏特粒子加速器”(Tevatron)找到希格斯玻色子的机会可达50%。

      2010年

      物理博客纷传Tevatron发现了希格斯粒子存在的迹象,但最终证明只是谣传。

      2011年

      4月,一项未经审核的大型强子对撞机研究在网上泄露之后,掀起了新一轮关于希格斯粒子的传闻。9月,Tevatron实验结束,没有找到希格斯粒子。年底,大型强子对撞机的ATLAS和CMS实验项目都发现了约125GeV质量的希格斯粒子。

      2012年

      2月,大型强子对撞机的碰撞能量从7TeV提高到8TeV,对希格斯粒子的敏感度提高了30%~40%。3月,根据Tevatron最后的实验数据,希格斯粒子的质量在115GeV~152GeV之间。

      7月4日 欧洲核子研究中心发布了寻找希格斯粒子的最新消息,成为最近10年里物理学界最受关注的事件。

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