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凤凰知道:它为什么叫“上帝粒子”?

 lindan9997 2013-10-08
,   凤凰知道
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【导语】北京时间今天下午18:45分,万众瞩目的诺贝尔物理学奖终于开出,物理学界至高无上的荣誉最终颁给了英国理论物理学家彼得?希格斯和比利时理论物理学家弗朗索瓦?恩格勒,他们因希格斯玻色子的理论预言获奖。“我很高兴可以活着看到这一天。”希格斯在得知自己入选时曾这样说到。

奖项原定于17:45开出,但评委会争论激烈,导致公布时间一度推迟3次。

希格斯玻色子被称为“上帝粒子”,1964年,布绕特和恩格勒提出了量子场方程,这种场能够弥漫于整个宇宙,在符合相对论的前提下产生弱电对称破缺。希格斯提出了同样的方程,并且指出这个场中的涟漪会表现为一种新的粒子——希格斯子。同年稍晚些时候,三位物理学家将这些概念整合成了标准模型的前身。这一年共有6位科学家做出了相关预言,其中希格斯居功最伟。

神秘的“上帝粒子”到底是什么?在人类与它的接触过程中,又发生了哪些有趣的故事?

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●“上帝粒子”的昵称最初来源一本书

“上帝粒子”源于物理学家利昂?莱德曼的《上帝粒子》这本书,这个绰号也让许多物理学家对它心生畏惧。但莱德曼不喜欢“上帝粒子”这个名字,他喜欢开玩笑说,他其实想叫它“该死的粒子”,因为希格斯玻色子是如此难以找到。

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●玻色子一词来源于印度的数学和物理学家 Satyendra Nath Bose

粒子分成两个大类:玻色子和费米子。希格斯粒子属于玻色子,是以物理学家萨特延德拉?纳特?玻色的名字命名的。这位物理学家最著名的研究工作,就是他在上世纪20年代跟爱因斯坦一起的合作研究。他们合作发明了玻色-爱因斯坦统计学,用来描述现在以玻色的名字命名的一大类粒子的行为方式。两个具有相同性质的玻色子可以在同一时间处在同一位置,但两个费米子就不行。这就是光子(这也是一种玻色子)可以聚焦成很细的激光一起传播的原因。但电子(它是费米子)就不能呆在同一个位置,这可以解释原子外的电子为什么必须处在不同的能级。玻色从未拿过博士学位,也没有因为他的研究获得过诺贝尔奖,但诺贝尔委员会曾经把诺贝尔奖颁发给了在他提出的概念上进行相关研究的其他科学家。

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●彼得?希格斯关于新粒子的那篇最著名的论文最初被拒绝

但这却成了一件好事,因为这让希格斯有机会在论文里多加了一段话,引入了如今非常著名的希格斯粒子。1964年,希格斯写了两篇论文,每篇都只有两页长,内容就是现在被称为希格斯场的东西。《物理快报》(Physics Letters )接收了第一篇论文,但拒掉了第二篇论文。著名物理学家南部阳一郎(Yoichiro Nambu)在评审第二篇论文的时候,建议希格斯加上一部分内容来解释这一理论的物理学意义。希格斯加了一段话,预言这个场中的一个刺激,就像大海中的一个波浪那样,会产生一种新的粒子。然后,他把改过的论文投给了那家杂志的对手——《物理评论快报》(Physical Review Letters),结果发表了。

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●英国科学部长曾经举办过一场全国比赛,来寻找最佳的解释希格斯场的方法

根据希格斯模型,基本粒子是跟一种看不见的、无所不在的场发生相互作用而获得了质量。一个粒子与希格斯场相互作用越强烈,它拥有的质量就越大。科学家很难向英国政府解释清楚希格斯场,所以在1993年,英国科学部长威廉?瓦多格列佛(William Waldegrave)向科学家发起了挑战,让他们用一页纸的篇幅向他解释希格斯场。瓦多格列佛拿出了一瓶香槟奖给了获胜者,其中就包括英国伦敦大学学院的物理学家戴维?米勒(David Miller)。米勒把希格斯场比作一个房间,房间里均匀分散着一大群为政客聚会服务的工作人员。一个无关紧要的人可以不受阻碍地在人群中穿来穿去。然而,如果是时任英国首相撒切尔夫人(Margaret Thatcher)到场,一定会吸引大量的关注:聚会工作人员会围拢在她周围,减慢她穿行的速度,使她带上某种“质量”。

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● 希格斯不是唯一一位在解释粒子为什么有质量方面有贡献的物理学家。

至少有十几位理论学家在最后提出希格斯粒子的理论框架中做出过贡献。2010年,美国物理学会把樱井奖(J.J. Sakurai Prize)授给了1964年共同发表那篇论文的6位物理学家。但其他理论学家也提出过类似的想法,更早的一些论文为这一想法铺平了道路。如此庞大的科学家团队或许会让瑞典诺贝尔奖委员会很头痛,因为每年的诺贝尔物理学奖最多只能发给3位仍然在世的科学家。

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●希格斯机制只能解释宇宙中质量的一小部分

把物质分割得越来越小,最终你会得到夸克和轻子。但问题是,其质量哪来的?希格斯玻色子,可以解释其他粒子为何有质量。

大多数科普文章都声称,希格斯模型给宇宙中的万物赋予了质量。然而,希格斯场只给夸克和电子这样的基本粒子赋予了质量。可见的宇宙主要由质子和中子这样的粒子构成,这些粒子是由夸克构成的。就好像一片葡萄干面包的重量要远远超过其中葡萄干的总重量一样,质子和中子的质量也大于其中夸克质量的总和。将夸克聚合在一起的强核力承担了大部“赋予质量”的工作。

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●即使希格斯玻色子被发现了,粒子物理标准模型也依然是不完整的

希格斯玻色子是标准模型预言的最后一种尚未被发现的粒子。标准模型是一个优美的数学模型框架,物理学家用它来描述构成物质的最小颗粒以及它们的相互作用方式。实验结果一次又一次证实了标准模型的其他预言。但发现希格斯玻色子并不能给粒子物理画上圆满的句号。尽管标准模型解释了电磁力和强核力之类的基本作用力,但它无法解释引力,这种力比其他基本作用力微弱太多。一种可能的解释是,我们只感受到了一小部分引力,引力绝大多数都作用在隐藏的其他维度之中。

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●如果希格斯子存在,它很可能还有“亲戚”

许多理论物理学家试图建立不包含希格斯玻色子的模型,但他们都失败了。事实上,在那些流行的理论中(如超对称理论),都至少包含5个希格斯玻色子。美国和欧洲的对撞机都有做实验——实验已经结束,数据尚在分析——答案或许是存在,或许是不存在,若存在,也可能和我们的预期不太一样。

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●很可能十几年前科学家们就捕捉到过希格斯子的踪迹了

2000年,CERN当时的旗舰加速器——大型正负电子对撞机经过11年的成功运行之后打算结束运行,结果一些奇怪的事情发生了。LEP实验发现了一个迹象,看起来就像是希格斯粒子,拥有大约115 GeV的质量,大约是碘原子质量的一半。情绪激动的科学家说服CERN管理层,让大型正负电子对撞机超期运行了6个星期,以便收集到更多数据。在超期服役期间,更多看起来像是希格斯玻色子的事件出现了。物理学家又要求再次延长运行时间,但是大型正负电子对撞机必须拆除,给更强大的对撞机——也就是现在的大型强子对撞机(LHC)腾位置了。去年,LHC宣布了最新的结果,暗示希格斯粒子如果存在的话,它的质量介于115-130 GeV之间。

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●发现新粒子仅仅是个开始。

仅仅是看起来像希格斯玻色子,不代表它就是希格斯玻色子。如果物理学家要确认一种新粒子的存在,需要衡量诸多指标,才可以判断是否是粒子物理学标准模型所描述的希格斯玻色子。物理学家建立一个非常详细的理论预言,来衡量标准模型中的希格斯玻色子会如何同其它的粒子相互作用。只有对实验中观察到的相互作用进行仔细的测量和测试——就像生物学家通过测定基因来定新的物种——科学家才能确认它们发现了标准模型中的希格斯玻色子。一个新的粒子,为物理学家打开了一扇新的大门,能带着他们探索新的奥秘。

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在今年的诺贝尔物理学奖公布之前,汤森路透曾作出如下预测:

组合一:比利时理论物理学家弗朗索瓦?恩格勒和英国理论物理学家彼得?希格斯,因希格斯玻色子的理论预言获奖。

组合二:美国天文学家杰弗瑞?马西、瑞士天文学家米歇尔?麦耶、瑞士天文学家戴德尔?奎罗兹,因发现太阳系外行星获奖。

组合三:日本材料科学家细野秀雄,因发现铁基超导体获奖。

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