“上帝粒子”的美，不只有上帝看得到

今年10月8日，瑞典皇家科学院宣布将2013年诺贝尔物理学奖授予英国物理学家彼得·希格斯和比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒，以表彰他们对希格斯玻色子所做的预测。令他们荣获诺贝尔奖的希格斯玻色子是如此之小，以致历时半个世纪之后才得以发现。不过，它对物理学的意义又是如此重大，因而得名“上帝粒子”。

　　半个世纪前的预言

　　物体的质量是怎么来的？这个问题一直困扰着物理学界。1964年，恩格勒与同事罗伯特·布鲁特提出标准粒子模型理论，用以解释粒子如何获得质量。一个月后，希格斯提出一种粒子场的存在，预言存在一种玻色子，可以吸引其他粒子产生质量，是物质的质量之源，继而构筑我们认知的世界。希格斯写了两篇关于“希格斯场”的论文，每篇都只有两页长，权威的《物理快报》接收了第一篇论文，但拒绝了第二篇论文。著名物理学家南部阳一郎在评审第二篇论文时，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，提出一种粒子场的存在，预言一种能吸引其他粒子进而产生质量的玻色子的存在。他认为，这种玻色子是物质的质量之源，是电子和夸克等形成质量的基础，其他粒子在这种粒子形成的场中游弋并产生惯性，进而形成质量，构筑成大千世界。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》，结果发表了。这是希格斯有关玻色子的设想第一次公开发表。几个月后，美国的哈根、古拉尔尼克与英国的基布尔也发表了有关报告。

　　标准粒子模型理论中共预言了62种基本粒子的存在，“希格斯玻色子”正是该理论依赖的基石。作为物质的质量之源，“希格斯玻色子”连接着粒子获得质量的领域。没有“希格斯玻色子”，宇宙和人类就不会存在，因为其他粒子正是在“希格斯玻色子”构成的“海洋”中游弋，受其作用产生惯性，最终才有了质量。标准粒子模型理论提出后，其他61种粒子相继被实验所证实，只有“希格斯玻色子”难觅踪影。过去数十年中，无数全球顶级科学家苦苦捕捉着这一“希格斯玻色子”的存在证据。大型强子对撞机（LHC）是世界上最大的粒子加速器。这一耗资约100亿美元的设备属于欧洲核子研究中心（CERN），其目的是创建地球上能级最强大的粒子加速器设施，而其中找出“希格斯玻色子”则被列为了该设备的最优先目标之一。

　　近半个世纪过去了，终于，2012年7月4日，欧洲核子研究中心宣布，该中心的两个强子对撞实验项目——ATLAS和CMS项目发现了同一种新粒子，它的许多特征与希格斯玻色子一致。随后该中心于2013年3月14日称，更多数据分析表明它就是“希格斯玻色子”。

　　“上帝粒子”对世界意味着什么？

　　宇宙大爆炸后开始冷却，一种被称为“希格斯场”的不可见力量形成，无数的希格斯玻色子在“场”中减慢了其他粒子飞行速度，就像苍蝇被蜜糖附住一样，并使它们获得质量。也就是说，如果没有希格斯场，这些粒子将在宇宙中以光速到处飞行，行星也无法形成。

　　“上帝粒子”的发现将为科学家们开启一扇大门，让他们得以进行此前无法进行的一些计算。其中一些计算的结果有关宇宙的命运。有一种观点认为宇宙将在未来数十亿年内毁灭。在进行这样的计算时，“上帝粒子”本身的质量是一个非常关键的参数，它预示了时空的未来命运。目前的测量值显示，“上帝粒子”的质量约为质子的126倍，这一质量值几乎已经处在了一个临界点上，它将有可能让宇宙在未来数十亿年内走向毁灭。这或许意味着我们所生活于其中的这个宇宙本身存在着内在的不稳定性，在数十亿年之后这一切都将归于瓦解。

　　尽管人类发现“上帝粒子”这件事已经载入史册，这是标准模型中缺失的一环，但是这并不意味着我们揭开了宇宙的终极奥秘。就举其中一个例子，根据标准模型，中微子应当是没有质量的，然而近期的一些研究却发现这种粒子似乎的确拥有质量。另一个原因是，标准模型只能对可见物质进行描述，而可见物质仅仅占到整个宇宙中所有物质总量的4%左右。我们对于神秘的暗物质、暗能量的本质仍然知之甚少。我们无法直接观测到暗物质，但是却可以通过其施加的引力作用感知到它的存在，正是由于暗物质的引力作用，宇宙中的星系才不至于解体。暗物质几乎完全不会与可见物质发生反应。然而我们现在知道希格斯玻色子是与众不同的，或许它将帮助我们在这两种完全不同的世界之间建立起某种联系。

　　“诺贝尔物理学奖”背后的其他人

　　数十年间，“上帝粒子”一直存在于理论中，直到欧洲核子研究中心证实其存在。事实上，“上帝粒子”近年来一直是诺贝尔物理学奖候选名单上的常客，但因其未被证实，才延宕至今获奖。1964年，希格斯才35岁，恩格勒才32岁，现在恩格勒和希格斯均年过80。在过去半个世纪中，他们一直在等待理论被验证。去年大型强子对撞机宣布发现“上帝粒子”时，希格斯当场流下热泪。他说，“很高兴我能活着看到这一天的到来”。遗憾的是毕生荣誉，奈何来迟，与恩格勒同时发表论文的罗伯特·布鲁特在2011年去世，因此不在授奖范围内。

　　其实，1964年同时研究“上帝粒子”的还有3位科学家，美国的哈根、古拉尔尼克和英国的基布尔，但诺贝尔奖规定不得超过3人同时得奖，因此他们失落殊荣。

　　从理论的建立来讲，在1964年间，先后有6位物理学家在4个月期间出版了一系列关于该理论的相关文章，每个人的研究都可说是站在其他人的肩膀之上。我们应该知道的是，在这几个人之前，其实还有几位英雄对希格斯机制的创立作出了不可磨灭的贡献。

　　美籍日裔理论物理学家南部阳一郎是第一个把超导中的自发破缺引入到基本粒子物理领域的人，时间大约是1960年，但是他没有把自发破缺同规范理论相结合。

　　哥德斯通受南部阳一郎的启发首次引入标量场，时间大约是1961年，但是哥德斯通也没有进一步把标量场的自发破缺同规范理论相结合。

　　美国科学家朱利安·施温格于1962年想到了有质量的矢量粒子可能与无质量的标量粒子有关，但没有去证明。美国物理学家安德森受施温格的启发，于1963年在非相对论情况下发现无质量的标量粒子可以被无质量的规范玻色子吃掉而导致有质量的规范玻色子，这其实就是希格斯机制，但是它是非相对论的。

　　最后，在安德森的工作基础上，希格斯、恩格勒和布鲁特建立了相对论情况下的希格斯机制。

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　　两位获奖者介绍

　　彼得·希格斯 1929年出生在英格兰北部城市纽卡斯尔，父亲是英国广播公司的音效工程师。受第二次世界大战影响，希格斯童年教育并不连贯，有相当长的时间在家学习。即使如此，他仍以优异的成绩考入了伦敦大学国王学院，专业是理论物理，并在那里相继获得学士、硕士和博士学位。1960年博士毕业后，希格斯北上苏格兰，进入爱丁堡大学任教，在一场车祸中幸运地“大难不死”，随后奋力投入研究事业。目前是英国爱丁堡大学荣誉教授。

　　弗朗索瓦·恩格勒 1932年出生于布鲁塞尔，1959年获得博士学位，之后赴美国康奈尔大学深造。1960年他任康奈尔大学助理教授，结识了罗伯特·布鲁特并与其成为好朋友和密切的工作伙伴。1961年，恩格勒返回比利时，好搭档布鲁特也携全家跟着恩格勒一起返回比利时。1964年，恩格勒与布鲁特首次提出粒子如何得到质量的理论。

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　　为什么又称“上帝粒子”？

　　1988年，诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼无意中为希格斯玻色子起了“上帝粒子”（God Particle）这么一个名字。莱德曼写了本科普书，原书名叫“该死的粒子”（Goddamn Particle），因为希格斯玻色子难以找到，但出版商认为不妥，遂改成了“上帝粒子”。然而，希格斯本人并不喜欢这种称呼，他说：“虽然我本人不信教，但是我觉得不应该用‘上帝’这样的字眼，因为这有可能会让一部分人觉得受了冒犯。”有意思的是，当别人提到“希格斯玻色子”时，希格斯总是诚惶诚恐，因为他觉得自己的名字不配用来命名这种粒子。

　　圣经中描述上帝创世纪：上帝说要有光，于是便有了光；随后各种物质、天地、人兽花草徐徐而来。希格斯玻色子解决的是宇宙膨胀的问题，是说明宇宙开始后，基本粒子如何在被产生后具有质量，再聚合成各种其他物质，从而形成我们现在所生活的世界。换句话说，它解决的也是宇宙零秒之后的问题。称之为“上帝粒子”，也有赋予其创世纪的意味。

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　　霍金赌输了

　　此前，英国科学家霍金曾与美国密歇根大学的戈登教授打了个赌：欧洲核子研究中心不会发现希格斯玻色子。当时定下的赌金为100美元。2012年，当欧洲核子研究中心宣布初步确认发现了希格斯玻色子后，霍金表示该研究中心的发现非常了不起，他说如果这个新发现的粒子衰变的交互数量跟他们预期想象的一样，那这将成为粒子物理学“标准模型”的有力证据，它将能够解释到目前为止的所有试验。

　　理论物理学者弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯

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　　近百位中国科学家参与寻找“上帝粒子”

　　欧洲核子研究中心的大型强子对撞机研究项目是一个全球合作的项目，共有40多个国家和地区约3000名科学家参与，中国也是参与国之一。从对撞机探测器的建造到研究，有近百位中国工程师和科学家参与这个项目。中国科学家主要参加其中的两个实验：ATLAS实验和CMS实验。这两个实验通过不同探测器找到了希格斯玻色子。

　　【责任编辑】蒲 晖