宇宙在誕生時(shí)可能是對(duì)稱的，而看不見(jiàn)的希格斯場(chǎng)的對(duì)稱性則可以被比喻成一只被置于一個(gè)圓形碗內(nèi)的一個(gè)圓球來(lái)描述。但大爆炸僅僅10-11秒之后，希格斯粒子便偏離了對(duì)稱中心，抵達(dá)其最低能態(tài)，從而打破了這種對(duì)稱性
這是LHC設(shè)備中ATLAS探測(cè)器得到了一幅圖像，圖中4條紅線可能是μ子，它們可能是短壽命并瞬間衰變消失的希格斯粒子產(chǎn)生的
希格斯粒子在產(chǎn)生之后幾乎瞬間就會(huì)衰變成兩個(gè)光子，它們留下的路徑（圖中綠色），可以在這張來(lái)自CMS探測(cè)器的圖像中觀察到 圖像來(lái)源：CERN
盡管希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)最終填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的最后一環(huán)，但標(biāo)準(zhǔn)模型本身卻并非揭開(kāi)宇宙終極奧秘的最終一環(huán) 彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Fran·ois Englert)分享了今年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他們獲獎(jiǎng)的成果是在1964年提出的一項(xiàng)理論，該理論揭示了粒子是如何獲得質(zhì)量的。當(dāng)時(shí)，這兩位學(xué)者分別獨(dú)立地發(fā)展了這項(xiàng)理論(當(dāng)時(shí)恩格勒教授是與另一名合作者，現(xiàn)在已經(jīng)去世的Robert Brout教授共同發(fā)展了這項(xiàng)理論)。2012年，他們的理論預(yù)言，即所謂希格斯玻色子的存在，得到了位于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心實(shí)驗(yàn)的證實(shí)。 這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是構(gòu)成粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的核心部分之一，這一模型描述我們所生活的世界是如何構(gòu)成的。根據(jù)這一模型，萬(wàn)事萬(wàn)物，從鮮花到人體，再到恒星和行星，所有的一切都是由少數(shù)幾種基本材料組成的，那就是物質(zhì)粒子。 這些粒子受力的控制，以便確保各種粒子各從其類。整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的完成需要存在一種粒子，那就是希格斯粒子。這種粒子源于一種看不見(jiàn)卻充斥整個(gè)空間的場(chǎng)。盡管宇宙看上去幾乎是空的，但是這種場(chǎng)的確存在于那里。離開(kāi)這個(gè)場(chǎng)，我們將不復(fù)存在，因?yàn)檎墙柚谂c這一場(chǎng)之間的相互作用，粒子才獲得了質(zhì)量。恩格勒和希格斯的理論正是描述了這一過(guò)程。 2012年7月4日，歐洲核子中心(CERN)的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，研究人員實(shí)驗(yàn)證實(shí)了希格斯粒子的存在。歐核中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)可能是迄今人類建造過(guò)的最強(qiáng)大也最復(fù)雜的機(jī)器。正是在這里，兩個(gè)研究組：ATLAS和 CMS(每個(gè)研究組都有超過(guò)3000名科學(xué)家組成)分別給出其實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果，他們?cè)跀?shù)以十億計(jì)的粒子對(duì)撞結(jié)果中提取到了希格斯粒子存在的證據(jù)。 François Englert和Peter Higgs在做出這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)時(shí)都是年輕科學(xué)家。1964年，他們分別獨(dú)立地提出一項(xiàng)理論，用于挽救當(dāng)時(shí)瀕臨崩潰的標(biāo)準(zhǔn)模型。幾乎半個(gè)世紀(jì)之后，2012年7月4日，他們兩人都出席了位于日內(nèi)瓦的歐洲核子中心(CERN)舉行的發(fā)布會(huì)，會(huì)上科學(xué)家們宣布他們發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子的存在，從而終于證實(shí)了當(dāng)年這兩位科學(xué)家預(yù)言的準(zhǔn)確性。 創(chuàng)建秩序的模型 世界萬(wàn)物是由幾種簡(jiǎn)單的基本粒子構(gòu)成的，這一想法由來(lái)已久。在公元前400年，德謨克利特就曾指出任何物體都是由原子組成的，希臘文中“átomos”意思是“不可分的”。今天我們知道原子其實(shí)并非是不可分的。它們是由更小的，圍繞原子核運(yùn)行的電子，以及構(gòu)成原子核本身的中子和質(zhì)子構(gòu)成的。更進(jìn)一步，中子和質(zhì)子則是由更小的粒子組成的，它們被稱作夸克。事實(shí)上，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型給出的結(jié)果，僅有電子和夸克是真正不可分的。 原子核包含兩種種類的夸克，上夸克和下夸克。因此事實(shí)上，我們僅需要三種基本粒子就可以構(gòu)成我們所見(jiàn)的所有物質(zhì)：電子，上夸克和下夸克。但是在上世紀(jì)50~60年代，科學(xué)家們?cè)谠虞椛鋵?shí)驗(yàn)和新建成的加速器實(shí)驗(yàn)中都發(fā)現(xiàn)了預(yù)想不到的新粒子，在這種情況下，標(biāo)準(zhǔn)模型不得不將這些新發(fā)現(xiàn)的粒子包含進(jìn)它的框架之中。 除了物質(zhì)粒子，還有傳遞力的粒子，它們提供自然界的4大基本力——強(qiáng)核力、弱核力、電磁力以及引力。引力和電磁力是最廣為人知的，它們控制著吸引和排斥，我們可以用我們的眼睛觀察到這些力造成的影響。強(qiáng)核力作用于夸克，將質(zhì)子和中子牢牢固定于原子核內(nèi)部，而弱核力則與放射性衰變有關(guān)，這一過(guò)程是非常重要的，比如太陽(yáng)的發(fā)光機(jī)制便與此有關(guān)。 粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型將構(gòu)成自然界的基本粒子，以及這4大基本力中的3種統(tǒng)一了起來(lái)，而第四種力，即引力，仍然游離在框架之外。長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)家們一直想知道這些力究竟是如何發(fā)揮其作用的？他們對(duì)此困惑不已。舉例來(lái)說(shuō)，一塊金屬片被磁鐵吸引，但是它怎么會(huì)知道那里有一塊磁鐵？月亮又是如何感知到地球的吸引的？ 充斥空間的隱形場(chǎng) 物理學(xué)對(duì)此給出的解釋是：空間中充滿著很多看不見(jiàn)的“場(chǎng)”。如引力場(chǎng)，電磁場(chǎng)，夸克場(chǎng)和其它許多種類的場(chǎng)遍布整個(gè)空間，或者更確切的說(shuō)，是充斥著整個(gè)四維的時(shí)空。標(biāo)準(zhǔn)模型是一種量子場(chǎng)論，其中場(chǎng)和粒子構(gòu)成了組成宇宙的基本材料。 在量子物理學(xué)中，任何物質(zhì)都被視為是量子場(chǎng)中震蕩的組合。這些震蕩被以“小包”的形式在場(chǎng)中傳遞，即所謂的“量子”，我們可以將其視作一種粒子。這里存在兩種不同的場(chǎng)：物質(zhì)場(chǎng)，其中包含的是物質(zhì)粒子；以及力場(chǎng)，其中包含的是載力粒子，它們是力的媒介。希格斯粒子同樣也是一種場(chǎng)的震蕩，通常這種場(chǎng)被物理學(xué)家們稱作“希格斯場(chǎng)”。 離開(kāi)這個(gè)場(chǎng)，標(biāo)準(zhǔn)模型將會(huì)像紙牌屋那樣坍塌。后來(lái)，直到François Englert ，Robert Brout, 和 Peter Higgs以及后來(lái)的幾位物理學(xué)家提出希格斯場(chǎng)的理論，才最終填補(bǔ)上標(biāo)準(zhǔn)模型中的缺陷，挽救了標(biāo)準(zhǔn)模型。 這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型只有在假定粒子沒(méi)有質(zhì)量的情況下才能成立。如電磁力，其傳遞的媒介是沒(méi)有質(zhì)量的光子，這沒(méi)有問(wèn)題。那么弱核力呢？問(wèn)題出現(xiàn)了——其傳遞媒介是三種有質(zhì)量的粒子：兩種帶電荷的W粒子以及一種Z粒子。它們與“身輕如燕”的光子存在本質(zhì)不同。這樣一來(lái)就讓標(biāo)準(zhǔn)模型面臨威脅。而此時(shí)François Englert ，Robert Brout, 和 Peter Higgs等人及時(shí)進(jìn)行了介入，并提出了一種消除這種威脅的天才設(shè)想，給出了粒子獲得質(zhì)量的途徑，從而挽救了標(biāo)準(zhǔn)模型。 鬼魅般的希格斯場(chǎng) 希格斯場(chǎng)與物理學(xué)中其它場(chǎng)之間存在顯著不同。其它場(chǎng)都存在強(qiáng)度的變化，并且在其最低能級(jí)時(shí)強(qiáng)度降為零。但希格斯場(chǎng)并非如此。即便你將空間徹底清空，你永遠(yuǎn)無(wú)法清除希格斯場(chǎng)，它無(wú)法被關(guān)閉，它永遠(yuǎn)鬼魅般的存在著。但我們不會(huì)注意到它，它就像空氣對(duì)于我們，水對(duì)于魚(yú)兒們一樣自然。但是離開(kāi)了它我們卻將不復(fù)存在，因?yàn)檎墙柚谂c這一場(chǎng)之間的相互作用，粒子才獲得了質(zhì)量。正是這一過(guò)程讓原子和分子的形成成為可能。如果希格斯場(chǎng)突然消失，所有物質(zhì)都將瞬間崩潰解體，因?yàn)樵谶@一瞬間沒(méi)有質(zhì)量的電子將會(huì)以光速?gòu)脑又刑右荨?br /> 那么究竟是什么讓希格斯場(chǎng)如此與眾不同？它打破了自然界精妙的對(duì)稱性。在自然界，到處體現(xiàn)著對(duì)稱性：你的臉基本是對(duì)稱的，花朵，雪花，它們都顯示著某種對(duì)稱的特點(diǎn)。物理學(xué)揭示出其它一些描述我們世界的對(duì)稱性，盡管其所在的層次可能會(huì)更深一些。舉一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的例子，對(duì)稱性要求當(dāng)你做一個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，不管你是在斯德哥爾摩還是在巴黎，你應(yīng)當(dāng)會(huì)得到相同的結(jié)果。對(duì)稱性也規(guī)定，你在不同的時(shí)間進(jìn)行相同的實(shí)驗(yàn)也應(yīng)當(dāng)會(huì)得到相同的結(jié)果。愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論在時(shí)空框架中討論對(duì)稱性問(wèn)題，它已經(jīng)構(gòu)成許多其它理論的基石，如粒子物理學(xué)中的標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型中的方程式都是對(duì)稱的，就像一個(gè)球體，無(wú)論你從哪個(gè)角度觀察，它都是一樣的。相似的，標(biāo)準(zhǔn)模型給出的方程式，即便觀察者的角度發(fā)生變化，這些方程也不會(huì)有所改變。 這種對(duì)稱性也會(huì)產(chǎn)生一些意想不到的結(jié)果。在1918年，德國(guó)數(shù)學(xué)家Emmy Noether發(fā)現(xiàn)一些物理學(xué)中非�；镜氖睾愣ɡ肀澈笠彩菍�(duì)稱性，如大家熟知的能量守恒以及電荷守恒定律。 然而這種對(duì)稱性也會(huì)帶來(lái)一些嚴(yán)苛的要求。一個(gè)球必須是完美的球體，任何一點(diǎn)突起都會(huì)損害其對(duì)稱性。對(duì)于方程式來(lái)說(shuō)，情況也是類似。在標(biāo)準(zhǔn)模型框架中不允許存在有質(zhì)量的粒子，現(xiàn)在我們知道，這明顯是不符合自然界實(shí)際情況的。因此這些粒子一定是從外部，以某種方式“獲得”了質(zhì)量的屬性。而這，正是此次物理學(xué)獎(jiǎng)所獎(jiǎng)勵(lì)的成果：它提供了一種機(jī)制，既保全了這種對(duì)稱性，又將其掩蓋了起來(lái)。 你看不到對(duì)稱性，但它依舊存在 我們的宇宙誕生時(shí)可能是對(duì)稱的。在大爆炸發(fā)生時(shí)，所有粒子都不具有質(zhì)量，所有的力都統(tǒng)一為一種單一的原始力形式。但這最初的秩序已經(jīng)不復(fù)存在——這種對(duì)稱性已經(jīng)被隱藏起來(lái)。這件事大約是在宇宙大爆炸之后10-11秒時(shí)發(fā)生的，希格斯場(chǎng)失去了其最初的平衡態(tài)。但這一切為何會(huì)發(fā)生？ 一切都是以對(duì)稱形式開(kāi)端的。這一情形大致可以用一只被置于一個(gè)圓形碗內(nèi)的一個(gè)圓球來(lái)描述，即位于其最低能級(jí)態(tài)。當(dāng)其受到一個(gè)推力，這個(gè)球開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，但很快它又會(huì)回到最低能級(jí)態(tài)。 然而，如果這個(gè)碗的中心部位出現(xiàn)一個(gè)凸起，那么這個(gè)球位于碗中央的部位就不再是穩(wěn)定的了，盡管它此時(shí)仍然保持了對(duì)稱性。此時(shí)這個(gè)球會(huì)向四周任何方向落下去。在這個(gè)球落下去之前，這個(gè)碗都一直是對(duì)稱的，但一旦這個(gè)球落下去，這個(gè)球偏離了碗中央位置的外表掩蓋了碗本身仍然是對(duì)稱的這一事實(shí)。相似的，希格斯場(chǎng)打破了這種對(duì)稱性并在真空中找到了一種穩(wěn)定的能級(jí)態(tài)，但這一能級(jí)態(tài)是偏離能級(jí)為零的位置的。這種自發(fā)的對(duì)稱性破缺也被稱作希格斯場(chǎng)相變，就像是水變成冰。 要想發(fā)生相變，需要4種粒子，但是其中只有一種粒子，即希格斯粒子可以幸存下來(lái)。其它3種都會(huì)被弱核力消耗：即兩種帶電的W粒子，以及一種Z粒子，在這一過(guò)程中，這三種粒子獲得了質(zhì)量的屬性。通過(guò)這一途徑，標(biāo)準(zhǔn)模型中弱電磁力的對(duì)稱性得以保全——即三種弱核力控制下的重粒子，以及電磁力控制下沒(méi)有質(zhì)量的光子之間的對(duì)稱性得到保存，只是從視野中被隱去了。 極端物理學(xué)的極端機(jī)制 今年的這兩位獲獎(jiǎng)?wù)呋蛟S沒(méi)有想到他們當(dāng)年提出的這項(xiàng)理論會(huì)有機(jī)會(huì)在他們的有生之年得到驗(yàn)證。為了驗(yàn)證他們的理論，來(lái)自全球各地的物理學(xué)家們做出了巨大的努力。長(zhǎng)期以來(lái)，兩個(gè)著名的實(shí)驗(yàn)室——美國(guó)芝加哥的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室，以及位于歐洲法國(guó)和瑞士邊境地區(qū)的歐洲核子中心(CERN)，一直致力于對(duì)希格斯粒子的搜尋工作。然而隨著數(shù)年前美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室Tevatron加速器的停擺，歐洲核子中心就成了全球范圍內(nèi)仍然能夠開(kāi)展希格斯粒子搜尋工作的唯一機(jī)構(gòu)。 CERN創(chuàng)立于1954年，當(dāng)時(shí)建立的目的是想在二戰(zhàn)的浩劫之后重建歐洲的研究工作，以及歐洲各國(guó)之間的相互關(guān)系。目前這一機(jī)構(gòu)擁有20個(gè)成員國(guó)，全球則共有超過(guò)100個(gè)國(guó)家參與到了這一機(jī)構(gòu)的合作關(guān)系當(dāng)中。 CERN最大的成就便是這里建成了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)設(shè)備，這可能是人類有史以來(lái)建成的規(guī)模最大，技術(shù)最復(fù)雜的機(jī)器。兩個(gè)研究組：ATLAS和 CMS，每個(gè)都由超過(guò)3000名科學(xué)家組成，在這里全力搜尋希格斯粒子的蹤跡。其探測(cè)器被安置在地下100米深處，每秒可以觀測(cè)4000萬(wàn)次粒子對(duì)撞事件。在LHC設(shè)備長(zhǎng)達(dá)27公里的地下隧道中，兩束粒子流被以相反方向射出并發(fā)生對(duì)撞。 每隔10小時(shí)，科學(xué)家們會(huì)從相反方向各發(fā)射一束質(zhì)子流。1億億個(gè)質(zhì)子堆積在一起并被壓縮成一束狹窄的粒子流——這非常不容易，因?yàn)橘|(zhì)子帶有正電荷，它們會(huì)互相排斥。隨后這一質(zhì)子流被以99.99999%的光速發(fā)射出去，當(dāng)撞擊發(fā)生時(shí)，每個(gè)質(zhì)子的能量約為4 TeV，兩兩相撞時(shí)總體則約為8 TeV(1 TeV=1萬(wàn)億電子伏特)。1TeV聽(tīng)上去可能并不是很大的能量，其或多或少也就與一只飛行中的蚊子相當(dāng)，但當(dāng)這些能量被壓縮在單個(gè)的質(zhì)子之中，并且你同時(shí)擁有500萬(wàn)億個(gè)這樣的質(zhì)子在加速器中瘋狂運(yùn)行，其具備的能量則與一輛全速行進(jìn)中的火車相當(dāng)。而經(jīng)過(guò)升級(jí)改造，到2015年，LHC能夠達(dá)成的能級(jí)還將翻一倍。 謎中之謎 粒子實(shí)驗(yàn)有時(shí)被比作同時(shí)砸碎兩塊瑞士手表以檢查它們的結(jié)構(gòu)，但它實(shí)際上更加困難，因?yàn)榭茖W(xué)家要尋找的是全新的粒子，它們是碰撞釋放出的能量所創(chuàng)造出來(lái)的。 根據(jù)愛(ài)因斯坦的著名公式E = MC 2 ，質(zhì)量是一種能量。正是這個(gè)神奇的方程式使兩個(gè)物體在碰撞時(shí)能夠創(chuàng)造出新的物質(zhì)，即使對(duì)無(wú)質(zhì)量粒子來(lái)說(shuō)也是如此。兩個(gè)光子碰撞會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電子和它的反粒子——正電子；如果如果能量足夠高，兩個(gè)膠子碰撞能夠產(chǎn)生一個(gè)希格斯粒子。 質(zhì)子像裝滿了粒子——夸克、反夸克和膠子——的小袋子。這些粒子中的大多數(shù)彼此相安無(wú)事，兩個(gè)粒子群相撞時(shí)，平均只有二十個(gè)粒子會(huì)完全正面碰撞。在10億次碰撞中，只有不到一次碰撞是進(jìn)行到底的。這可能聽(tīng)起來(lái)不多，但每一次這樣的碰撞都會(huì)導(dǎo)致約一千個(gè)粒子的劇烈爆炸。當(dāng)能量達(dá)到125 GeV時(shí)，希格斯粒子的質(zhì)量居然超過(guò)質(zhì)子一百倍，這就是為什么它是如此難以被創(chuàng)造出來(lái)的原因之一。 然而，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)還遠(yuǎn)沒(méi)有結(jié)束。CERN的科學(xué)家們希望在未來(lái)數(shù)年內(nèi)取得更大的突破。盡管他們發(fā)現(xiàn)希格斯粒子這件事便已經(jīng)可以載入史冊(cè)，這是標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，但是這并不就意味著我們揭開(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1/5左右。我們對(duì)于神秘的暗物質(zhì)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)在知道希格斯粒子是與眾不同的，或許它將幫助在這兩種完全不同的兩者之間建立起某種聯(lián)系。科學(xué)家們希望能捕捉到暗物質(zhì)的身影，哪怕僅僅是一瞬間。為此，在未來(lái)數(shù)十年間，他們將在LHC設(shè)備上繼續(xù)努力工作。 -- 新浪科技 |
