上帝粒子

一对研究“希格斯玻色子”(又称“上帝粒子”)多年的伙伴8日获得2013年诺贝尔物理学奖，他们在理论中预言的粒子去年被欧洲核子研究中心证实存在。

他们分别是比利时科学家弗朗索瓦·恩格勒特和英国科学家彼得·希格斯。

希格斯玻色子最早是在1964年由英国物理学家皮特•希格斯和同事们提出的。

关于上帝粒子你可能不知道的事
1、上帝粒子从哪里来？
物理学家普遍认为，上帝粒子来源于宇宙大爆炸。

事实上，宇宙大爆炸被认为是包括上帝粒子在内的一系列基本粒子的最初起源。

2、上帝粒子如何使其他粒子产生质量？
上帝粒子会形成遍布宇宙空间的希格斯场，一些粒子在希格斯场中运动，就像在糖浆中穿行，因受到阻力而变得凝滞，粒子由此获得质量。

不同粒子受到的“阻力”不同，其所获得的质量也有差异。

3、为什么说没有上帝粒子，就没有生命，没有人类？
如果没有上帝粒子，宇宙中的所有粒子都将以光速运动。

这么快的速度运行，粒子将无法结合到一起，就不会产生原子、分子、DNA、蛋白质，也就不会有生命，不会有人类，不会有其他任何物质，宇宙将会是一片虚无。

4、科学家可能在十几年前就捕捉到上帝粒子了？
2000年，欧洲核子研究组织当时的旗舰加速器——大型正负电子对撞机打算结束运行，结果发现了一个迹象，看起来就像上帝粒子，拥有大约115 GeV的质量。

科学家说服管理层，让大型正负电子对撞机超期运行了6个星期，在超期服役期间，更多看起来像是上帝粒子的事件出现了。

科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（LHC）腾位置。

2011年，LHC宣布了最新的结果，暗示上帝粒子如果存在的话，它的质量介于115-130 GeV之间，这说明科学家可能在十几年前就捕捉到上帝粒子了。

5、寻找上帝粒子过程中科学家有没有动摇过？
2008年8月，欧洲核子研究中心开始运行新的大型质子对撞机。

这架大型质子对撞机
造价约为80亿美元。

计划实施时，将有来自34个国家近2000名科学家参加。

乐观估计，将在2010年前后提供一个确切的答案。

然而2011年8月，欧洲核子研究中心表示：一些迹象表明，上帝粒子也许真不存在，只是人们的“幻想”。

与此同时，该中心许多科学家也认为“上帝粒子不存在”的可能性越来越大。

大型强子对撞机中发生的每一次质子－质子对撞，都会产生大量接近光速向外飞散的粒子。

正是从这些乱麻中找出的线索，帮助科学家发现了新的粒子。

6、希格斯关于上帝粒子的论文曾经被拒？
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》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，预言这个场中会产生一种新的粒子，即上帝粒子。

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》，结果发表了。

7、英国是不是举办过一场比赛，来寻找解释希格斯场的最佳方法？
科学家很难向英国政府解释清楚希格斯场。

1993年，英国科学部长威廉？瓦多格列佛发起一场比赛，让科学家用一页纸的篇幅向他解释希格斯场，获胜者是英国伦敦大学学院的物理学家戴维？米勒。

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”。

8、霍金是不是用100美元打赌不存在上帝粒子？
著名物理学家霍金曾和密歇根大学的教授凯恩用100美元打赌，自信地认为被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子不可能被找到。

不过，当欧洲核研究组织宣布找到上帝粒子时，霍金称赞了该发现的重要意义，并打趣地说：“这个发现应该能为希格斯赢得诺贝尔奖，不过害我输了100美元”。

9、上帝粒子名字里为何有“上帝”两字？
最初上帝粒子一说出自一本科普读物，事实上，很多科学家认为认为“上帝粒子”这个称呼过分抬高了这种粒子的重要性。

利用类似的神学词汇来标注一个令人费解的亚原子粒子，似乎是为了触怒那些反科学的宗教人士，或至少使他们游离于科学之外。

“上帝粒子”已经成为希格斯粒子的一种别称，然而它却既非物理也非神的意志，却对两方面产生了影响。

“上帝粒子”是一种廉价的称呼，它在称呼上无疑抓住了人们的关注点，然而它的意思却是那样含糊，真正内容很难被人们洞悉。

10、希格斯不喜欢“上帝粒子”这个名字？
美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖获得者利昂·莱德曼曾著有科普书籍《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么问题是什么？》。

后来媒体也沿用了这一称呼，常常将希格斯粒子称作是“上帝粒子”。

上帝粒子这个名字广泛传播，然而，作为一个无神论者，希格斯非常不喜欢这个名字。

在此之前，谦虚的希格斯并不希望自己的名字冠在粒子前，但权衡之下，他终于接受了希格斯粒子这个名称。

11、希格斯机制只能解释宇宙中质量的一小部分。

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。

12、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。

13、即使希格斯玻色字被发现了，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。

希格斯玻色子重大影响：
1. 揭开质量起源之谜。

希格斯玻色子被认为与宇宙中一切物体的质量起源有关。

希格斯玻色子与希格斯场有关，理论上认为这种场充斥着整个宇宙。

当宇宙中的其它粒子在这一场中运行时便获得了质量的属性。

这就有点像是大家都在一个游泳池里游泳，然后身上都会被打湿，在这里，被水打湿就像是物体获得质量一样。

2. 完善标准模型。

标准模型是当代粒子物理学的基石，它描述了整个宇宙中所有的粒子。

所有被标准模型所预言的粒子此前都已经被找到了，除了希格斯粒子。

3. 电弱相互作用。

电弱相互作用是对电磁作用与弱相互作用的统一描述，这两者都是自然界的基本力类型之一。

电磁作用描述带电粒子之间的相互作用，而弱相互作用则描述放射性衰变过程。

自然界中所有力的作用都和某种粒子有关。

比如与电磁力有关的粒子是光子，这是一种质量为零的特殊粒子。

而弱相互作用力则和名为W和Z的玻色子有关，这两种粒子都拥有很高的质量值。

而所有这些粒子的质量来源，便被认为是希格斯玻色子的作用造成的。

4. 超对称理论。

超对称理论认为任何一种已知的粒子都有一个“超级伙伴”粒子，这种伙伴粒子拥有轻微差异的性质。

超对称理论拥有很大的吸引力，因为它可以统一自然界中的其它基本作用力，甚至有希望揭开暗物质构成之谜。

5. 大型强子对撞机。

大型强子对撞机(LHC)是世界上最大的粒子加速器。

2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。

该阶段的两个强子对撞实验项目—ATLAS和CMS均证实了“物质质量的来源”—希格斯玻色子的存在。

2015年4月5日，欧洲大型强子对撞机重新启动，正式开启第二阶段运行。

6. 宇宙的命运。

希格斯玻色子的确认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。

在进行这样的计算时，希格斯玻色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，希格斯玻色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。

标准模型是我们当前人类对自然界的一个基本物理理论。

它告诉我们自然界 4 种力中的 3 个：电磁力、强力和弱力是如何发挥和实现作用的。

标准模型的理论分成两部分，一部分是“杨振宁－米尔斯规范场理论”（Yang-Mills Gauge Theory），在强相互作用和电磁相互作用中，杨振宁－米尔斯理论是发挥作用的。

但在弱相互作用中，杨振宁－米尔斯规范场理论要发挥作用还需要希格斯玻色子的配合。

理论上，希格斯玻色子将为杨振宁－米尔斯理论中传递弱相互作用的粒子赋予质量，使得弱力成为短程力，以符合实验的结果。

这种质量赋予是怎样进行的呢？真空中希格斯玻色子的场可以处于一种非常特殊的状态，理论上叫做凝聚态，打个比方就像稀糖浆或者蜜糖这样的状态。

当别的粒子经过这个“糖稀”时，也就是经过希格斯玻色子场的这个凝聚态时，就获得了质量。

（实际上，每种玻色子总和一定的场相对应。

）
总而言之，希格斯玻色子本身有三个极其重要的理论意义：一是它是标准模型中的最后一个待发现的粒子；二是它给杨振宁－米尔斯规范场理论中传递弱相互作用的粒子赋予了质量；此外呢，实际上，希格斯玻色子给几乎所有的基本粒子以质量，除了传递电磁相互作用的光子和传递强相互作用的胶子。

为什么希格斯玻色子如此重要？主要有两个原因，第一个是它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量最大，以前加速器的能量都无法把它轰出来，只有LHC可以。

第二个原因是它和电子，光子，夸克等我们耳熟能详的基本粒子不同，它是个奉献者，是其它粒子静质量的来源。

如果没有希格斯玻色子，世界会变成什么样？那样的世界里，由于没有静质量（如同光子），所有的基本粒子都是以光速在运动。

由于基本粒子间传递相互作用的速度就是光速，于是意味着难以存在由夸克形成的稳定原子核。

而电子若静质量为零，更意味着不可能形成原子，分子。

这样，宇宙中便不会有出现各式各样的星球，更不会出现生命。