解讀2013諾貝爾物理學獎：描述世界如何構成

　　2012年7月4日，歐洲核子中心宣布發現希格斯粒子的會議現場，Fran?ois Englert和Peter Higgs首次見面 圖片來源：歐洲核子中心（CERN）

　　宇宙在誕生時可能是對稱的，而看不見的希格斯場的對稱性則可以被比喻成一隻被置於一個圓形碗內的一個圓球來描述。但大爆炸僅僅10-11秒之後，希格斯粒子便偏離了對稱中心，抵達其最低能態，從而打破了這種對稱性

　　這是LHC設備中ATLAS探測器得到了一幅圖像，圖中4條紅線可能是μ子，它們可能是短壽命並瞬間衰變消失的希格斯粒子產生的

　　希格斯粒子在產生之後幾乎瞬間就會衰變成兩個光子，它們留下的路徑（圖中綠色），可以在這張來自CMS探測器的圖像中觀察到 圖像來源：CERN,

　　儘管希格斯粒子的發現最終填補了標準模型中缺失的最後一環，但標準模型本身卻並非揭開宇宙終極奧秘的最終一環

　　新浪科技訊 北京時間10月8日消息，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獎，他們獲獎的成果是在1964年提出的一項理論，該理論揭示了粒子是如何獲得質量的。當時，這兩位學者分別獨立地發展了這項理論(當時恩格勒教授是與另一名合作者，現在已經去世的Robert Brout教授共同發展了這項理論)。2012年，他們的理論預言，即所謂希格斯玻色子的存在，得到了位於瑞士日內瓦的歐洲核子中心實驗的證實。

　　這項發現是構成粒子物理學標準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成的。根據這一模型，萬事萬物，從鮮花到人體，再到恆星和行星，所有的一切都是由少數幾種基本材料組成的，那就是物質粒子。

　　這些粒子受力的控制，以便確保各種粒子各從其類。整個標準模型的完成需要存在一種粒子，那就是希格斯粒子。這種粒子源於一種看不見卻充斥整個空間的場。儘管宇宙看上去幾乎是空的，但是這種場的確存在於那裡。離開這個場，我們將不復存在，因為正是藉助於與這一場之間的相互作用，粒子才獲得了質量。恩格勒和希格斯的理論正是描述了這一過程。

　　2012年7月4日，歐洲核子中心(CERN)的粒子物理實驗室，研究人員實驗證實了希格斯粒子的存在。歐核中心的大型強子對撞機(LHC)可能是迄今人類建造過的最強大也最複雜的機器。正是在這裡，兩個研究組：ATLAS和 CMS(每個研究組都有超過3000名科學家組成)分別給出其實驗數據分析結果，他們在數以十億計的粒子對撞結果中提取到了希格斯粒子存在的證據。

　　Fran?ois Englert和Peter Higgs在做出這項發現時都是年輕科學家。1964年，他們分別獨立地提出一項理論，用於挽救當時瀕臨崩潰的標準模型。幾乎半個世紀之後，2012年7月4日，他們兩人都出席了位於日內瓦的歐洲核子中心(CERN)舉行的發布會，會上科學家們宣布他們發現了希格斯粒子的存在，從而終於證實了當年這兩位科學家預言的準確性。

　　創建秩序的模型

　　世界萬物是由幾種簡單的基本粒子構成的，這一想法由來已久。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並非是不可分的。它們是由更小的，圍繞原子核運行的電子，以及構成原子核本身的中子和質子構成的。更進一步，中子和質子則是由更小的粒子組成的，它們被稱作夸克。事實上，根據標準模型給出的結果，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。因此事實上，我們僅需要三種基本粒子就可以構成我們所見的所有物質：電子，上夸克和下夸克。但是在上世紀50~60年代，科學家們在原子輻射實驗和新建成的加速器實驗中都發現了預想不到的新粒子，在這種情況下，標準模型不得不將這些新發現的粒子包含進它的框架之中。

　　除了物質粒子，還有傳遞力的粒子，它們提供自然界的4大基本力——強核力、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。強核力作用於夸克，將質子和中子牢牢固定於原子核內部，而弱核力則與放射性衰變有關，這一過程是非常重要的，比如太陽的發光機制便與此有關。

　　粒子物理標準模型將構成自然界的基本粒子，以及這4大基本力中的3種統一了起來，而第四種力，即引力，仍然遊離在框架之外。長久以來，科學家們一直想知道這些力究竟是如何發揮其作用的？他們對此困惑不已。舉例來說，一塊金屬片被磁鐵吸引，但是它怎麼會知道那裡有一塊磁鐵？月亮又是如何感知到地球的吸引的？

　　充斥空間的隱形場

　　物理學對此給出的解釋是：空間中充滿著很多看不見的「場」。如引力場，電磁場，夸克場和其它許多種類的場遍布整個空間，或者更確切的說，是充斥著整個四維的時空。標準模型是一種量子場論，其中場和粒子構成了組成宇宙的基本材料。

　　在量子物理學中，任何物質都被視為是量子場中震蕩的組合。這些震蕩被以「小包」的形式在場中傳遞，即所謂的「量子」，我們可以將其視作一種粒子。這裡存在兩種不同的場：物質場，其中包含的是物質粒子；以及力場，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的震蕩，通常這種場被物理學家們稱作「希格斯場」。

　　離開這個場，標準模型將會像紙牌屋那樣坍塌。後來，直到Fran?ois Englert ，Robert Brout, 和 Peter Higgs以及後來的幾位物理學家提出希格斯場的理論，才最終填補上標準模型中的缺陷，挽救了標準模型。

　　這是因為標準模型只有在假定粒子沒有質量的情況下才能成立。如電磁力，其傳遞的媒介是沒有質量的光子，這沒有問題。那麼弱核力呢？問題出現了——其傳遞媒介是三種有質量的粒子：兩種帶電荷的W粒子以及一種Z粒子。它們與「身輕如燕」的光子存在本質不同。這樣一來就讓標準模型面臨威脅。而此時Fran?ois Englert ，Robert Brout, 和 Peter Higgs等人及時進行了介入，並提出了一種消除這種威脅的天才設想，給出了粒子獲得質量的途徑，從而挽救了標準模型。

　　鬼魅般的希格斯場

　　希格斯場與物理學中其它場之間存在顯著不同。其它場都存在強度的變化，並且在其最低能級時強度降為零。但希格斯場並非如此。即便你將空間徹底清空，你永遠無法清除希格斯場，它無法被關閉，它永遠鬼魅般的存在著。但我們不會注意到它，它就像空氣對於我們，水對於魚兒們一樣自然。但是離開了它我們卻將不復存在，因為正是藉助於與這一場之間的相互作用，粒子才獲得了質量。正是這一過程讓原子和分子的形成成為可能。如果希格斯場突然消失，所有物質都將瞬間崩潰解體，因為在這一瞬間沒有質量的電子將會以光速從原子中逃逸。

　　那麼究竟是什麼讓希格斯場如此與眾不同？它打破了自然界精妙的對稱性。在自然界，到處體現著對稱性：你的臉基本是對稱的，花朵，雪花，它們都顯示著某種對稱的特點。物理學揭示出其它一些描述我們世界的對稱性，儘管其所在的層次可能會更深一些。舉一個相對簡單的例子，對稱性要求當你做一個實驗時，不管你是在斯德哥爾摩還是在巴黎，你應當會得到相同的結果。對稱性也規定，你在不同的時間進行相同的實驗也應當會得到相同的結果。愛因斯坦的狹義相對論在時空框架中討論對稱性問題，它已經構成許多其它理論的基石，如粒子物理學中的標準模型。標準模型中的方程式都是對稱的，就像一個球體，無論你從哪個角度觀察，它都是一樣的。相似的，標準模型給出的方程式，即便觀察者的角度發生變化，這些方程也不會有所改變。

　　這種對稱性也會產生一些意想不到的結果。在1918年，德國數學家Emmy Noether發現一些物理學中非常基本的守恆定理背後也是對稱性，如大家熟知的能量守恆以及電荷守恆定律。

　　然而這種對稱性也會帶來一些嚴苛的要求。一個球必須是完美的球體，任何一點突起都會損害其對稱性。對於方程式來說，情況也是類似。在標準模型框架中不允許存在有質量的粒子，現在我們知道，這明顯是不符合自然界實際情況的。因此這些粒子一定是從外部，以某種方式「獲得」了質量的屬性。而這，正是此次物理學獎所獎勵的成果：它提供了一種機制，既保全了這種對稱性，又將其掩蓋了起來。

　　你看不到對稱性，但它依舊存在

　　我們的宇宙誕生時可能是對稱的。在大爆炸發生時，所有粒子都不具有質量，所有的力都統一為一種單一的原始力形式。但這最初的秩序已經不復存在——這種對稱性已經被隱藏起來。這件事大約是在宇宙大爆炸之後10-11秒時發生的，希格斯場失去了其最初的平衡態。但這一切為何會發生？

　　一切都是以對稱形式開端的。這一情形大致可以用一隻被置於一個圓形碗內的一個圓球來描述，即位於其最低能級態。當其受到一個推力，這個球開始轉動，但很快它又會回到最低能級態。

　　然而，如果這個碗的中心部位出現一個凸起，那麼這個球位於碗中央的部位就不再是穩定的了，儘管它此時仍然保持了對稱性。此時這個球會向四周任何方向落下去。在這個球落下去之前，這個碗都一直是對稱的，但一旦這個球落下去，這個球偏離了碗中央位置的外表掩蓋了碗本身仍然是對稱的這一事實。相似的，希格斯場打破了這種對稱性並在真空中找到了一種穩定的能級態，但這一能級態是偏離能級為零的位置的。這種自發的對稱性破缺也被稱作希格斯場相變，就像是水變成冰。

　　要想發生相變，需要4種粒子，但是其中只有一種粒子，即希格斯粒子可以倖存下來。其它3種都會被弱核力消耗：即兩種帶電的W粒子，以及一種Z粒子，在這一過程中，這三種粒子獲得了質量的屬性。通過這一途徑，標準模型中弱電磁力的對稱性得以保全——即三種弱核力控制下的重粒子，以及電磁力控制下沒有質量的光子之間的對稱性得到保存，只是從視野中被隱去了。

　　極端物理學的極端機制

　　今年的這兩位獲獎者或許沒有想到他們當年提出的這項理論會有機會在他們的有生之年得到驗證。為了驗證他們的理論，來自全球各地的物理學家們做出了巨大的努力。長期以來，兩個著名的實驗室——美國芝加哥的費米實驗室，以及位於歐洲法國和瑞士邊境地區的歐洲核子中心(CERN)，一直致力於對希格斯粒子的搜尋工作。然而隨著數年前美國費米實驗室Tevatron加速器的停擺，歐洲核子中心就成了全球範圍內仍然能夠開展希格斯粒子搜尋工作的唯一機構。

　　CERN創立於1954年，當時建立的目的是想在二戰的浩劫之後重建歐洲的研究工作，以及歐洲各國之間的相互關係。目前這一機構擁有20個成員國，全球則共有超過100個國家參與到了這一機構的合作關係當中。

　　CERN最大的成就便是這裡建成了大型強子對撞機(LHC)設備，這可能是人類有史以來建成的規模最大，技術最複雜的機器。兩個研究組：ATLAS和 CMS，每個都由超過3000名科學家組成，在這裡全力搜尋希格斯粒子的蹤跡。其探測器被安置在地下100米深處，每秒可以觀測4000萬次粒子對撞事件。在LHC設備長達27公里的地下隧道中，兩束粒子流被以相反方向射出並發生對撞。

　　每隔10小時，科學家們會從相反方向各發射一束質子流。1億億個質子堆積在一起並被壓縮成一束狹窄的粒子流——這非常不容易，因為質子帶有正電荷，它們會互相排斥。隨後這一質子流被以99.99999%的光速發射出去，當撞擊發生時，每個質子的能量約為4 TeV，兩兩相撞時總體則約為8 TeV(1 TeV=1萬億電子伏特)。1TeV聽上去可能並不是很大的能量，其或多或少也就與一隻飛行中的蚊子相當，但當這些能量被壓縮在單個的質子之中，並且你同時擁有500萬億個這樣的質子在加速器中瘋狂運行，其具備的能量則與一輛全速行進中的火車相當。而經過升級改造，到2015年，LHC能夠達成的能級還將翻一倍。

　　謎中之謎

　　粒子實驗有時被比作同時砸碎兩塊瑞士手錶以檢查它們的結構，但它實際上更加困難，因為科學家要尋找的是全新的粒子，它們是碰撞釋放出的能量所創造出來的。

　　根據愛因斯坦的著名公式E = MC 2 ，質量是一種能量。正是這個神奇的方程式使兩個物體在碰撞時能夠創造出新的物質，即使對無質量粒子來說也是如此。兩個光子碰撞會產生一個電子和它的反粒子——正電子；如果如果能量足夠高，兩個膠子碰撞能夠產生一個希格斯粒子。

　　質子像裝滿了粒子——夸克、反夸克和膠子——的小袋子。這些粒子中的大多數彼此相安無事，兩個粒子群相撞時，平均只有二十個粒子會完全正面碰撞。在10億次碰撞中，只有不到一次碰撞是進行到底的。這可能聽起來不多，但每一次這樣的碰撞都會導致約一千個粒子的劇烈爆炸。當能量達到125 GeV時，希格斯粒子的質量居然超過質子一百倍，這就是為什麼它是如此難以被創造出來的原因之一。

　　然而，這項實驗還遠沒有結束。CERN的科學家們希望在未來數年內取得更大的突破。儘管他們發現希格斯粒子這件事便已經可以載入史冊，這是標準模型中缺失的一環，但是這並不就意味著我們揭開了宇宙的終極奧秘。就舉其中一個例子，根據標準模型，中微子應當是沒有質量的，然而近期的一些研究卻發現這種粒子似乎的確擁有質量。另一個原因是，標準模型只能對可見物質進行描述，而可見物質僅僅佔到整個宇宙中所有物質總量的1/5左右。我們對於神秘的暗物質的本質仍然知之甚少。

　　我們無法直接觀測到暗物質，但是卻可以通過其施加的引力作用感知到它的存在，正是由於暗物質的引力作用，宇宙中的星系才不至於解體。暗物質幾乎完全不會與可見物質發生反應。然而我們現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繫。科學家們希望能捕捉到暗物質的身影，哪怕僅僅是一瞬間。為此，在未來數十年間，他們將在LHC設備上繼續努力工作。