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“上帝粒子”背后故事:實驗造價高達90億美元

“上帝粒子”背后故事:實驗造價高達90億美元

2012-07-09 15:39:28

  7月4日,全球大部分的粒子科學家則聚集在澳大利亞墨爾本,準備第二天召開的國際高能物理大會。

  此時,瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心(CERN)異乎尋常地宣布,將公布某項研究結果。

  世界屏住呼吸,聽完了全長兩個多小時的報告,得到這樣一個結果:“我們發(fā)現(xiàn)了一種新的玻色子,很可能是希格斯玻色子,但我們必須確認它是哪一種希格斯玻色子。”如雷的掌聲爆發(fā)了,世界沸騰了!

  這句話意味著,在經(jīng)歷了四十多年的尋找后,世界上最難找的粒子將凸顯原形。希格斯玻色子,俗稱“上帝粒子”,這個陌生的詞,卻是我們理解宇宙起源最重要的一個密碼,因為,它賦予其他物質(zhì)以質(zhì)量。有物理學家說,“這次發(fā)現(xiàn)就像哥倫布發(fā)現(xiàn)了新大陸。”

  標準模型的故事

  7月4日之后,歐洲核子中心的官方主頁很自信地貼出一行大字:“希格斯玻色子觸手可及,我們對宇宙的認識即將改變!”

  希格斯玻色子是何方神圣?它為何能左右我們對宇宙的認知?這個故事,要從40多年前的標準模型建立開始說起。

  上個世紀60年代,物理學家彼得·希格斯創(chuàng)建了“標準模型”理論,而另外3位物理學家,完善了這個理論。此后,標準模型成為認識物質(zhì)世界的理論基礎,其意義就像進化論之于生物學界。

  根據(jù)標準模型,宇宙誕生時,出現(xiàn)了62種粒子和四種力,這些粒子大部分轉(zhuǎn)瞬即逝,只有質(zhì)子、中子和電子才構成了今天的物質(zhì)。

  其余61個粒子在半個世紀中被人們一一發(fā)現(xiàn),它們都證實了標準模型。物理學家驗證和糾正標準模型的過程,是產(chǎn)生諾貝爾獎的富礦,很多人都為此去了斯德哥爾摩。據(jù)統(tǒng)計,歷屆諾獎物理學獎至少有四分之一是和標準模型及夸克理論相關的。著名華人物理學家丁肇中,便憑此獲得了諾貝爾物理學獎。

  但這個“美妙”的理論只剩最后一塊拼圖,這塊拼圖就是希格斯玻色子。由于這塊拼圖苦尋不至,人們把它稱為“上帝詛咒的粒子”,久而久之,就簡化成了“上帝粒子”。

  為了說明“上帝粒子”的重要性,希格斯創(chuàng)建了一個特別的概念“希格斯場”。希格斯認為,在宇宙大爆炸過程中,形成一種無形卻到處存在的場,上帝粒子就存在于這個場內(nèi)。當有些粒子與上帝粒子遭遇時,它們會降低速度,獲得質(zhì)量,而另一些粒子則會不受阻礙地繼續(xù)前進。

  如果這個假設為真,那標準模型就可以得到徹底的驗證,而如果不存在上帝粒子的話,這個“完美”的標準模型顯然出了問題,理論學家需要重新書寫整個理論。

  耗資90億美元

  不過,這條驗證之路走得頗為艱辛。自然界的“上帝粒子”是在宇宙誕生之初存在的,并不存在于今天的世界中,如果要尋找它,則必須人工還原宇宙大爆炸時的場景。

  這就是歐洲核子中心打造的世界最大實驗項目——大型強子對撞機(LHC)的目的:人工模擬大爆炸,人為地創(chuàng)造“上帝粒子”。

  但是無論對于理論物理學家還是實驗物理學家來說,壓力都是存在的。

  壓力最大的就是希格斯本人,整個實驗的造價高達90億美元,來自全球各國近1萬名科學家,長達幾十年的工作,都是為了證實或者證偽他所提出的理論。

  愛丁堡大學教授希格斯似乎將過去的歲月沉寂在隱士的生活中,雖然60年代時,年輕的他曾因“標準模型”獲得國際聲譽,但是,在過去的十年,人們對這個造價昂貴的對撞機到底能否找到“上帝粒子”的懷疑讓他變得焦慮起來。

  在這個過程中,一些新的理論也逐漸出現(xiàn),試圖挑戰(zhàn)標準模型的權威。有的理論學家甚至認為,“上帝粒子”可能實際上并不存在。

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