上帝粒子背后的故事（连载六）

　　（续上期，本期约5000字）
　　7、＂上帝粒子＂之父——彼得·希格斯
　　＂希格斯粒子＂（Higgs particle，又叫＂希格斯玻色子＂）与空间中的物体的质量的形成有关。有了质量，粒子才会结合为原子，有了原子，才会有分子，有了分子，才能有物体。因此，＂希格斯粒子＂被认为是一种形塑了世界万物的粒子，没有它，就没有人们所见的世界，可能这就是为什么它会被赞誉为＂上帝粒子＂（God particle）的原因。
　　上个世纪六十年代，英国物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）开始尝试研究物质拥有质量的根本原因。需要知道的是，＂质量＂不只简单地代表物体所含的物质的量，它的另一个意义在于物体获得加速度的难度。
　　举个例子，一辆较重的大卡车要刹车或加速，肯定会比一辆较轻的小轿车困难得多，用的时间长，需要的能量也大。加速的难度越大，质量越大。
　　据说，希格斯在一次野外散步的时候突发奇想，认为空间就像水，水中的物体在运动时会遇到阻力，让运动变得困难，相应地，粒子穿行于空间中，也应该承受某种＂阻碍＂，使其需要有所付出才能获得加速度，在宏观世界中体现为＂质量＂。空间中的这种使物质获得质量的机制，被称作＂希格斯场＂（Higgs field）。
　　后来，欧洲核子研究组织（CERN）在日内瓦建造了一座＂大型强子对撞机＂（LHC），科学家们开始尝试把粒子加速到接近光速的速度，希望能从空间中找到＂希格斯场＂中的粒子，也就是＂希格斯粒子＂，以此验证希格斯的理论。
　　2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现一种新粒子,初步确定它就是大名鼎鼎的＂上帝粒子＂——希格斯粒子（Higgs boson，粒子分为＂玻色子＂和＂费米子＂两类，它们的自旋特性不同）。尽管欧洲核子研究中心在公布这一消息时措辞谨慎,但相关消息还是在全球引起轰动，科学家们为之狂喜，公众热烈地参与到相关讨论中。不少科学家认为,这一发现的意义如同人类当初发现万有引力、进化论、DNA双螺旋结构，必将开创一个物理学的新时代。
　　2013年3月14日，欧洲核子研究中心发布新闻稿表示，先前探测到的新粒子就是希格斯粒子。2013年，希格斯(Peter Higgs)和恩格勒(François Englert)获得诺贝尔物理学奖，以表彰他们在发现赋予基本粒子以质量的希格斯机制方面所做的贡献。
　　2013年10月8日，比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国物理学家彼得·希格斯共同获得诺贝尔物理学奖
　　＂希格斯粒子＂的发现，应该算是人类探究空间的一个重大里程碑，因为它不仅证明了＂真空不空＂；而且还说明＂空间＂不是一种虚无的东西，它拥有自己与生俱来的固定的特性。
　　在科学界欢呼发现＂上帝粒子＂的时候，我们不应该忘记它的奠基者——彼得·希格斯（Peter Higgs）。
　　彼得·希格斯（Peter Higgs）（1）出生于英国泰恩河畔纽卡斯尔
　　彼得·希格斯（Peter Higgs）1929年5月29日出生于英国东北部的泰恩河畔纽卡斯尔（Newcastle upon Tyne）。
　　纽卡斯尔是英格兰20世纪最受欢迎的城市之一，也是泰恩河畔拥有卫星城市的集合城市中最大的一个。
　　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。即便如此，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，希格斯在伦敦大学国王学院获分子物理学博士学位后，北上苏格兰进入爱丁堡大学任教。1980年至1996年任爱丁堡大学理论物理学教授，1997年退休。
　　在学术生涯中，希格斯获得多个重要荣誉称号和奖励。1983年当选为皇家学会会员，1997年被授予狄拉克奖章和奖金。2004年和罗伯特·布罗特和弗朗索瓦·恩格勒特一起被授予沃尔夫奖。2010年荣获樱井奖。
　　（2）温和谦逊的＂老古董＂
　　晚年的希格斯一个人住在爱丁堡的家里。在旁人的印象里，这里住着的不过是爱丁堡大学的一个退休教授。这个家定格了20世纪70年代的生活状态。家里没有电视，也没有电脑，他甚至不怎么爱接电话。房间里古典音乐专辑和物理学术书籍严格按照字母顺序排列，整齐码放在书架上。他每周定期与外界交流的方式，是翻看订阅的几本物理学期刊。
　　正如希格斯的朋友米歇尔费舍所说，这位理论物理学家＂在浪漫方面缺乏天赋。
　　年轻的时候，有人曾试图帮他撮合一个姑娘。结果，他就跟在学术上一样，理论能讲一大套，一到实践就乱套。
　　在希格斯31岁的时候，大家都管他叫＂老古董＂了，＂因为他总在坚持一些看似没什么前景的东西。
　　他的腼腆孤僻的性格，对他的事业也有影响。如果他能够张扬一点，也许早就出名了。
　　在科学界，卓越的发现者和发明人都享有命名的荣誉，但当别人提到＂希格斯粒子＂时，希格斯总是很谦虚，因为他觉得＂不配用自己的名字＂命名这种粒子。
　　据说谦逊的希格斯每次听见＂希格斯粒子＂时，就觉得难为情，且刻意避免提到这个名词。
　　当然，让他更加反感的是＂上帝粒子＂这个别称，他坚称自己是无神论者。在公开场合，希格斯总是这样称呼希格斯粒子——＂那个里边含有我名字的粒子＂。
　　希格斯多年来一直婉拒媒体采访，他坚持认为，应该把焦点对准那些证明了＂上帝粒子＂的科学家们。
　　（3）划时代论文曾被驳回
　　上个世纪60年代，物理学家创建了＂标准模型＂理论，成为认识物质世界的理论基础。然而，在标准模型建立之前和建立的过程中，有一个问题却一直困扰着科学家。按照标准模型的基本理论，基本粒子并没有质量，但实验结果却又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有质量的。
　　1964年7月的一天，希格斯坐在爱丁堡大学的图书馆中阅读文献。这时一个有关粒子如何获得质量的理论在他脑海中形成。在接下来的两个星期，希格斯写了两篇论文，提出一种粒子场的存在，也就是现在被称为＂希格斯场＂的东西。
　　论文很短，每篇都只有两页长。
　　著名的《物理快报》接收了第一篇论文，但拒掉了第二篇论文。
　　当时，希格斯非常苦恼。他说：＂我所写的还太少，还不足以让任何人相信这确实是非常重要的物理学。因此希格斯对第二篇论文进行了修改引入一种标量粒子（后称为＂希格斯粒子＂）。
　　希格斯提出：在宇宙诞生的最初，并没有希格斯粒子的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子诞生，形成了＂希格斯场＂。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。慢下来的基本粒子＂夸克＂在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。
　　希格斯把改过的论文投给了《物理快报》杂志的竞争对手《物理评论快报》。
　　论文被送到＂识货＂的南部一郎（2008年诺贝尔物理学奖得主）手中，请他做同行评议。南部要求希格斯评论一下他的论文与比利时物理学家R.布劳特与弗朗索瓦·恩格勒特刚刚在同一期刊发表的论文之间的关系，解释其理论的物理学意义。
　　希格斯此前从未听说过布劳特与恩格勒特针对同一问题所做的工作，于是他听从建议，在自己只有两页半篇幅的论文中加了一则注脚，表示注意到了他们的论文；又在正文中添加了最后一段，对＂标量玻色子和矢量玻色子的不完全重态＂的可能性表示了关注，并相当隐晦地提到了存在另一个有质量且自旋为零的玻色子的可能性，即存在希格斯场的量子粒子的可能性。这种能吸引其他粒子进而产生质量的粒子，就是著名的希格斯玻色子。根据希格斯模型，基本粒子是跟一种看不见的、无所不在的场合发生相互作用而获得了质量。
　　结果论文发表了。
　　希格斯回忆这件事情的时候评论道：＂物理期刊的编辑常常非常荒唐，如果你照着前人的路走，就能发表论文。如果你在别人的方法上有一个小小的改进，你就会被称赞道有创新思想，就能在好的期刊上发表论文。然而，一旦你做出了重大的突破创新，那些期刊反而不敢接受了。他们总是过于害怕犯错。＂
　　后来有人批评《物理快报》有眼无珠，不敢发表有重大创新的论文。
　　其实，弄懂希格斯场、希格斯粒子，是件困难的事。
　　关于希格斯粒子，历史上还曾有过另一个精彩的描述。
　　1993年，由于科学家很难向英国政府解释清楚希格斯的理论，时任英国科学大臣的威廉·瓦德格雷夫（William Waldegrave）不得不举办全国竞赛，寻找对希格斯场最准确且通俗的解释，而奖品是一瓶上好的香槟。
　　瓦德格雷夫本人并没有粒子物理学基础，所以高深的公式他并不懂，因此，想要赢得挑战就必须要讲好一个形象的故事。最终，伦敦大学学院的粒子物理学家大卫·米勒（David J Miller）用一幅漫画来解释：
　　希格斯场就像是在一个房间内正在举行聚会的政治团体，里面每个人都是一个玻色子，英国首相撒切尔夫人则是一个基本粒子。当普通人走进房间的时候，不会引起注意。如果走进来的是撒切尔夫人，情况则会大为不同。在走进房间之前，撒切尔夫人可以自由地移动。但是当她走进一个满是她的仰慕者的房间时，许多人会走上来，围起来，仰慕者使她难以行动。换句话说，她获得了质量。这就好比是无质量的粒子通过跟希格斯场作用而获得质量。希格斯粒子正是其他基本粒子的质量之源。
　　理论物理学家布莱恩·葛林（Brian Greene）曾经提到过一个很有意思的比喻：可以把＂希格斯场＂想象成＂狗仔队＂，把空间中的各种物质看作＂明星＂。＂狗仔队＂看见明星就会一拥上前，将其团团围住，而明星则必须要使劲往前挤才能逃走；明星挤得越费劲，与狗仔队的互动越多，受到的阻碍越大，当然也从侧面说明，他的＂名气＂越大。演员们的名气，就等价于物质的＂质量＂。由于演员们的名气有大有小，相应地，不同物质（基本粒子）的质量也各不相同。比如，光子的（静止）质量是零，因此光能以理论上空间中的最快速度运动。
　　疑似＂上帝粒子＂的发现，归功于欧洲核子研究中心运行的大型强子对撞机和全世界数千名科学家的共同努力。
　　根据＂标准模型＂和大爆炸理论，宇宙起始于一次大爆炸。
　　大爆炸刚发生时，无数的正反粒子同时产生，轻子和夸克通过与希格斯场的相互作用获得质量。这些粒子凝聚成物质，通过长时间的演化形成了星系。希格斯粒子只有在大爆炸的瞬间产生，现在寻获这种粒子，只有建造能量强大的对撞机，给两束高能粒子加速到接近光速，然后对撞来模拟宇宙大爆炸后极短时间内的物质状态。但每亿万次的对撞，才有可能产生一个希格斯粒子，并且该粒子转瞬即逝，十亿分之一秒后就会衰变成其他粒子，实验探测非常艰难。
　　为寻找＂上帝粒子＂，全世界30多个国家、7000余名科学家参与了实验。仅建造大型强子对撞机本身就花费近十年时间，耗资大约47.5亿美元。目前，单凭一个国家的力量，也许可以登上月球，但没有一个国家仅仅凭借自身的人力、物力、财力和技术，能够完成类似于大型强子对撞机规模的实验。
　　大型强子对撞机的2个独立团队CMS和 ATLAS分别于2012年5月13日和6月10日发现了希格斯玻色子（4）差点与＂上帝粒子＂之父无缘
　　1988年诺贝尔奖得主、实验物理学家莱昂·莱德曼在《上帝粒子》一书中略带嘲讽地说：＂理论家面临的唯一风险是当他们在查找计算错误时用铅笔戳到自己的头。＂不过在理论家眼中，最大的风险不是自己提出了错误的假说，而是同行先自己一天提出正确的理论。
　　在美国物理学会的网站上，有一个庆祝学术期刊《物理评论快报》诞生50周年的纪念页面。1964年的栏目下并列出现了3篇论文。它们描述了类似的物理机制，是由6位理论家在先后四个月的时间里分别寄出的。希格斯的寄出时间排在第二，但他的完成时间较早，因此获得了首创权。2010年，这6位发现者共同获得了美国物理学会颁发的＂J.J.樱井理论粒子物理学奖＂，他们之中还有弗朗索瓦·恩格勒特、罗伯特·布罗特、杰拉尔德·古拉尔尼克、理查德·哈根和汤姆·基布尔。
　　相似的理论之所以会在同一时期出现，是因为当时的条件已经成熟，就差临门一脚。到20世纪中叶，科学家将当时已知的现实世界也还原成了几十种基本粒子，以及粒子之间4种基本的相互作用：引力、电磁力、弱力和强力。
　　论文发表数年以后，希格斯在一次学术会议上见到了其他几位发现者。他表示当时心里略有不安，因为觉得他们受到了不公正的对待。历史虽然无情，但希格斯称与其他发现者现在的关系很好。只可惜，布劳特已于2011年去世。
　　（全文终，约3万字）
　　[1] 奇云. 2012，我们和＂上帝粒子＂有个约会[J].科技潮,2012(2):60-65.
　　[2] 奇云. 2012，＂上帝粒子＂和我们相会[J].科技潮,2012(8):62-65.
　　[3] 奇云. ＂上帝粒子＂之父彼得·希格斯[J].科技潮,2012(9):64-65.
　　[4] 奇云. 回顾2012年十大科学突破[J].科技潮,2013(2):60-63.
　　（作者以上的参考文献全文，可在国内外多家文献数据库浏览或下载。）
　　＂上帝粒子＂背后的故事（连载一）
　　＂上帝粒子＂背后的故事（连载二）
　　＂上帝粒子＂背后的故事（连载三）
　　＂上帝粒子＂背后的故事（连载四）
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