物理学奖点评:超越希格斯,宇宙在戏弄我们吗?

来源:果壳网 | 发布: | 发布时间:2013-10-9,星期三 | 阅读:2,242

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们提出了希格斯机制。

就算证实了希格斯机制,物理学家却发现,前路依旧彷徨。图片来源:washingtonpost.com

(文/ Marcus Chown)7月4日,是美国的独立日。2012年的美国独立日,却是欧洲科学界辉煌的一天——瑞士日内瓦郊外的大型强子对撞机(LHC),在这一天宣布发现了希格斯粒子。

不过,对诺贝尔奖获得者利昂·莱德曼(Leo Lederman)而言,这是美国科学界黯淡的一日。他曾是美国费米国家加速器实验室的主任,同时也是将希格斯玻色子戏称为“上帝粒子”(God Particle)的始作俑者。

在 与美国年轻的粒子物理学家克里斯托弗·希尔(Christopher Hill)合著的《超越上帝粒子》一书中,莱德曼哀叹美国政客的短视。他认为,正是美国政府在1993年决定关闭超导超级对撞机 (Superconduction Supercollider),让美国从基础物理高能研究的前线鸣金收兵。

不过,虽然美国国会可能确实 没有莱德曼和希尔所说的“领袖范儿”,但将之全部归究于美国国会也有欠公允。当时,超导超级对撞机计划在美国得克萨斯州的华兹堡地下挖一条巨大的圆形隧 道,而那边厢的大型强子对撞机则提出要利用已有的地下环形隧道。要将接近光速的粒子束约束在这么小的赛道上,只有超导电磁铁产生的磁场才能做到,而在 LHC提出那会,超导电磁铁还只存在于科幻小说中。

简单点说,欧洲科学家展现出的,正是美国科学界在阿波罗登月计划期间表现出的那种超凡的胆识和敢干的精神。结果,颇为讽刺的是,他们最终向凑钱投入的欧洲各国政府展示的总预算,反倒大大低于美国这边的天文数字。

尽管莱德曼和希尔对超导对撞机念念不忘,他们似乎也已经接受了这种受经费拮据所迫而展开广泛国际合作的欧洲模式。对粒子物理学的发展而言,这是更为合理的方向。

不过,即便如此,他们还是想看到美国再次押宝粒子物理学。到2015年,LHC将开始在更高的能量上运行。莱德曼和希尔建议美国开展所谓的“X计划”与之对垒,争取在极为罕见的低能过程中,找到对基础物理学的突破。

这是个大胆的计划,也因此备受争议,但《超越上帝粒子》这本书的真正想要讲的是,希格斯粒子本身及其存在的首要原因。这是一段真正奇妙的故事,而这本书也讲的很好。

笼统地说,质量,跟你想象中不一样,完全不一样。按照莱德曼和希尔在书中所言,一个像μ子这样传递弱核力的亚原子粒子,会在左旋和右旋这两种状态中跳来跳去(这种跳跃在物理学中被称作zitterbewegung,即“颤动”)。

但 是,如果μ子被加速到光速,按照爱因斯坦的狭义相对论,它的时间就会静止。光子就是一种完全感觉不到时间流逝的粒子,因此此时的μ子表现的会像一个光子那 样。既然光子没有静止质量,那么按照上述类比,光速运动的μ子也就没有静止质量,它的质量被“关闭”了。在此过程中发生的唯一的变化就是,μ子在左旋和右 旋两种状态间的跳跃停止了(因为它的时间静止了,无法经历任何变化)。由此可以推测,正是这种在两个状态间的振荡,赋予了μ子质量。

这一切又与希格斯粒子有什么关系呢?在从左旋态到右旋态的跳跃中,μ子必须抹除自己的“弱荷”(weak charge,弱核力所对应的荷),但这跟消灭电荷一样是不可能的。因此,左旋-右旋变换必须要由另一种粒子来斡旋,它负责将这些弱荷带走。

这种粒子从未在此前的实验中现身,所以其寿命一定很短,按照量子理论,这就等价于它的质量很大。它无法携带电荷,因此肯定是电中性的,而且它无法携带量子“自旋”,自旋肯定为0,因而属于玻色子。当当当,这就变出了一个希格斯粒子。

根据莱德曼和希尔的说法,合群是玻色子的特征属性。正如形成电磁场的光子一样,玻色子都喜欢和同伴呆在一起,充斥整个宇宙真空。正是通过和真空中的这些希格斯玻色子持续地相互作用,μ子才被赋予了一个质量。

但相比于很容易从电磁场中产生的光子,希格斯玻色子极难从希格斯场中被拉拽出来。实际上,要想拽出一个希格斯玻色子,所需能量的准确数值高达125 GeV——这也是只有耗资90亿美元的LHC才有机会上阵一搏的原因所在。

莱德曼与希尔合著的《超越上帝粒子》。当年,正是莱德曼所著的《上帝粒子》一书,给希格斯玻色子赋予了“上帝粒子”的称号。图片来源:prometheusbooks.com

在 讲述这些内容时,这本书尽可能不做泛泛之谈,以别于鸡尾酒会上那些对希格斯粒子如何产生质量的陈词滥调。光这一点就值回书价了。不过需要提醒你的是,在本 书进行到3/4时,莱德曼和希尔带着一脸坏笑姗姗来迟地承认,希格斯粒子只能解释很小一部分质量,实在难称全豹,而其余99%的质量都来自强核力,跟希格 斯粒子毫无关系。不过话说回来,这也不能怪他们卖关子。在向媒体夸夸其谈希格斯粒子重要性的时候,几乎所有粒子物理学家都有意无意地忽略了这个事实。

至于上帝粒子之后是什么,这本书给出的答案竟然是:随你猜。让人不安的是,到目前为止,希格斯粒子对我们所未知的更深层的物理学还未置一词,砂锅仍然可以纹下去:如果希格斯粒子赋予了其它粒子质量,那希格斯粒子的质量又从何而来?

正是为了回答此类问题,莱德曼才倡议建造更高能量的加速器,以可能落户日本的国际直线加速器为框架,再加上美国的X计划助阵,后者用以寻找那些低能情况下标准模型无法解释的奇异粒子事件。

不过,一边看着粒子物理学家纸上谈兵,我一边不禁怀疑,宇宙是不是正在一旁袖手旁观,顺便调戏一下我们取乐。毕竟,我们知道粒子物理学家的所有努力,都不过是要啃下宇宙中区区4.9%的物质——真正抗饿的那部分,暗物质和暗能量,我们甚至连画饼的人都没有。

如果硬要说一点什么的话,上帝粒子的发现向我们展示了,要深入自然的内心,我们还有多远的路要走。这让我想起美国诗人斯蒂芬·克兰(Stephen Crane)的那首《一个人对宇宙说》:

一个人对宇宙说,

“老天,我可是活生生存在着呢!”

“算是吧,”宇宙回答道,

“但要认为因此我就该围着你转

你可疯的不轻。”

编译自:《新科学家》,Is the universe mocking us?



 

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