本周二,"上帝粒子"变成了桂冠粒子。
当天早上,两位理论物理学家获得了诺贝尔物理学奖,一位是84岁的彼得·H·希格斯(Peter W. Higgs),来自苏格兰爱丁堡大学(University of Edinburgh),另一位是80岁的弗朗索瓦·恩格勒(François Englert),来自比利时法语布鲁塞尔自由大学(Université Libre de Bruxelles)。 他们提出,宇宙中粒子的质量和多样性,来自于一种如隐形的海洋一般充满着整个空间的能量。
他们在1964年发表的理论,令众物理学家花了整整一代人的时间寻觅"希格斯玻色子"(Higgs boson),也就是俗称的"上帝粒子"(虽然物理学家中不这么称呼它)。这种粒子是揭示重要宇宙秘密的关键。寻觅它的活动在去年达到高潮:在瑞士,欧洲核子研究中心(CERN)使用大型强子对撞机发现了这种赋予其他粒子质量的粒子。今年的诺贝尔奖将于12月10日在斯德哥尔摩颁发,希格斯和恩格勒将分享总共120万美元(约合730万元人民币)的奖金。
"你可以想像,这不会是一个让人不快的事,"恩格勒在清晨举行的一个新闻发布会上说。
瑞典皇家科学院(Royal Swedish Academy of Sciences)一直没能联系上希格斯,他之前曾说自己周二没有空。他的一位朋友,同为物理学家的艾伦·沃克(Alan Walker)在周二早上接受电话采访时说,希格斯不用手机和电脑,已经独自离去好几天,他没有说去哪里,但是会在本周五返回。
沃克说,希格斯为人谦虚,喜欢不受束缚地独来独往。他说,在获奖者名单公布之前,就有一名记者闯入希格斯所在的建筑物,希望采访他。"希格斯怒气冲冲地把他赶走了。"沃克说。
在爱丁堡大学晚些时候发布的声明中,希格斯称自己"喜不自胜",他说,"我希望这次对基础科学的褒奖,将有助于提高人们对'蓝天研究'(blue-sky research)的认知。"
法比奥拉·吉亚诺蒂领导了(Fabiola Gianotti)CERN的一个团队,她说这两位物理学家获奖"令人十分激动和满意",并说,该奖项还提到了他们的试验,非常好。"年轻的物理学家们都超激动。"
希格斯粒子是"标准模型"(Standard Model)缺失的最后一个部分,该模型是近半个世纪来主导粒子物理学的一套等式,解释了从玫瑰香味到电脑启动响声的万事万物。根据这个模型,宇宙充满了能量,这能量就像是一种遍布宇宙的蜜糖,让穿行其中的粒子获得了质量,好比是送到国会的提案,会引来附加条款和修订,因而变得越来越沉重,越来越富有争议。
如果没有希格斯场(Higgs field),很多基本粒子,比如电子,就不会有质量,而且还会以光速四处窜动。不会有原子,也不会有我们。
对于科学家来说,发现希格斯粒子(物理学家如此称呼它)证实了这样的观点:宇宙遵循着几乎如钻石般优雅和简洁的法则,但其中一切有趣的东西——比如我们——是那种优雅出现失误或缺陷的结果。这种观点出现于二战结束之后,一段狂热而困惑的突飞猛进时期,当时全球的物理学家们把精力从战争上移开,放到了用量子场论工具探查自然的秘密上。
这场探索的核心是古老的"对称"概念,以及对称为何能呈现在物理学基础中,却在我们所经验的世界中潜迹藏行。在艺术和自然中,对称是指:当你以某种方式移动某个东西的时候,如果它看起来没有差别,那它就是对称的,比如你把雪花旋转60度,它看起来没有差别。而在科学和数学中,对称是指:当你改变系统的时候,某个东西不会变化,比如当你把一支箭倒过来或射出它的时候,箭的长度是不变的。
1954年,美国布鲁克海文国家实验室(Brookhaven National Laboratory)的理论物理学家杨振宁和罗伯特·L·米尔斯 (Robert L. Mills)得出结论,所有的基本力都是自然试图保持对称的结果——例如电磁学中的电荷守恒,或爱因斯坦引力理论中的动量和能量守恒。
但在那时,花名册上已经又增加了另外两种自然力:所谓的"弱核力",即导致某些类型的放射性衰变的力量;以及"强核力",即把原子核束缚在一起的力量。在量子场论中,力是通过称为玻色子的能量束传递的。根据量子规则,玻色子的质量跟这种力的作用距离有关:玻色子的质量越大,它的作用距离就越短。
目前在波士顿大学(Boston University)的物理学家谢尔顿·格拉肖(Sheldon Glashow)于1961年提出了一种理论,解释弱力和电磁力均为统一的"电弱"力的体现。其中的数学计算表明,传递这种核力的粒子应当没有质量,正如传递光线并能弥散在整个宇宙中的光子一样。但是,核力几乎不能作用于原子核之外,表明传递这种力的应当属于质量最大的基本粒子之列。怎么可能传递弱力的粒子质量如此之大,而与之类似的光子却能自由而轻盈呢?
芝加哥大学的南部阳一郎(Yoichiro Nambu)指出,有缺陷的或许不是物理定律,而是这些定律如何在现实世界中实现。通过一种被称为"对称性破缺"(symmetry breaking)的过程,一开始平衡的局面最后可能变为不平衡。他本人于2008年赢得了诺贝尔奖。
比方说,想象一支笔尖朝下树立的铅笔;它最终会倒下,笔尖朝着某个特定方向,而这个方向本有无数种可能性。玻色子的质量就好比是铅笔倒下时释放的能量。
1964年,三组物理学家分别发表论文,通过假设某种填充空间的"宇宙蜜糖"来阐述这一原理。试图穿越它的粒子会获得质量,方式类似名人在鸡尾酒会上吸引追随者:名气越响,追随者越多。
最先发表这种理论的是恩格勒及其同事罗伯特·布绕特(Robert Brout),后者于2011年过世。
他们在做这篇论文的时候,希格斯也在酝酿关于该理论自己的构想。这名年轻的理论物理学家出生于英格兰泰恩河畔的纽卡斯尔。
CERN出版的《物理快报》(Physics Letters)拒绝发表他的论文,理由是与物理学无关。于是,他进行了改写,并发给了同类期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)。这一过程中,他在文末加上了一段,指出这一理论预测了一种新粒子,无自旋、质量不明。这就是后来闻名的希格斯玻色子。
这篇文章被接受的前提是,希格斯要提及7周前问世的恩格勒和布绕特的论文。
1967年,斯蒂文·温伯格(Steven Weinberg)发表了一篇论文,把希格斯玻色子作为沿着格拉肖的思路,将电磁力与弱力统一起来的关键,从而使其变得举足轻重。温伯格本人也在1979年分享了诺贝尔物理学奖。
渐渐地,希格斯玻色子也在流行文化中崭露头角,成为理论物理学中的特例。让同事们感到错愕不已的是,曾任费米实验室(Fermilab)主任的利昂·莱德曼(Leon Lederman)在与迪克·泰雷西(Dick Teresi)合写的书中将其称为"上帝粒子"(God particle),而这也成为了书名。(他后来解释,自己本来希望称其为"神谴粒子"。)新闻媒体和记者们无法抗拒这样的绰号,许多粒子物理学家也很不情愿地承认,这个名字给他们这个异常晦涩艰深的领域,带来了一丝刺激及公众的热情。
去年7月4日宣布的发现给这种紧张局面划上了句号。当天也是希格斯博士与恩格勒博士首次见面,实际上,新发现的玻色子迄今为止与理论预测完美吻合,以致于物理学家们都有点失望。他们原本希望能出现几处意外,能够告诉他们如何改进标准模型。
本周二揭晓的物理奖也为瑞典皇家科学院有朝一日表彰1万名实验科学家的工作奠定了基础。这些科学家打造了大型强子对撞机,在对撞产生的2000万亿个亚原子火球中仔细筛查上帝般的粒子出现的几十次宝贵踪影。
追踪希格斯粒子的CERN团队成员玛丽亚·斯皮罗普卢(Maria Spiropulu)说,"作为实验物理学家,我们已经多少习惯了被排除在诺贝尔奖之外。"
翻译:土土、黄铮
纽约时报中文网