发现上帝粒子比登上月球更重要
发布时间：2012-7-7 13:13
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新华网合肥7月8日电(记者徐海涛)宇宙万物皆有质量，但质量的来源是什么？随着欧洲核子中心日前宣布很可能发现了“上帝粒子”，这个终极问题有望得到解答。为了详细了解“上帝粒子”及中国科学家参与研究的情况，记者采访了中国科学技术大学教授刘衍文。 构成宇宙万物的最小物质单位是基本粒子，包括夸克、电子等，而要解释这些基本粒子的质量来源，必须找到最后一种基本粒子：被称作“上帝粒子”的希格斯(Higgs)粒子。过去30年，全球粒子物理学家都在苦苦追寻“上帝粒子”的踪迹，位于瑞士日内瓦市郊的欧洲核子中心与美国费米实验室是两个主要研究平台。 毕业于中科大少年班的刘衍文，从1999年起进入日内瓦大学攻读博士，此后一直在欧洲核子中心与美国费米实验室参与科研。2008年，欧洲核子中心建成启用了全球能量最大的强子对撞机，来自几十个国家的数千名学者参与研究。作为来自中国的学者之一，刘衍文从参与分析第一批数据开始，经历了发现 “疑似上帝粒子”的全过程。 “新粒子不是一下子发现的，是长期数据积累的结果。”据刘衍文介绍，在前3年上亿次数据采集、分析的基础上，欧洲核子中心的科学家们在2011年逐渐发现了一些新粒子存在的迹象。“到2012年数据中新信号的统计显著性可以让人信服，新粒子是确实存在的。” 2012年6月下旬，欧洲核子中心内部决定在7月4日公布这个重大发现。“从对撞机上取下最后一批数据，分析出结果，再在3000多人的合作组内通过评审，留给科学家的时间实际上只有两周。”刘衍文说，工作强度非常大，很多人都有连续工作通宵的经历。 “目前宣布的这种新粒子，表现出的特征与理论预期极为接近，但从科学角度还不能100%断定它就是‘上帝粒子’。”刘衍文透露，欧洲核子中心将从2013年起把对撞机能量从8TeV提高到14TeV，进一步通过实验测量其性质。 “如果最终确认为‘上帝粒子’，那么这将是人类探索自然过程中的一大步，使我们能站在一个新的高度，思考我们身处的这个宇宙。”刘衍文说，基础科学的每一个重要进步，都有可能大大推动应用科研的发展。“从科学意义上讲，发现‘上帝粒子’比人类登上月球更重要。” 在欧洲核子中心的ATLAS和CMS两大研究组，共有来自世界各国的7000多名科学家参与工作。“因此，很难说这种新粒子是由哪个国家或者哪个人发现的。”刘衍文认为，这个成果应该属于全人类。 据了解，在欧洲核子中心参与研究的中国科学家来自五个科研单位，分别是中国科学技术大学、中科院高能物理研究所、北京大学、南京大学与山东大学。中国科研人员约占中心总人数的百分之一，其中来自中科大的团队人数最多，达到20人。 为寻找“上帝粒子”，中国科学家在仪器研制、设备调试、数据分析等方面作出了重要贡献，在欧洲核子中心赢得了良好的国家声誉。“欧洲核子中心给所有的外来学者提供工作环境，但不发工资。”刘衍文说，中国学者们的经费都来自于科技部、中科院与国家自然科学基金委员会。“我们能代表中国参与这一全球重大科研活动，背后是国家力量的长期支持。” “上帝粒子”驾到 更多未知等待人类 7月4日，全球大部分的粒子科学家则聚集在澳大利亚墨尔本，准备第二天召开的国际高能物理大会。此时，瑞士日内瓦的欧洲核子中心（CERN）异乎寻常地宣布，将公布某项研究结果。世界屏住呼吸，听完了全长两个多小时的报告，得到这样一个结果：“我们发现了一种新的玻色子，很可能是希格斯玻色子，但我们必须确认它是哪一种希格斯玻色子。”如雷的掌声爆发了，世界沸腾了！ 这句话意味着，在经历了四十多年的寻找后，世界上最难找的粒子将凸显原形。希格斯玻色子，俗称“上帝粒子”，这个陌生的词，却是我们理解宇宙起源最重要的一个密码，因为，它赋予其他物质以质量。有物理学家说，“这次发现就像哥伦布发现了新大陆。” 标准模型的故事 7月4日之后，欧洲核子中心的官方主页很自信地贴出一行大字：“希格斯玻色子触手可及，我们对宇宙的认识即将改变！” 希格斯玻色子是何方神圣？它为何能左右我们对宇宙的认知？这个故事，要从40多年前的标准模型建立开始说起。 上个世纪60年代，物理学家彼得·希格斯创建了“标准模型”理论，而另外3位物理学家，完善了这个理论。此后，标准模型成为认识物质世界的理论基础，其意义就像进化论之于生物学界。 根据标准模型，宇宙诞生时，出现了62种粒子和四种力，这些粒子大部分转瞬即逝，只有质子、中子和电子才构成了今天的物质。 其余61个粒子在半个世纪中被人们一一发现，它们都证实了标准模型。物理学家验证和纠正标准模型的过程，是产生诺贝尔奖的富矿，很多人都为此去了斯德哥尔摩。据统计，历届诺奖物理学奖至少有四分之一是和标准模型及夸克理论相关的。著名华人物理学家丁肇中，便凭此获得了诺贝尔物理学奖。 但这个“美妙”的理论只剩最后一块拼图，这块拼图就是希格斯玻色子。由于这块拼图苦寻不至，人们把它称为“上帝诅咒的粒子”，久而久之，就简化成了“上帝粒子”。 为了说明“上帝粒子”的重要性，希格斯创建了一个特别的概念“希格斯场”。希格斯认为，在宇宙大爆炸过程中，形成一种无形却到处存在的场，上帝粒子就存在于这个场内。当有些粒子与上帝粒子遭遇时，它们会降低速度，获得质量，而另一些粒子则会不受阻碍地继续前进。 如果这个假设为真，那标准模型就可以得到彻底的验证，而如果不存在上帝粒子的话，这个“完美”的标准模型显然出了问题，理论学家需要重新书写整个理论。 耗资90亿美元 不过，这条验证之路走得颇为艰辛。自然界的“上帝粒子”是在宇宙诞生之初存在的，并不存在于今天的世界中，如果要寻找它，则必须人工还原宇宙大爆炸时的场景。 这就是欧洲核子中心打造的世界最大实验项目——大型强子对撞机（LHC）的目的：人工模拟大爆炸，人为地创造“上帝粒子”。 但是无论对于理论物理学家还是实验物理学家来说，压力都是存在的。 压力最大的就是希格斯本人，整个实验的造价高达90亿美元，来自全球各国近1万名科学家，长达几十年的工作，都是为了证实或者证伪他所提出的理论。 爱丁堡大学教授希格斯似乎将过去的岁月沉寂在隐士的生活中，虽然60年代时，年轻的他曾因“标准模型”获得国际声誉，但是，在过去的十年，人们对这个造价昂贵的对撞机到底能否找到“上帝粒子”的怀疑让他变得焦虑起来。 在这个过程中，一些新的理论也逐渐出现，试图挑战标准模型的权威。有的理论学家甚至认为，“上帝粒子”可能实际上并不存在。 欧洲核子中心主席豪威尔2010年在接受本报记者采访时说，无论是找到还是找不到希格斯玻色子，结果都是同样令人惊喜的，如果找不到的话，则意味着物理学界新的可能性。 事实上，对于LHC这寻找物理界圣杯的行为来说，结果的可能性不光只有“找到”和“找不到”两种可能：希格斯玻色子是一种名叫玻色子的粒子，如果符合标准模型要求的话，则是希格斯玻色子，但如果不符合的话，也有可能是其它形式的玻色子。 现在，CERN的官方说法是，找到了一种符合希格斯玻色子条件的新粒子。其意思是，科学家们找到了一种新的粒子，它产生的范围符合理论学家针对希格斯玻色子出现的计算范畴。而主席豪威尔则对外说：“对于外行来说，我们是找到了；对于内行来说，还需要进一步确认。” 费米实验室主任皮尔·奥登则是这么表达他的看法的：“如果它看着像是只鸭子，走路也像只鸭子，那它就是一只鸭子。” 科学界或许并不相信眼泪，但这一次，老希格斯的眼泪，令全世界为之动容。这位83岁的老人说，“很高兴我能活着看到这一天的到来”。 未来：更多的未知等待人类 CERN方面表示，目前能够确定的是玻色子，但是否是希格斯玻色子则会尽全力在今年之前确认。一旦上帝粒子最终在学术期刊上彻底地确认了的话，那诺贝尔物理学奖评委会也将忙碌起来了，根据其原则，如果理论被实验验证，那最先发现理论的人将获得诺贝尔奖。 但从科学史看，理论再伟大，也只有在特定的范围内才是正确的。牛顿力学是经典的，但当运动速度接近光速时则无法运用，其错误被爱因斯坦意识到，确立了相对论。同样，标准模型虽然即将被证实，但其依然位于微观世界，无法解释宏观世界中的万有引力。标准模型中，或许也有一些错误，从这个错误中，可以打开更大的门，寻找更大范围的理论，而新出现的“粒子”，或许可以是一把钥匙。 科学杂志《新科学家》撰文写道：“希格斯玻色子是标准模型的最后一块拼图，但我们知道，这个模型之外，还有其它的粒子和力。”这意味着，尽管上帝粒子可能是验证标准模型最后一块拼图，但它绝对不是人类认识宇宙真理的最后一块拼图。 《新京报》 发现新粒子印证数学预言能力 【美国《科学新闻》周刊网站7月4日文章】题：希格斯粒子的发现颂扬数学对真实世界的预言能力(作者汤姆・西格弗里德) 现在，所有的物理新闻迷们―――以及许多不太懂物理的人―――都听说发现了希格斯玻色子。这是在微博上传播过的最大的物理新闻。它让人们经历了漫长的等待。30多年来，希格斯粒子对物理学家们而言，就像是亚瑟王的圣杯、庞塞・德莱昂的不老泉、亚哈船长的白鲸。这是对一个想法的着魔、痴迷和热衷，而几乎每个专家都认为这个想法必然是正确的。 尽管利用世界上最复杂的机器寻找了多年，希格斯粒子仍然难以发现。直到现在，大型强子对撞机终于帮助物理学家们证实了一种新粒子的存在，质量大约相当于1 3 2个质子。尽管发现新粒子的官方通告措辞严谨，但每个人都认为它就是希格斯粒子。 当被问及为何希格斯玻色子如此重要时，大多数物理学家都条件反射般地回答说它是让基本粒子获得质量的宇宙物质。对一些人而言，这听起来或许没什么意思―――不过是肥胖症的又一个元凶。但希格斯粒子的重要性应该得到更加生动的表述。 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校物理学家、报告此次发现的实验小组之一的发言人乔・因坎代拉说：“我们正以前所未有的水平触及宇宙的构造。它正让我们了解一些对宇宙的结构至关重要的东西。” 事实上，正是希格斯粒子造就了我们所知宇宙的结构。正是希格斯粒子让物理现实成为现在的样子，有原子、化学反应以及生命。没有希格斯粒子，就没有分子、没有行星、没有人。 严格来讲，应该说没有希格斯粒子，就会有一些更加奇怪的东西来充任它的职责。这一职责，用物理学的话说，就是“电弱对称性破缺”。在宇宙最初的百亿分之几秒中，电磁力是更加原始的“电弱”力的一部分，吸收了现在所说的弱作用力。描述电弱力的方程式是对称的―――也就是说，在这些方程式中，电磁力和弱作用力是相当的。但由于某些原因，弱作用力与电磁力裂开了。换言之，电和弱作用力之间的这种数学对称“破裂”了。 苏格兰物理学家彼得・希格斯在1964年构想出了希格斯场并预言了希格斯玻色子的存在。他并非那个时代设想出类似数学方案的唯一物理学家。他们都拥有一种先见，一种能够通过数学之镜深入窥探自然的能力。 他们的成功说明了发现希格斯粒子更加深远的意义：它证明了科学事业是了解自然的一个途径。在纸上涂涂写写的人们想出了你要投资数以十亿计的美元造一台机器制造上万亿度高温才能发现的东西。科学家们仅靠自己的头脑就想明白了自然最深处的秘密。 编译/新华网 |
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