论文部分内容阅读
什么是“上帝粒子”？为什么那帮物理学狂人们像打了鸡血一样为它的现身欢呼雀跃呢？看来，我们都有必要了解一下物理学的世界里究竟发生了些什么了。
对于物理学界尤其是粒子物理学界来说，上个月发生了一件不亚于“人类登上月球”之类的大事：欧洲核子研究所所长洛夫·霍耶尔宣布：两个为大型强子对撞机（LHC）工作的独立团队，已经确定发现了希格斯玻色子（又名“上帝粒子”）。
什么是“上帝粒子”？为什么那帮物理学狂人们像打了鸡血一样为它的现身欢呼雀跃呢？看来，我们都有必要了解一下物理学的世界里究竟发生了些什么了。
何谓“上帝粒子”
要解释“上帝粒子”，首先要从粒子物理学的标准模型说起。
自然界中物体之间的相互作用力可以划分为4种，即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，理论物理学家开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子，这就是标准模型。该模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子3大类，预言了62种基本粒子的存在。然而，这个标准模型却有一个致命的缺陷——它演绎的世界里没有质量。
直到1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并假设希格斯玻色子是物质的质量之源，标准模型才得以自圆其说。根据希格斯的理论，希格斯玻色子是其他粒子形成质量的基础。它们在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。
随着实验物理学家把加速器越造越大，标准模型预言的未知粒子全都在实验中现身，只有最重要的“上帝粒子”仍然“在逃”。对于粒子物理学研究者来说，这种情况多少有些搞笑。因为几乎所有粒子物理学的研究都要基于标准模型，而这一理论的一个基础预设居然还没有被彻底证实。换句话说，一旦“上帝粒子”的存在被证伪，“标准模型”理论大厦将倾。
寻找“上帝粒子”
粒子物理学家们当然不会放任这样的情况延续下去。长期以来，他们一直试图揭开希格斯玻色子的“面纱”。大型强子对撞机正是物理学家为寻找“上帝粒子”所作的最新尝试。
为什么希格斯玻色子一直很难找到？说起来很容易理解：它的质量一定足够大，以往使用的粒子对撞机能量还不够大，还不足以把它撞出来。并且它极不稳定，将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。
这时候，大型强子对撞机的建成和投入使用，使科学家们对捕捉“上帝粒子”有了足够的信心。最激动人心的是，这将是一个判决性实验——如果真有希格斯玻色子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。要么证实，要么证伪。
大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约 20亿美元。在撞击器内那条27公里长的圆形隧道，超导磁铁会把质子和离子加速至接近光速，然后相撞，在极细微空间爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子。而令人欣喜的是，这个“大家伙”不负众望，终于找到了人们期盼已久的“上帝粒子”。
“上帝粒子”与日常生活
可能有些人会问，为什么我们要花这么大力气去寻找“上帝粒子”？它能带我们穿梭时空？还是可以送我们在宇宙旅行？
十分遗憾的是，“上帝粒子”并不像它的名字听起来那样无所不能。不以物理为业的人对客观世界组成的理解，大概会停留在课本上质子、中子、电子之类，而在粒子物理学的世界里，研究已经到达了玻色子级别的基本粒子。这些粒子的形态和外观无法用任何仪器“看到”，而所谓的“找到”，指的则是通过一系列实验数据的论证。在那样微观的世界里，甚至“质量”都不是我们所熟知的几斤几两的重量，而也是一系列由数字来证明的存在。
许多网友在围观了英文网站第一时间的报道后纷纷吐槽：好像很牛的样子……但是完全看不懂！其实不消说普通网友，就连同样属于物理学中的应用物理研究者，也同样不能完全明白粒子物理学家的兴奋。实际上，基础科学与应用科学的“死磕”在每一个学科领域都存在，基础科学总被人质疑“能做什么”，而应用科学则又常常遭到“过分功利”的鄙视，就像《生活大爆炸》里理论物理学家谢耳朵长期鄙视研究应用物理的Howard。
发现“上帝粒子”无疑深化了我们对物质本质的理解，但将这种理论运用到生活中还需要一段时间。“上帝粒子”的发现基本论证了标准模型的成立，这只是一个开端而不是终点。在标准模型成立的基础上，还有更多的科研工作等待展开。
对于物理学界尤其是粒子物理学界来说，上个月发生了一件不亚于“人类登上月球”之类的大事：欧洲核子研究所所长洛夫·霍耶尔宣布：两个为大型强子对撞机（LHC）工作的独立团队，已经确定发现了希格斯玻色子（又名“上帝粒子”）。
什么是“上帝粒子”？为什么那帮物理学狂人们像打了鸡血一样为它的现身欢呼雀跃呢？看来，我们都有必要了解一下物理学的世界里究竟发生了些什么了。
何谓“上帝粒子”
要解释“上帝粒子”，首先要从粒子物理学的标准模型说起。
自然界中物体之间的相互作用力可以划分为4种，即引力、电磁力、强相互作用力和弱相互作用力。爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，理论物理学家开始尝试建立统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子，这就是标准模型。该模型把基本粒子分为夸克、轻子和玻色子3大类，预言了62种基本粒子的存在。然而，这个标准模型却有一个致命的缺陷——它演绎的世界里没有质量。
直到1964年，英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在，并假设希格斯玻色子是物质的质量之源，标准模型才得以自圆其说。根据希格斯的理论，希格斯玻色子是其他粒子形成质量的基础。它们在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。尔后所有的粒子在除引力外的另3种力的框架中相互作用，统一于“标准模型”之下，构筑成大千世界。
随着实验物理学家把加速器越造越大，标准模型预言的未知粒子全都在实验中现身，只有最重要的“上帝粒子”仍然“在逃”。对于粒子物理学研究者来说，这种情况多少有些搞笑。因为几乎所有粒子物理学的研究都要基于标准模型，而这一理论的一个基础预设居然还没有被彻底证实。换句话说，一旦“上帝粒子”的存在被证伪，“标准模型”理论大厦将倾。
寻找“上帝粒子”
粒子物理学家们当然不会放任这样的情况延续下去。长期以来，他们一直试图揭开希格斯玻色子的“面纱”。大型强子对撞机正是物理学家为寻找“上帝粒子”所作的最新尝试。
为什么希格斯玻色子一直很难找到？说起来很容易理解：它的质量一定足够大，以往使用的粒子对撞机能量还不够大，还不足以把它撞出来。并且它极不稳定，将在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易。
这时候，大型强子对撞机的建成和投入使用，使科学家们对捕捉“上帝粒子”有了足够的信心。最激动人心的是，这将是一个判决性实验——如果真有希格斯玻色子存在，它一定能探测到，不像以往的实验设备存在漏网的可能性；反过来的说法也成立，如果它仍然不能探测到希格斯粒子，就说明这东西根本不存在。要么证实，要么证伪。
大型强子对撞机位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中，耗资总计约 20亿美元。在撞击器内那条27公里长的圆形隧道，超导磁铁会把质子和离子加速至接近光速，然后相撞，在极细微空间爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子。而令人欣喜的是，这个“大家伙”不负众望，终于找到了人们期盼已久的“上帝粒子”。
“上帝粒子”与日常生活
可能有些人会问，为什么我们要花这么大力气去寻找“上帝粒子”？它能带我们穿梭时空？还是可以送我们在宇宙旅行？
十分遗憾的是，“上帝粒子”并不像它的名字听起来那样无所不能。不以物理为业的人对客观世界组成的理解，大概会停留在课本上质子、中子、电子之类，而在粒子物理学的世界里，研究已经到达了玻色子级别的基本粒子。这些粒子的形态和外观无法用任何仪器“看到”，而所谓的“找到”，指的则是通过一系列实验数据的论证。在那样微观的世界里，甚至“质量”都不是我们所熟知的几斤几两的重量，而也是一系列由数字来证明的存在。
许多网友在围观了英文网站第一时间的报道后纷纷吐槽：好像很牛的样子……但是完全看不懂！其实不消说普通网友，就连同样属于物理学中的应用物理研究者，也同样不能完全明白粒子物理学家的兴奋。实际上，基础科学与应用科学的“死磕”在每一个学科领域都存在，基础科学总被人质疑“能做什么”，而应用科学则又常常遭到“过分功利”的鄙视，就像《生活大爆炸》里理论物理学家谢耳朵长期鄙视研究应用物理的Howard。
发现“上帝粒子”无疑深化了我们对物质本质的理解，但将这种理论运用到生活中还需要一段时间。“上帝粒子”的发现基本论证了标准模型的成立，这只是一个开端而不是终点。在标准模型成立的基础上，还有更多的科研工作等待展开。