为什么要寻找“上帝粒子”

世界上所有的物体都有质量。当我们在高中学习牛顿定律时，我们认为这是理所当然的。然而，为什么物体有质量？直到20世纪50年代，似乎没有人认真考虑过这个问题。

世界上有些人喜欢问问题。他们想找出物质世界的构成，它运行的基本结构，基本规律，以及为什么这个世界如此的终极真理。

20世纪初，物理学家似乎发现了终极真理。他们认为世界上的一切都是由原子组成的，物质世界的运动受重力和电磁力的支配。

然而，后来发现原子不是构成世界的最基本的粒子，原子内部也有一种结构:原子由原子核和电子组成，原子核由质子和中子组成，质子和中子不是基本粒子，它们由各种夸克组成。在深入研究了这种结构之后，物理学家发现，不仅我们在日常生活中能感受到的重力和电磁力，而且我们在日常生活中感受不到的“强”和“弱”力主导着物质的运动。

在这个阶段，事情变得非常混乱。用诺贝尔奖得主、标准模型建造者之一斯蒂芬·温伯格的话来说，这是“一个沮丧和困惑的时代”。物理学家必须致力于寻找一个统一的理论来描述所有这些基本粒子和各种力量出现的机制。

物理学家真的很聪明，非常聪明。到了20世纪60年代，物理学家已经真正构建了一个标准模型，如果他们想打破常规，我们普通人无法理解模型上使用的语言，但我们只需要知道结论——标准模型描述了强、弱和电磁力这三种基本力(不包括重力)以及所有基本粒子的形成机制。

要理解这个标准模型的魔力，你可以通过它来看。英国物理学家希格斯提出的机制被引入到标准模型中。普遍的理解是空间充满了希格斯粒子。当基本粒子加速时，那些容易与希格斯粒子碰撞的粒子更难加速(质量较大)，而那些碰撞概率较低的粒子更容易加速(质量较小)。可以说物质本身没有质量，质量是物质和希格斯粒子之间的相互作用。

然而，这是一个令人难以置信的模型。更令人惊讶的是，许多基于这一理论的预测已经被一个又一个激动人心的实验所证实。当费米实验室于1995年3月2日向世界宣布他们发现了顶夸克时，标准模型预测的61个基本粒子中的60个已经得到了实验数据的支持和验证！

然而，仍然有一个幽灵没有被发现，那就是希格斯粒子，它使所有的物质获得质量，在标准模型中占据一个基本位置，被一些人称为“上帝粒子”。

一定是个“大家伙”

为什么希格斯粒子还没有被发现？原因其实很简单，也很容易理解:它的质量必须足够大，而且过去使用的粒子对撞机的能量也不足以将其击昏。

基于已经运行多年的万亿电子伏特加速器(Tevatron)和美国费米实验室的其他加速器所做的工作，科学家们得出结论，希格斯玻色子的质量在114到185 GeV之间。

在理论假设中找到希格斯粒子的另一个困难是它极其不稳定。如果它确实存在，它会在碰撞后的十亿分之一秒内衰变，所以很难捕捉到它。

事实上，希格斯认为费米实验室的泰瓦特隆加速器可能已经获得了关于希格斯玻色子存在的数据，“但是在数据分析中还没有发现。”

然而，一个“大家伙”的完成和使用已经给了科学家足够的信心:由于它所获得的能量足够大，这将是一个决定性的实验——如果有希格斯粒子，它肯定能够探测到泄漏的可能性，不像以前的实验设备。恰恰相反。如果它仍然不能探测到希格斯粒子，那就意味着它根本不存在。

这个“大家伙”是欧洲大型强子对撞机(LHC)，于2003年启动。它位于法国和瑞士边境的一条100米深、27公里长的环形隧道中，总造价约为20亿美元。在撞击器内部27公里长的圆形隧道中，超导磁体将质子和离子加速到接近光速，然后发生碰撞，在极小的空间内产生10万倍于太阳温度的超高温。这一刻就像大爆炸后大量能量和基本粒子的释放，以及冷却后组成物质的质子和中子的形成。

欧洲核子研究中心主任罗尔夫·霍伊尔说，“如果我们足够幸运，我想我们明年可以取得一些成就。”

找到它好还是不好？

物理学家当然非常关注欧洲大型强子对撞机正在进行的实验，但他们的态度不同。

生于1929年的希格斯说，他希望在自己80岁生日之前证实希格斯粒子的存在。他幽默地说:“如果到那时我还不知道，我只能希望自己活得更久。”然而，他强调说，如果希格斯粒子的存在不能总是得到证实，他将“非常非常困惑”，因为他“无法想象除此之外还有什么能解释物质如何获得质量”。

但是其他人说，许多理论物理学家认为失败比发现45年前预测的无聊老粒子有趣得多。

事实上，即使找到希格斯粒子也不能解决所有问题。最初的标准模型有一些缺陷，例如不能解释暗物质和太阳中微子振荡。如果希格斯粒子被发现证明标准模型有多完美，人们仍然会被无法解释的问题所迷惑。

然而，“标准模型”并不是唯一的理论体系。一些科学家提出了“超对称理论”、“弦理论”等等。他们还希望通过大型强子对撞机的实验找到对他们有利的证据。

霍金赌100美元赌他找不到希格斯粒子，他说:“如果找不到希格斯粒子，我认为会更令人兴奋。因为这表明这些想法是错误的，我们需要重新思考。无论大型强子对撞机发现或没有发现什么，它的结果都会告诉我们更多关于宇宙结构的信息。”

如果我们找到了呢？

人们经常问这样的问题。花这么多钱和人力去寻找神秘的希格斯粒子有什么用？值得吗？

物理学家将用一句话来回答这个问题:与蚂蚁不同，我们渴望知识，我们需要理解生命和宇宙的机制。

事实上，许多重要的科学发现并不是为了功利目的。人类不同于世界上其他动物的原因在于他们对知识的好奇和渴望。我们从哪里来？我们要去哪里？世界是什么？对这些终极问题的探索使人类世界和动物世界有了根本不同的面貌。

即使从功能的角度来看，历史经验总是证明，科学真理的发现一定会给我们的实际生活带来有益的影响。例如，当时创立量子力学的物理学家可能只对探索物质世界的终极奥秘感兴趣，但是如果没有基于量子力学的半导体理论，电子计算机的发明将是完全不可能的，我们在当今信息时代的生活将是不可想象的。