描述世界如何构成

比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(左)和英国理论物理学家彼得·希格斯(右)

北京时间10月8日，彼得·w·希格斯和弗朗索瓦·恩格尔特分享了今年的诺贝尔物理学奖。他们的获奖结果是1964年提出的一个理论，揭示了粒子如何获得质量。当时，两位学者独立发展了这一理论(恩格尔教授与另一位合作者(现已去世的罗伯特·布劳教授)一起发展了这一理论)。2012年，他们的理论预测，即所谓的希格斯玻色子的存在，被瑞士日内瓦的欧洲粒子物理研究所的实验所证实。

这一发现是标准粒子物理模型的核心部分之一，该模型描述了我们生活的世界是如何组成的。根据这个模型，从花到人体到恒星和行星的一切都是由一些基本物质组成的，也就是物质粒子。

这些粒子受力控制，以确保各种粒子遵循自己的类别。整个标准模型的完成需要一个粒子的存在，希格斯粒子。这种粒子起源于一个充满整个空间的不可见场。虽然宇宙看起来几乎是空的，但这种领域确实存在。离开这个场，我们将不再存在，因为正是通过与这个场的相互作用，粒子获得了质量。恩格尔和希格斯的理论精确地描述了这个过程。

2012年7月4日，欧洲粒子物理研究所粒子物理实验室的研究人员证实了希格斯粒子的存在。欧洲核中心的大型强子对撞机(LHC)可能是人类建造的最强大、最复杂的机器。在这里，两个研究小组，ATLAS和CMS(各由3000多名科学家组成)，分别给出了他们的实验数据分析结果。他们从数十亿个粒子碰撞结果中提取了希格斯粒子存在的证据。

弗朗索瓦·恩格尔特和彼得·希格斯在发现这一发现时都是年轻的科学家。1964年，他们独立提出了一个理论来拯救濒临崩溃的标准模型。将近半个世纪后，2012年7月4日，他们两人都出席了欧洲核研究中心(CERN)在日内瓦举行的一次会议，会上科学家们宣布他们已经发现了希格斯粒子的存在，从而最终证实了这两位科学家当年所做预测的准确性。

创建订单模型

认为世界上的一切都是由几个简单的基本粒子组成的观点由来已久。公元前400年，德谟克利特指出，任何物体都是由原子组成的，希腊语单词“átomos”的意思是“不可分割的”。今天我们知道原子不是不可分的。它们由围绕原子核运行的较小电子以及构成原子核本身的中子和质子组成。此外，中子和质子由称为夸克的较小粒子组成。事实上，根据标准模型给出的结果，只有电子和夸克是真正不可分的。

原子核包含两种夸克，上夸克和下夸克。因此，事实上，我们只需要三种基本粒子就能形成我们看到的所有物质:电子、上夸克和下夸克。然而，在20世纪50年代和60年代，科学家在原子辐射实验和新建的加速器实验中都发现了意想不到的新粒子。在这种情况下，标准模型必须将这些新发现的粒子纳入其框架。

除了物质粒子，还有传力粒子，它们在自然界中提供四种基本力——强核力、弱核力、电磁力和重力。引力和电磁力是最广为人知的。它们控制吸引力和排斥力。我们可以用眼睛观察这些力量的影响。强核力作用于夸克，将质子和中子牢牢固定在原子核内，而弱核力与放射性衰变有关。这个过程非常重要，例如，太阳的发光机制就与此相关。

粒子物理学的标准模型统一了构成自然的基本粒子和四种基本力中的三种，而第四种力，即重力，仍然在框架之外。科学家们一直想知道这些力是如何工作的。他们对此感到困惑。例如，一块金属被磁铁吸引，但是它怎么知道有磁铁呢？月亮如何感知地球的吸引力？

充满空间的无形领域

物理学给出的解释是，空间充满了许多看不见的“场”。如引力场、电磁场、夸克场和许多其他种类的场遍布整个空间，或者更准确地说，整个四维时空。标准模型是量子场论，其中场和粒子构成了宇宙的基本物质。

在量子物理学中，任何物质都被认为是量子场中振荡的组合。这些振荡在磁场中以“包”的形式传递，即所谓的“量子”，我们可以把它看作粒子。有两个不同的领域:材料领域，它包含材料粒子；力场包含了携带力的粒子，它们是力的媒介。希格斯粒子也是一种场振荡，物理学家通常称之为“希格斯场”。

离开这个领域，标准模型就会像纸牌搭的房子一样倒塌。后来，直到弗朗索瓦·恩格尔特、罗伯特·布鲁特、彼得·希格斯和后来的几位物理学家提出了希格斯场理论，上标准模型的缺陷才最终被填补，标准模型才得以保存。

这是因为标准模型只能建立在粒子没有质量的假设上。例如，电磁力传输没有质量的光子，这没有问题。弱核能呢？问题出现了——传输介质是三种有质量的粒子:两种带电的钨粒子和一种带电的锌粒子。它们本质上不同于“光如燕子”光子。这将标准模型置于风险之中。这时，弗朗索瓦·恩格尔特、罗伯特·布鲁特、彼得·希格斯等人及时介入，提出了一个天才的想法来消除这种威胁，并给粒子以获得质量的途径，从而挽救了标准模型。

幽灵般的希格斯场

希格斯场和物理学中的其他场有很大的不同。其他磁场的强度各不相同，并在最低能级降到零。但希格斯场不是。即使你完全清空了空间，你也永远无法清除希格斯场。它不能关闭。它总是幽灵般地存在。但我们不会注意到。对我们来说，这就像空气和水对鱼一样自然。但是没有它，我们将不再存在，因为正是通过与这个场的相互作用，粒子获得了质量。正是这个过程使得原子和分子的形成成为可能。如果希格斯场突然消失，所有的物质都将瞬间瓦解，因为没有质量的电子将以光速从原子中逃逸。

那么是什么让希格斯场如此不同呢？它打破了自然界微妙的对称性。在自然界中，对称无处不在:你的脸基本上是对称的，花朵、雪花，它们都显示出一些对称的特征。物理学揭示了描述我们世界的其他对称性，尽管它们可能在更深的层次上。举一个相对简单的例子，对称性要求当你做一个实验时，无论你是在斯德哥尔摩还是在巴黎，你都应该得到相同的结果。对称性还规定，当你在不同的时间做相同的实验时，你应该得到相同的结果。爱因斯坦的狭义相对论在时间和空间的框架内讨论对称性。它已经成为许多其他理论的基石，例如粒子物理中的标准模型。标准模型中的方程是对称的，就像一个球体，无论从哪个角度看都是一样的。同样，即使观察者的角度改变，标准模型给出的方程也不会改变。

这种对称性也会产生一些意想不到的结果。1918年，德国数学家艾米·诺特发现了物理学中一些非常基本的守恒定律背后的对称性，比如众所周知的能量和电荷守恒定律。

然而，这种对称性也会带来一些严格的要求。一个球必须是一个完美的球体，任何突起都会破坏它的对称性。对于等式来说，情况是相似的。质量粒子不允许存在于标准模型的框架中。现在我们知道，这显然与自然界的实际情况不符。因此，这些粒子一定以某种方式从外部“获得”了质量属性。这正是这个物理学奖所奖励的:它提供了一种机制来保持这种对称性，同时隐藏它。

你看不到对称性，但它仍然存在。

我们的宇宙在诞生时可能是对称的。在大爆炸的时候，所有的粒子都没有质量，所有的力都被统一成单一的原始力形式。但是这种最初的秩序已经不存在了——这种对称性已经被隐藏了。它发生在大爆炸后大约10-11秒，希格斯场失去了最初的平衡状态。但是为什么会发生这一切呢？

一切都从对称开始。这种情况可以用放置在圆形碗中的球体来粗略描述，即处于其最低能级状态。当它受到推力时，球开始旋转，但很快它会回到它的最低能量水平。

然而，如果在碗的中心有一个凸起，球的中心不再稳定，尽管此时它仍然保持对称。此时，球会向四周的任何方向落下。在球落下之前，碗是对称的，但是一旦球落下，球偏离碗中心位置的外观掩盖了碗本身仍然是对称的事实。类似地，希格斯场打破了这种对称性，在真空中找到了稳定的能级状态，但是这个能级状态偏离了能级为零的位置。这种自发的对称性破缺也被称为希格斯场相变，就像水变成冰一样。

相变需要四种粒子，但只有一种粒子——希格斯粒子能够存活。另外三种将被弱核力消耗:两个带电的W粒子和一个Z粒子。在这个过程中，这三个粒子获得了质量属性。这样，标准模型中弱磁力的对称性得以保持——也就是说，在三个弱核力控制下的重粒子和在电磁力控制下的无质量光子之间的对称性得以保持，但只是被隐藏了起来。

极端物理的极端机制

今年的两位获奖者可能没有想到他们当年提出的理论会有机会在他们的有生之年得到检验。为了验证他们的理论，世界各地的物理学家都做了很大的努力。长期以来，两个著名的实验室——美国芝加哥的费米实验室和欧洲核子研究中心——一直致力于寻找希格斯粒子。然而，随着几年前美国费米实验室的加速器关闭，欧洲粒子物理研究所成为世界上唯一一个仍能进行希格斯粒子搜索的组织。

欧洲核子研究中心成立于1954年，旨在重建欧洲的研究工作和二战灾难后欧洲国家之间的相互关系。目前，该组织有20个成员国，世界上有100多个国家参与了该组织的合作。

欧洲核子研究中心最大的成就是建造了大型强子对撞机(LHC)，这可能是人类建造的最大、技术最复杂的机器。由3000多名科学家组成的两个研究小组，ATLAS和CMS，在这里寻找希格斯粒子的踪迹。它的探测器位于地下100米处，每秒钟能观察到4000万次粒子碰撞。在LHC设备公司27公里的地下隧道中，两股粒子流向相反的方向喷射并相撞。

每10个小时，科学家们将各自从相反的方向发射出一束质子。1亿个质子被聚集在一起，压缩成一个狭窄的粒子流——这是非常困难的，因为质子带正电，它们互相排斥。这个质子流是以光速的99.99999%发射的。当碰撞发生时，每个质子的能量约为4电子伏，当两个质子碰撞时，总能量约为8电子伏(1电子伏=1万亿电子伏)。1TeV听起来不像很多能量，或多或少相当于一只飞行的蚊子，但当能量被压缩成一个质子，同时有500万亿个质子在加速器中疯狂运行时，它的能量相当于一列全速运行的火车。升级后，到2015年，LHC的能源水平将翻一番。

谜语中的谜语

粒子实验有时被比作同时打碎两块瑞士手表来检查它们的结构，但实际上更困难，因为科学家们正在寻找由碰撞释放的能量创造的全新粒子。

根据爱因斯坦著名的公式E = MC 2，质量是一种能量。正是这个神奇的等式使得两个物体在碰撞时能够创造出新的物质，甚至对于无质量的粒子也是如此。两个光子的碰撞将产生一个电子和它的反粒子，正电子；如果能量足够高，两个胶子的碰撞可以产生一个希格斯粒子。

质子看起来像装满粒子的小袋——夸克、反夸克和胶子。这些粒子中的大部分彼此和平相处。当两个粒子群碰撞时，只有20个粒子会正面碰撞。在这10亿次碰撞中，只有不到一次被进行到底。这听起来可能不太像，但每次这样的碰撞都会导致大约1000个粒子的剧烈爆炸。当能量达到125 GeV时，希格斯粒子的质量是质子的100倍，这也是它如此难以被创造的原因之一。

然而，实验远未结束。欧洲粒子物理研究所的科学家希望在未来几年取得更大的突破。尽管希格斯粒子的发现可以载入史册，这是标准模型中缺失的一环，但这并不意味着我们已经揭开了宇宙的终极之谜。例如，根据标准模型，中微子应该没有质量，但最近的一些研究发现，这样的粒子似乎有质量。另一个原因是标准模型只能描述可见物质，它只占宇宙中所有物质的1/5。我们对神秘暗物质的性质仍然知之甚少。

我们不能直接观察暗物质，但是我们可以通过它的引力效应感觉到它的存在。正是因为暗物质的引力效应，宇宙中的星系不会解体。暗物质几乎不与可见物质发生反应。然而，我们现在知道希格斯粒子是不同的，也许这将有助于在两个完全不同的粒子之间建立某种联系。科学家希望捕捉到暗物质的影子，哪怕只是一瞬间。因此，在未来几十年，他们将继续努力开发LHC设备。