“上帝粒子”背后的故事（连载一）

1、什么是“上帝粒子”？

自1899年汤姆逊发现电子至今的一个多世纪时间里，人类一直孜孜不倦地探索观世界的奥秘。粒子物理学模型的建立，使人类对物质观结构的探索几乎达到了尽善尽美的地步。

但是，仍然有一个神秘的基本粒子，游离于人类的掌控之外。

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它是质量之源，承载着世间万物的终极本质；

它能穿越时空，游走于过去和未来之间；

它也可能会击垮物理大厦，让粒子物理学模型彻底崩塌。

它就是有“上帝粒子”（God particle）之称的基本粒子——希格斯玻色子（Higgs boson，又叫“希格斯粒子”）。

希格斯玻色子是当代粒子物理学“标准模型”（Standard Model）理论所预言的一种粒子，被认为是物质的质量之源。

一旦验证了希格斯玻色子的存在，物质质量起源之谜就会被彻底揭开！

有了希格斯玻色子的加入，粒子物理学的“标准模型”理论就取得了相当大的成功。

如果希格斯玻色子被证明确实存在或不存在，那将是过去100年中最重大的科学发现之一，其重要意义将丝毫不亚于上世纪的几大突破，包括爱因斯坦首次系统阐述的量子物理学。

希格斯玻色子是什么粒子？

何以被称为“上帝粒子”？

这里面还有一段曲折的故事，且听我慢慢道来。

阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）

物理学家们早已发现，物体之间千差万别的相互作用，可以简单划分为4种力，即引力（重力）、电磁力、维持原子核的强作用力和产生放射衰变的弱作用力。

在爱因斯坦的相对论解决了重力问题之后，人们开始尝试建立一个统一的模型，以期解释通过后3种力相互作用的所有粒子。经过期研究和探索，美国物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）于1967年建立起被称为“标准模型”的粒子物理学理论。

美国物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）

“标准模型”的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”。但是，这一“家园”有个致命的缺陷，那就是该模型无法解释物质质量的来源。

为了修补上述理论大厦的缺陷，温伯格借用由英国爱丁堡大学的物理学家彼得·希格斯（Peter Higgs）于1964年提出的“希格斯机制”。

彼得·希格斯（Peter Higgs）

在希格斯机制里，宇宙大爆炸最初，所有的粒子都没有质量。当宇宙逐渐冷却，直到温度低于一个临界值时，一个看不见的力场通过与其相关的粒子形成了。这个力场现在称为“希格斯场”上帝粒子，而该粒子称为“希格斯玻色子”。

在希格斯机制中，希格斯场存在于整个宇宙，任何粒子相互作用都通过希格斯玻色子赋予了一定的质量。粒子间相互作用得越多，则质量越大。因此，不与其他粒子相互作用的粒子完全没有质量（如光子）。

换句话说，假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源。其他粒子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。

希格斯机制提出者（从左至右）：汤姆·基博尔、杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚、弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特

“希格斯机制”为“标准模型”提供了一个令人满意的解决方案，而且与现有的理论和实验现象所符合。但问题是，这个神秘的“上帝粒子”，一直和人们玩着“躲猫猫”的游戏，从未有人通过实验来观测到希格斯玻色子。

可以想见的是，希格斯场作为一种理论，虽然可以很好地解释基本粒子质量的来源，但它还是过于虚无缥缈了，那么我们可以证实它的存在吗？

一个希格斯玻色子从质子碰撞中爆发出来

我们知道，原子中的电子振动时，电磁场也会振动，并发射出光子。那么处于希格斯场中的粒子振动时，是不是也会带动希格斯场的振动并发射出某种未知的粒子呢？

或许我们可以循着这一思路，找出希格斯场的踪迹。为此，人们建造了多种粒子加速器，希望一窥“上帝粒子”的蛛丝马迹。尤其是欧洲大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC）的建成，更是激发了人们捕获“上帝粒子”的信心。

大型强子对撞机（LHC）的周是2.57公里（约为2575米），使它成为有史以来建造的能量最大的粒子加速器。

欧洲大型强子对撞机

在欧洲大型强子对撞机之上，粒子物理学家在真空的环形管内，把质子加速到接近光速，并使其在探测器中相互碰撞。此时，无比巨大的能量集中于一点，从而振动希格斯场。然而，“上帝粒子”总是若隐若现，揭秘的时间也是一推再推。曾几何时，人们似乎已经发现它的踪影，而它好像只是故意在人们面前闪现一下身影，然后就如同幽灵般消失。

2、为什么要寻找“上帝粒子”？

为什么物体会有质量？粒子是如何得到质量的？不同种类的力之间的关系是什么？在我们对物质组成和力的理解里面，这些问题是非常基础且重要的问题。如果我们不能回答这些问题，在对物质的研究上，就很难取得重要进展。假如希格斯玻色子存在，那么科学家就可以回答这些问题。

粒子物理学标准模型中总共预言了62种基本粒子，其中61种已获验证，唯独希格斯玻色子始终游离在物理学家的视野之外。作为当代粒子物理学经典理论的“缺失环节”，希格斯玻色子的存在与否至关重要。找到它，就意味着找到了建筑粒子物理学经典理论大厦的最后一块基石。

科学家预计，希格斯玻色子存在的可能只有30%，粒子物理大厦是建立在30%的概率基础上的。一旦希格斯玻色子被证实不存在，那么整个物理学就将经历一场新的困惑和震动。一旦证明希格斯机制、希格斯玻色子理论都是错误的，那就意味着大量的人力、物力、财力的巨大浪费，上千亿美元的巨额资金投入和无数科学家们的辛劳都将付诸东流，粒子物理学经典理论大厦将不得不推倒重建。

多年来，寻找“上帝粒子”行动一直备受质疑，认为没有实际应用价值。事实上，科学上很多重要的发现都不是出于功利目的。人之所以和动物不同，就在于人有好奇心，人有求知欲。对物质世界终极问题的求索，使得人类世界与动物世界有了根本不同的面貌。可以这样说，没有哥白尼、伽利略的理论，人们或许还认为地球是宇宙的中心；没有牛顿和他创建的积分，人们不会明白重力何来；没有爱因斯坦和他的相对论，人们也看不到重力的本质。同样，没有希格斯和他的希格斯场理论，这个世界也就不会有大型强子对撞机和寻求希格斯玻色子的科学家。许多物理学家为了验证一个理论，付出了青春、热血甚至生命。因为在他们看来，“朝闻道，夕死可矣”——他们追求的是世界的本质。

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

大型强子对撞机CMS探测器正在测量两束高能光子束的能量(以红色标注)

即便是从功用的角度说，历史的经验早已证明：科学真理地发现，一定会给我们的实际生活带来有用的影响。比如说，当年创建量子力学的那些物理学家，他们的兴趣也许只为探索物质世界的终极奥秘；但如果没有建立在量子力学基础上的半导体理论，电子计算机的发明就完全不可能，我们今天信息时代的生活也就不可想象。

（全文未完待续上帝粒子，下期更精彩！）

[1] 奇云. 2012，我们和“上帝粒子”有个约会[J].科技潮,2012(2):60-65.

[2] 奇云. 2012，“上帝粒子”和我们相会[J].科技潮,2012(8):62-65.

[3] 奇云. “上帝粒子“之父彼得·希格斯[J].科技潮,2012(9):64-65.

[4] 奇云. 回顾2012年十大科学突破[J].科技潮,2013(2):60-63.

[5] 奇云. 2012：我们和“上帝粒子”有个约会（N）中国社会科学报，2012年3月5日第292期第A8版.

[6] 奇云. 有故事的“上帝粒子”（N）中国社会科学报，2012年3月5日第292期第A8版.

备注：

1、参考文献仅列出作者在科技期刊公开发表的与本文相关的文献。

2、以上参考文献的全文，可在国内外多家文献数据库浏览或下载。

“上帝粒子”背后的故事（连载二）

“上帝粒子”背后的故事（连载三）

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