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该死的上帝粒子

2020-08-06


该死的上帝粒子

来自马来西亚,现居风城。兴趣广泛的生物学家,研究工作之余,嗜好读读书、看看戏、写写作、骑骑车、踏踏青、逗逗猫。
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在官方要求我们讲礼貌的时代,〈该死的上帝粒子〉这个看似非常的无礼的标题相当的冒昧,不过是有典故的。

美国物理学家、1988年诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼(Leon M. Lederman)出版了一本科普书《上帝粒子:如果宇宙是答案,那幺问题是什幺?》(The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question),后来媒体也沿用了这一称呼,常常将希格斯波色子称作是「上帝粒子」(The God Particle)。这一称呼激起了主流媒体对于希格斯波色子的关注和兴趣。《纽约时报》(The New York Times)还精心製作了两个特辑:Chasing the Higgs Boson和Higgs Boson。

莱德曼表示,当初他称呼希格斯波色子为「上帝粒子」是因为这粒子「在当今物理学中处于极为中心的位置,对我们理解物质的结构极为关键、也极为难以捉摸」。不过他也开玩笑地补充说另一个原因是「出版社不让他把这粒子称作『该死的粒子』(Goddamn Particle),儘管这别称可能更恰当地表达了希格斯波色子杳无蹤迹的性质以及人们为之所付出的代价与遭受到的挫折感。」然而,许多科学家却不喜欢这一称呼,因为它过分强调了这粒子的重要性和太宗教化。

既然始作蛹者原本有想过把希格斯波色子称作「该死的粒子」,后来却以「上帝粒子」成名,我想乾脆把希格斯波色子称作「该死的上帝粒子」,更两全其美吧XD

泛科学也将在9月26日和旅行社出一团「大型强子对撞机探访团」参观日内瓦郊区的大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)。欧洲核子研究组织(CERN)将在9月会举办两天 的「Open Days」。从2013年2月 起,LHC进入了长达两年的停机期,在这段期间会进行设备的升级与维护,为了提升到更大的碰撞能量而做準备。为了这个探访团,泛科学计划举办三场小型演讲,第一场由台大陈凯风老师主讲,第二场是明天(9/10)的「微型点子对撞机(M.I.C. XIV):惊现」。

在听了陈老师深入浅出的精彩演讲后,让我好奇读了这本这本《上帝的粒子:希格斯粒子的发明与发现》(Higgs: The Invention and Discovery of the ‘God Particle’)。还好听过了陈老师的演讲,还有维基中文百科〈希格斯玻色子〉写得很好的介绍,在读这本《上帝的粒子》时,才比较快进入状况。

在粒子物理学的标準模型(Standard Model)预言的61种基本粒子中,希格斯玻色子是最后一种被实验证实的粒子。希格斯玻色子是因英国物理学家彼得·希格斯(Peter W. Higgs,1929-)而命名,是一种具有质量的玻色子,没有自旋,不带电荷,非常不稳定,在生成后会立刻衰变。

标準模型的希格斯机制(Higgs mechanism)解释了,为什幺有些基本粒子具有质量,而有些基本粒子的质量为零?根据希格斯机制,有些基本粒子因为与遍布于宇宙的希格斯场彼此交互作用而获得质量,但同时也会出现副产品希格斯玻色子。

,CERN宣布,LHC的紧凑渺子线圈(CMS)探测到质量为125.3 ± 0.6 GeV的新玻色子(超过背景期望值4.9个标準差),超环面仪器(ATLAS)测量到质量为126.5 GeV的新玻色子(超过背景期望值5个标準差),这两种粒子极像希格斯玻色子。7月31日,CMS和ALTAS又分别提交新的侦测结果,将这种玻色子的质量确定为CMS的125.3 GeV(统计误差:±0.4、系统误差:±0.5、统计显着性:5.8个标準差)和ALTAS的126.0 GeV(统计误差:±0.4、系统误差:±0.4、统计显着性:5.9个标準差)。

,欧洲核子研究组织发布新闻稿,正式宣布先前探测到的新粒子是希格斯玻色子。这希格斯玻色子是希格斯机制的必然后果,是物理学者长久以来寻觅的对象。希格斯玻色子的发现,对物理学家来说重大意义。首先,此发现揭开粒子质量起源之谜,其它粒子在希格斯场中运行时便获得了质量;二来,完善了当代粒子物理学基石的标準模型,它描述了整个宇宙中所有的粒子。所有被标準模型所预言的粒子此前都已经被找到了,希格斯玻色子是最后一个;三来,确认希格斯玻色子还将对电弱相互作用的构建、超对称理论和等产生重要影响。史蒂芬·霍金(Stephen W. Hawking)最近还认为希格斯应该获得诺贝尔物理学奖。

《上帝的粒子》分成两部,第一部谈发明,第二部谈发现。作者巴格特(Jim Baggott)从物质、能量、质量的概念开始说起,描述粒子物理学的理论进程。物理学家为了解释即有理论的缺陷,让一个理论接着一个理论的发明,慢慢地让希格斯玻色子登场。

理论物理学家让希格斯玻色子上场后,实验物理学家就要轮番上阵,过关斩将,验证了希格斯场。而看似扑朔迷离的希格斯玻色子。为了烧大钱验证标準模型和找出这个该死的上帝粒子,粒子物理学家米勒(David Miller)轻鬆地向政客解释希格斯机制,他提出像这样的比喻:我们可以将希格斯场比拟为在物理学术大会裏均匀分布的学者。我在物理学界完全没有名气(废话XD),像我可以轻鬆地低调穿过会场,没有人会注意到我的存在,就如同希格斯场与零质量光子之间的交互作用。假若物理大师如希格斯本人进入会场,大家会被大师的魅力吸引,在大师四周挤成一团。因此,他会获得很多质量。若以同样速度穿过会场,他所具有的动量当然会比较大,改变他的移动速度也比较不容易,必须施加更大的作用力。这还说服了英国政府继续掏钱赞助CERN。不过希格斯玻色子的研究计画却在美国国会胎死腹中,仅剩欧洲还坚持下去。

在CERN,两组CMS和ALTAS各有上千科学家支援的团队独立利用不同方法验证希格斯玻色子的实验,在公布结果前,并没有串供,这是科学社群良性地竞争,让科学实验有再现性的良好範例。科学之所以可以一日千里,就是因为良性竞争造成的「必要的张力」(essential tension)。CMS和ALTAS都有台湾物学学家参与,台湾大学和中央大学的团队加入CMS,中研院的团队则加入ALTAS。为了有效处理LHC产出的庞大资料,中研院与CERN合作设立亚洲首座Tier-1网格维运中心, 大幅提升了台湾学界的研究能量和国际地位。

在这方面,当然又是外行的看热闹,内行的看门道。我不是物理学家,当然是看热闹为主。因此,对我而言,《上帝的粒子》的第一部讨论各各理论的诞生过程,还是有雾里看花的感觉。《上帝的粒子》的第二部主要是在讲故事,读起来就有趣多了。在脸书上,还有朋友介绍了这个PHD TV上的影片,说他看了才知道LHC在搞什幺飞机……哦不……粒子。

在这里,我想谈一件有趣的事,那就是为何《上帝的粒子》作者在第一部以及原文副标题上,用「发明」(Invention)来探讨希格斯玻色子?如果希格斯玻色子早已存在了,科学家怎幺可能去「发明」它?

其实,科学并非绝对真理,科学探讨的是事物与事物的关连,是一种相对的真理。科学家为了描述事物的本质和关连,就要「发明」一些理论去描述,然后利用实验去验证,如果实验和理论相符,科学社群就把该理论当作是对的,如果有足够多的实验证据不支持,则科学家就要「发明」更多更新的理论。科学的理论,要能让实验给否证,也要有预测力,其理论之预测,也要让科学社群的其他科学家重覆验证。并不是用了数学模型,就算是科学。

希格斯「发明」了「希格斯机制」来解释某些粒子的质量,他的理论预测了希格斯玻色子的存在,如果LHC的实验找到的确实为希格斯玻色子,则希格斯机制的理论就暂且为真,不过希格斯场理论还无法解释一些关于强交互作用、电弱交互作用、重力交互作用的统一化问题,以及宇宙的起源问题,所以日后会不会又被其他理论给取代了,还是无知数,不过无论如何,科学家还是会愈来愈逼近了解这个宇宙的真实状况!



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