神秘“上帝粒子”或被發(fā)現(xiàn)

Q：7月初，歐洲核子研究中心宣布發(fā)現(xiàn)了一種新粒子，其特征與號稱“上帝粒子”的希格斯玻色子高度吻合，引起了學界的轟動和社會的關注。但在之前的報道中，我們注意到，您說您不太喜歡“上帝粒子”這個稱呼，總要改口說是“希格斯粒子”。為什么有人會把希格斯粒子稱為“上帝粒子”？您為什么不喜歡這個稱呼？

1964年，英國物理學家彼得?希格斯發(fā)表了一篇學術理論文章，提出了希格斯機制，預言存在一種能使其他粒子獲得質(zhì)量的玻色子。他認為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源。“上帝粒子”是1988年諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼對希格斯玻色子的別稱。

我之所以不喜歡“上帝粒子”這個稱呼，是因為它不準確。科學地講，它是所有基本粒子的質(zhì)量之源。根據(jù)物理學標準模型和大爆炸理論，我們的宇宙起始于一次大爆炸。大爆炸剛發(fā)生時，產(chǎn)生無數(shù)的正反粒子，當然也產(chǎn)生了希格斯粒子。輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質(zhì)量。這些粒子凝聚成物質(zhì)，通過長時間的演化形成了現(xiàn)在的宇宙，由此人們將希格斯粒子比喻成“上帝粒子”。

Q：有媒體說，希格斯粒子是一切物質(zhì)的質(zhì)量之源，那么是不是說世間萬物中應該都存在著希格斯粒子，我們的身體中是不是也存在它呢？

我們的身體都是由分子組成的，分子又是由原子構(gòu)成，原子由原子核和繞核旋轉(zhuǎn)的電子構(gòu)成，原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成。質(zhì)子和中子又是由夸克和膠子組成，而夸克和電子等的質(zhì)量都來源于希格斯粒子。但是希格斯粒子在137億年前的宇宙大爆炸開始后，馬上就衰變掉，沒有了。所以我們身體中沒有希格斯粒子，但有很多夸克、電子等基本粒子。

Q：希格斯粒子究竟有多大？如果它真的存在，物理學家們怎樣找到它呢？

希格斯粒子的質(zhì)量是大約是126.5GeV（GeV是10億電子伏特），是質(zhì)子質(zhì)量的125倍。它的大小，目前我們還沒有測定。你可以想象一下，它相當于幾何意義上的一個點，沒有大小。其他粒子也一樣，比如電子、夸克，都可以理解為幾何意義上的一個點，它們沒有大小。

由于在宇宙大爆炸后，希格斯粒子的使命就完成了，它就沒有了，因此現(xiàn)在我們?yōu)榱苏业剿荒芾么笮蛷娮訉ψ矙C（簡稱LHC）模擬大爆炸起始時刻，重新“制造”出希格斯粒子。怎么制造呢？我們用質(zhì)子與質(zhì)子對撞的方法。質(zhì)子與質(zhì)子對撞，會產(chǎn)生出希格斯粒子，但這概率很小很小。更麻煩的是，希格斯粒子一旦產(chǎn)生就轉(zhuǎn)瞬即逝，十億分之一秒后就會衰變成光子和強子等其他粒子，因此很難找到它。希格斯粒子有幾種衰變模式，其中一種模式就是衰變成雙光子。光子大家知道嗎？太陽光就是由很多很多光子組成，不過太陽光的能量是很低的，屬于電子伏特這個級別。而希格斯粒子衰變出來的光子，能量很高，相當于幾百億電子伏特，比太陽的光子能量高幾百億倍。我們通過探測這雙光子，來反推它是不是由希格斯粒子產(chǎn)生后衰變出來的。

Q：希格斯粒子既然這么難找，那科學家們會通過怎樣的物理科研裝置去捕獲它？

為了捕獲希格斯粒子，我們在LHC上制造了兩個規(guī)模很大、高精度的粒子探測器ATLAS和CMS，來進行光電信號的收集。CMS（緊湊繆子線圈）探測器的外形像一個啤酒桶，有30米高，相當于10層樓那么高，里面塞滿了各種設備。其中測量光子的探測器是用一種晶體做的。探測器端蓋部分的電磁量能器的晶體，由上海一家單位研制，它在尋找希格斯粒子中起到很大作用，因為光子就是靠這個晶體來測量的。ATLAS（超環(huán)面儀器）實驗測量光子利用的是另外一種技術。

Q：之前，物理學大師霍金都不相信希格斯粒子的存在。那么現(xiàn)在物理學家們找到的新粒子究竟是不是希格斯粒子？

英國物理學家彼得?希格斯提出希格斯粒子的存在，認為基本粒子的質(zhì)量是由希格斯粒子提供的，這實際上只是一種猜測，是理論上的一種假設。在未找到希格斯粒子之前，這個假設是對還是錯還不知道。

霍金支持一種超弦理論，在超弦理論中，沒有希格斯粒子的位置。他認為，我們的時空具有更高的維度，比如5維、6維、7維、8維、9維等。在高維度時空中，基本粒子自己能產(chǎn)生質(zhì)量，不需要希格斯粒子提供。他預測，在質(zhì)子與質(zhì)子對撞時會產(chǎn)生小的黑洞。黑洞產(chǎn)生后，會馬上蒸發(fā)掉，然后產(chǎn)生很多強子。但在實驗過程中，我們并沒有發(fā)現(xiàn)他所謂的神秘黑洞，而看到類似希格斯粒子的新粒子。因此，霍金之前出100美金跟人打賭，說希格斯粒子并不存在，他打輸了。

Q：如果這次能夠確認發(fā)現(xiàn)的真是希格斯粒子，對物理學有哪些意義？有人說，發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，我們就能進行時空旅行了，這是真的嗎？

如果能證實這次發(fā)現(xiàn)的就是希格斯粒子，這是我們?nèi)祟愓J識自然的一個里程碑。因為標準模型（所謂標準模型，就是描述基本粒子相互作用規(guī)律的理論）這個理論通過前面的實驗檢驗，是沒有問題的，能被廣泛接受，因為這個體系中的其他粒子都已經(jīng)找到了，只剩希格斯粒子沒有找到。如果希格斯粒子也被找到了，那我們的物理學就有再往前進一步的堅實基礎，它的發(fā)現(xiàn)也會載入科學發(fā)展史冊。

之前也有很多人認為，宇宙間存在著蟲洞、白洞、黑洞等，通過這些洞，人類就可以進行時空旅行。不過，這些說法目前還沒有被證明。希格斯粒子和時空旅行沒有關系。

Q：目前，像歐洲核子研究中心這樣的權威機構(gòu)也尚未確認這次發(fā)現(xiàn)的新粒子就是希格斯粒子，那何時才能最終確定找到的新粒子是否就是希格斯粒子？

要確認新發(fā)現(xiàn)的粒子是否是標準理論預言的希格斯粒子，它的很多性質(zhì)還需要去驗證。但這需要大量的粒子做統(tǒng)計，因為只有幾個粒子是無法測定的。只有當這種粒子很多很多時，我們才能將其性質(zhì)測定清楚。這需要大量的時間，我們現(xiàn)在尋找希格斯粒子的實驗是2010年3月開始的，到目前為止有2年多的時間，但找到的這種新粒子只有十幾個，統(tǒng)計意義還很小。而要搞清楚它的性質(zhì)，需要幾千個上萬個這種粒子才行。因此，要想弄清楚發(fā)現(xiàn)的新粒子是不是希格斯粒子，我們還有很長的路要走。

目前，用于尋找希格斯粒子的強子對撞機，可能還不適合去研究它的性質(zhì)，因此可能還要一個高能的電子對撞機去研究它。這兩種對撞機的基本原理不一樣，強子對撞機是利用質(zhì)子與質(zhì)子對撞，而電子對撞機是利用電子與電子對撞。但電子對撞機的想法剛剛開始提出，正在討論，因此何時才能最終確認找到的新粒子是否是希格斯粒子，現(xiàn)在尚不能確定。

Q：有人在聽到這則新聞時就心有懷疑，覺得這個粒子找到也好，找不到也罷，對普通公眾來說最多只是一時的談資而已，而開展這種時間久、耗費大，又看不出如何能促進經(jīng)濟發(fā)展的科學項目，除了滿足科學家的好奇心外，對我們普通人的生活究竟有多少影響呢？

我們進行的基礎研究，對人類文明進步的貢獻有以下幾個方面：

首先，基礎研究是科學技術發(fā)展的基礎。19世紀初，牛頓力學就能解釋一切。根據(jù)牛頓力學，我們就知道了“宇宙”（實為太陽系）不是以地球為中心而是以太陽為中心，地球圍繞太陽轉(zhuǎn)。牛頓力學還推動了以蒸汽機為代表的英國工業(yè)革命。

20世紀初，物理學發(fā)生了一次革命，建立了量子力學體系，還有愛因斯坦的相對論，這是科學的革命。因為在微觀領域，牛頓力學不適用了，需要量子力學和相對論來代替。量子力學與相對論剛提出來的時候，和我們生活是沒什么關系，但是在這基礎上后來發(fā)展起了很多新技術。比如半導體產(chǎn)業(yè)，就是從量子力學的基礎上發(fā)展起來的，芯片也是。半導體的收音機、電視機、電子計算機、手機等，現(xiàn)在任何工業(yè)都離不開這芯片。正是這些基礎科學研究，一步步推動著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、社會的進步。假如沒有芯片，互聯(lián)網(wǎng)、手機等方便我們生活的設施、設備都無從談起。當然，從基礎研究到真正可以改善我們生活之間還有一個過程，它需要在基礎性研究的基礎上有新的發(fā)明創(chuàng)造。我們對希格斯粒子的研究也不例外，現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)看上去離實用很遙遠，但對未來生活的影響不可估量。

其次，為了進行基礎的、前沿的研究，我們需要很多高新技術。比如，為了尋找希格斯粒子，建造了大型的強子對撞機和探測器，這些技術都是在這些基礎研究上發(fā)展起來的。這些基礎技術在我們生活中也有很多應用。比如加速器在醫(yī)療方面可以治療癌癥。它可以將粒子加速，去攻擊癌細胞，將癌細胞殺死。斷層掃瞄、核磁共振、伽馬刀以及醫(yī)療上診察、診斷的一些設備也都是在粒子探測器的基礎上發(fā)展起來的。再比如保鮮方面，將魚撈起來，再用加速器對其進行測照，殺死里面的細菌，將魚真空包裝以后，不需要防腐劑就可以保存很長時間。另外，在我國，燒煤、燒油等會對大氣產(chǎn)生污染，如果用原子能的話，就會干凈得多。核廢料是件麻煩事，不過現(xiàn)在我們可以用在加速器基礎上發(fā)展起來的技術，來處理核廢料。

探測器方面也有很多的用途。比如研究材料，它的性質(zhì)怎樣？它里面的細微結(jié)構(gòu)怎樣？結(jié)構(gòu)是怎樣影響它屬性的？為了弄清材料的這些問題，就可以用探測器方面的技術如同步光，對它進行測照，根據(jù)探測器探測到的信號，來判斷這種材料的結(jié)構(gòu)和性能。同樣的手段可以用來探測生物大分子、蛋白質(zhì)。比如探測蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)、空間構(gòu)象，以及空間結(jié)構(gòu)在它的生命活動中起了什么作用等，進行生命科學研究。

這些技術幾乎可以應用到所有的學科上，粒子物理學為各種科學研究提供了很好的基礎。在北京的高能物理研究所有一個對撞機，上面還有一個同步輻射裝置，能開展材料研究、生物大分子研究等。因為用戶太多了，所以在上海又建造了一個同步輻射裝置，南方地區(qū)的研究可以到上海的同步輻射裝置那兒進行。現(xiàn)在用戶還是不斷增加，我們還想在北京、廣東造一個更大的裝置，這些都是為了促進其他基礎科學的研究與發(fā)展。可以說，粒子物理研究對其他研究起了一個引領作用。

再舉個例子，我們現(xiàn)在離不開的互聯(lián)網(wǎng)，也是從高能物理研究中發(fā)展起來的。高能研究所是中國第一家使用E-mail的單位，我本人也是在上世紀80年代就開始使用E-mail了，那時全國很多地方都還沒有，只有一些職業(yè)特殊的用戶，才能使用E-mail，以后才推廣到全國的。所以高能物理的研究對我們?nèi)祟愡M步的貢獻是不可小視的。