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2013诺贝尔物理学奖:描述世界如何构成  

2013-10-08 23:02:20|  分类: 无关技术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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2012年7月4日,欧洲核子中心宣布发现希格斯粒子的会议现场,Fran?ois Englert和Peter Higgs首次见面
 图片来源:欧洲核子中心(CERN)
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宇宙在诞生时可能是对称的,而看不见的希格斯场的对称性则可以被比喻成一只被置于一个圆形碗内的一个圆球来描述。但大爆炸仅仅10-11秒之后,希格斯粒子便偏离了对称中心,抵达其最低能态,从而打破了这种对称性
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这是LHC设备中ATLAS探测器得到了一幅图像,图中4条红线可能是μ子,它们可能是短寿命并瞬间衰变消失的希格斯粒子产生的
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希格斯粒子在产生之后几乎瞬间就会衰变成两个光子,它们留下的路径(图中绿色),可以在这张来自CMS探测器的图像中观察到 图像来源:CERN,
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尽管希格斯粒子的发现最终填补了标准模型中缺失的最后一环,但标准模型本身却并非揭开宇宙终极奥秘的最终一环

  新浪科技讯 北京时间10月8日消息,彼得·W·希格斯(Peter W. Higgs) 和弗朗索瓦·恩格勒(Fran·ois Englert)分享了今年的诺贝尔物理学奖,他们获奖的成果是在1964年提出的一项理论,该理论揭示了粒子是如何获得质量的。当时,这两位学者分别独 立地发展了这项理论(当时恩格勒教授是与另一名合作者,现在已经去世的Robert Brout教授共同发展了这项理论)。2012年,他们的理论预言,即所谓希格斯玻色子的存在,得到了位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心实验的证实。

  这项发现是构成粒子物理学标准模型的核心部分之一,这一模型描述我们所生活的世界是如何构成的。根据这一模型,万事万物,从鲜花到人体,再到恒星和行星,所有的一切都是由少数几种基本材料组成的,那就是物质粒子。

  这些粒子受力的控制,以便确保各种粒子各从其类。整个标准模型的完成需要存在一种粒子,那就是希格斯粒子。这种粒子源于一种看不见却充斥整个空 间的场。尽管宇宙看上去几乎是空的,但是这种场的确存在于那里。离开这个场,我们将不复存在,因为正是借助于与这一场之间的相互作用,粒子才获得了质量。 恩格勒和希格斯的理论正是描述了这一过程。

  2012年7月4日,欧洲核子中心(CERN)的粒子物理实验室,研究人员实验证实了希格斯粒子的存在。欧核中心的大型强子对撞机(LHC)可 能是迄今人类建造过的最强大也最复杂的机器。正是在这里,两个研究组:ATLAS和 CMS(每个研究组都有超过3000名科学家组成)分别给出其实验数据分析结果,他们在数以十亿计的粒子对撞结果中提取到了希格斯粒子存在的证据。

  Fran?ois Englert和Peter Higgs在做出这项发现时都是年轻科学家。1964年,他们分别独立地提出一项理论,用于挽救当时濒临崩溃的标准模型。几乎半个世纪之后,2012年7 月4日,他们两人都出席了位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)举行的发布会,会上科学家们宣布他们发现了希格斯粒子的存在,从而终于证实了当年这两位科 学家预言的准确性。

  创建秩序的模型

  世界万物是由几种简单的基本粒子构成的,这一想法由来已久。在公元前400年,德谟克利特就曾指出任何物体都是由原子组成的,希腊文中 “átomos”意思是“不可分的”。今天我们知道原子其实并非是不可分的。它们是由更小的,围绕原子核运行的电子,以及构成原子核本身的中子和质子构成 的。更进一步,中子和质子则是由更小的粒子组成的,它们被称作夸克。事实上,根据标准模型给出的结果,仅有电子和夸克是真正不可分的。

  原子核包含两种种类的夸克,上夸克和下夸克。因此事实上,我们仅需要三种基本粒子就可以构成我们所见的所有物质:电子,上夸克和下夸克。但是在 上世纪50~60年代,科学家们在原子辐射实验和新建成的加速器实验中都发现了预想不到的新粒子,在这种情况下,标准模型不得不将这些新发现的粒子包含进 它的框架之中。

  除了物质粒子,还有传递力的粒子,它们提供自然界的4大基本力——强核力、弱核力、电磁力以及引力。引力和电磁力是最广为人知的,它们控制着吸 引和排斥,我们可以用我们的眼睛观察到这些力造成的影响。强核力作用于夸克,将质子和中子牢牢固定于原子核内部,而弱核力则与放射性衰变有关,这一过程是 非常重要的,比如太阳的发光机制便与此有关。

  粒子物理标准模型将构成自然界的基本粒子,以及这4大基本力中的3种统一了起来,而第四种力,即引力,仍然游离在框架之外。长久以来,科学家们 一直想知道这些力究竟是如何发挥其作用的?他们对此困惑不已。举例来说,一块金属片被磁铁吸引,但是它怎么会知道那里有一块磁铁?月亮又是如何感知到地球 的吸引的?


  充斥空间的隐形场

  物理学对此给出的解释是:空间中充满着很多看不见的“场”。如引力场,电磁场,夸克场和其它许多种类的场遍布整个空间,或者更确切的说,是充斥着整个四维的时空。标准模型是一种量子场论,其中场和粒子构成了组成宇宙的基本材料。

  在量子物理学中,任何物质都被视为是量子场中震荡的组合。这些震荡被以“小包”的形式在场中传递,即所谓的“量子”,我们可以将其视作一种粒 子。这里存在两种不同的场:物质场,其中包含的是物质粒子;以及力场,其中包含的是载力粒子,它们是力的媒介。希格斯粒子同样也是一种场的震荡,通常这种 场被物理学家们称作“希格斯场”。

  离开这个场,标准模型将会像纸牌屋那样坍塌。后来,直到Fran?ois Englert ,Robert Brout, 和 Peter Higgs以及后来的几位物理学家提出希格斯场的理论,才最终填补上标准模型中的缺陷,挽救了标准模型。

  这是因为标准模型只有在假定粒子没有质量的情况下才能成立。如电磁力,其传递的媒介是没有质量的光子,这没有问题。那么弱核力呢?问题出现了 ——其传递媒介是三种有质量的粒子:两种带电荷的W粒子以及一种Z粒子。它们与“身轻如燕”的光子存在本质不同。这样一来就让标准模型面临威胁。而此时 Fran?ois Englert ,Robert Brout, 和 Peter Higgs等人及时进行了介入,并提出了一种消除这种威胁的天才设想,给出了粒子获得质量的途径,从而挽救了标准模型。

  鬼魅般的希格斯场

  希格斯场与物理学中其它场之间存在显著不同。其它场都存在强度的变化,并且在其最低能级时强度降为零。但希格斯场并非如此。即便你将空间彻底清 空,你永远无法清除希格斯场,它无法被关闭,它永远鬼魅般的存在着。但我们不会注意到它,它就像空气对于我们,水对于鱼儿们一样自然。但是离开了它我们却 将不复存在,因为正是借助于与这一场之间的相互作用,粒子才获得了质量。正是这一过程让原子和分子的形成成为可能。如果希格斯场突然消失,所有物质都将瞬 间崩溃解体,因为在这一瞬间没有质量的电子将会以光速从原子中逃逸。

  那么究竟是什么让希格斯场如此与众不同?它打破了自然界精妙的对称性。在自然界,到处体现着对称性:你的脸基本是对称的,花朵,雪花,它们都显 示着某种对称的特点。物理学揭示出其它一些描述我们世界的对称性,尽管其所在的层次可能会更深一些。举一个相对简单的例子,对称性要求当你做一个实验时, 不管你是在斯德哥尔摩还是在巴黎,你应当会得到相同的结果。对称性也规定,你在不同的时间进行相同的实验也应当会得到相同的结果。爱因斯坦的狭义相对论在 时空框架中讨论对称性问题,它已经构成许多其它理论的基石,如粒子物理学中的标准模型。标准模型中的方程式都是对称的,就像一个球体,无论你从哪个角度观 察,它都是一样的。相似的,标准模型给出的方程式,即便观察者的角度发生变化,这些方程也不会有所改变。

  这种对称性也会产生一些意想不到的结果。在1918年,德国数学家Emmy Noether发现一些物理学中非常基本的守恒定理背后也是对称性,如大家熟知的能量守恒以及电荷守恒定律。

  然而这种对称性也会带来一些严苛的要求。一个球必须是完美的球体,任何一点突起都会损害其对称性。对于方程式来说,情况也是类似。在标准模型框 架中不允许存在有质量的粒子,现在我们知道,这明显是不符合自然界实际情况的。因此这些粒子一定是从外部,以某种方式“获得”了质量的属性。而这,正是此 次物理学奖所奖励的成果:它提供了一种机制,既保全了这种对称性,又将其掩盖了起来。

  你看不到对称性,但它依旧存在

  我们的宇宙诞生时可能是对称的。在大爆炸发生时,所有粒子都不具有质量,所有的力都统一为一种单一的原始力形式。但这最初的秩序已经不复存在 ——这种对称性已经被隐藏起来。这件事大约是在宇宙大爆炸之后10-11秒时发生的,希格斯场失去了其最初的平衡态。但这一切为何会发生?

  一切都是以对称形式开端的。这一情形大致可以用一只被置于一个圆形碗内的一个圆球来描述,即位于其最低能级态。当其受到一个推力,这个球开始转动,但很快它又会回到最低能级态。

  然而,如果这个碗的中心部位出现一个凸起,那么这个球位于碗中央的部位就不再是稳定的了,尽管它此时仍然保持了对称性。此时这个球会向四周任何 方向落下去。在这个球落下去之前,这个碗都一直是对称的,但一旦这个球落下去,这个球偏离了碗中央位置的外表掩盖了碗本身仍然是对称的这一事实。相似的, 希格斯场打破了这种对称性并在真空中找到了一种稳定的能级态,但这一能级态是偏离能级为零的位置的。这种自发的对称性破缺也被称作希格斯场相变,就像是水 变成冰。

  要想发生相变,需要4种粒子,但是其中只有一种粒子,即希格斯粒子可以幸存下来。其它3种都会被弱核力消耗:即两种带电的W粒子,以及一种Z粒 子,在这一过程中,这三种粒子获得了质量的属性。通过这一途径,标准模型中弱电磁力的对称性得以保全——即三种弱核力控制下的重粒子,以及电磁力控制下没 有质量的光子之间的对称性得到保存,只是从视野中被隐去了。

  极端物理学的极端机制

  今年的这两位获奖者或许没有想到他们当年提出的这项理论会有机会在他们的有生之年得到验证。为了验证他们的理论,来自全球各地的物理学家们做出 了巨大的努力。长期以来,两个著名的实验室——美国芝加哥的费米实验室,以及位于欧洲法国和瑞士边境地区的欧洲核子中心(CERN),一直致力于对希格斯 粒子的搜寻工作。然而随着数年前美国费米实验室Tevatron加速器的停摆,欧洲核子中心就成了全球范围内仍然能够开展希格斯粒子搜寻工作的唯一机构。

  CERN创立于1954年,当时建立的目的是想在二战的浩劫之后重建欧洲的研究工作,以及欧洲各国之间的相互关系。目前这一机构拥有20个成员国,全球则共有超过100个国家参与到了这一机构的合作关系当中。

  CERN最大的成就便是这里建成了大型强子对撞机(LHC)设备,这可能是人类有史以来建成的规模最大,技术最复杂的机器。两个研究 组:ATLAS和 CMS,每个都由超过3000名科学家组成,在这里全力搜寻希格斯粒子的踪迹。其探测器被安置在地下100米深处,每秒可以观测4000万次粒子对撞事 件。在LHC设备长达27公里的地下隧道中,两束粒子流被以相反方向射出并发生对撞。

  每隔10小时,科学家们会从相反方向各发射一束质子流。1亿亿个质子堆积在一起并被压缩成一束狭窄的粒子流——这非常不容易,因为质子带有正电 荷,它们会互相排斥。随后这一质子流被以99.99999%的光速发射出去,当撞击发生时,每个质子的能量约为4 TeV,两两相撞时总体则约为8 TeV(1 TeV=1万亿电子伏特)。1TeV听上去可能并不是很大的能量,其或多或少也就与一只飞行中的蚊子相当,但当这些能量被压缩在单个的质子之中,并且你同 时拥有500万亿个这样的质子在加速器中疯狂运行,其具备的能量则与一辆全速行进中的火车相当。而经过升级改造,到2015年,LHC能够达成的能级还将 翻一倍。

  谜中之谜

  粒子实验有时被比作同时砸碎两块瑞士手表以检查它们的结构,但它实际上更加困难,因为科学家要寻找的是全新的粒子,它们是碰撞释放出的能量所创造出来的。

  根据爱因斯坦的著名公式E = MC 2 ,质量是一种能量。正是这个神奇的方程式使两个物体在碰撞时能够创造出新的物质,即使对无质量粒子来说也是如此。两个光子碰撞会产生一个电子和它的反粒子——正电子;如果如果能量足够高,两个胶子碰撞能够产生一个希格斯粒子。

  质子像装满了粒子——夸克、反夸克和胶子——的小袋子。这些粒子中的大多数彼此相安无事,两个粒子群相撞时,平均只有二十个粒子会完全正面碰 撞。在10亿次碰撞中,只有不到一次碰撞是进行到底的。这可能听起来不多,但每一次这样的碰撞都会导致约一千个粒子的剧烈爆炸。当能量达到125 GeV时,希格斯粒子的质量居然超过质子一百倍,这就是为什么它是如此难以被创造出来的原因之一。

  然而,这项实验还远没有结束。CERN的科学家们希望在未来数年内取得更大的突破。尽管他们发现希格斯粒子这件事便已经可以载入史册,这是标准 模型中缺失的一环,但是这并不就意味着我们揭开了宇宙的终极奥秘。就举其中一个例子,根据标准模型,中微子应当是没有质量的,然而近期的一些研究却发现这 种粒子似乎的确拥有质量。另一个原因是,标准模型只能对可见物质进行描述,而可见物质仅仅占到整个宇宙中所有物质总量的1/5左右。我们对于神秘的暗物质 的本质仍然知之甚少。

  我们无法直接观测到暗物质,但是却可以通过其施加的引力作用感知到它的存在,正是由于暗物质的引力作用,宇宙中的星系才不至于解体。暗物质几乎 完全不会与可见物质发生反应。然而我们现在知道希格斯粒子是与众不同的,或许它将帮助在这两种完全不同的两者之间建立起某种联系。科学家们希望能捕捉到暗 物质的身影,哪怕仅仅是一瞬间。为此,在未来数十年间,他们将在LHC设备上继续努力工作。

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