“上帝粒子”的阴错阳差

相关图书: 

希格斯——“上帝粒子”的发明与发现

ISBN: 
978-7-5428-5719-4/N·876
出版日期: 
2013-08
开本: 
16开
页码: 
240
定价(元): 
38.00
作者: 
吉姆·巴戈特
译者: 
邢志忠
  

 

书评作者: 
李剑龙

 

        2013-10-18 08:33:48来源:南方周末

        “如果到明年,瑞典皇家科学院对这项研究会看得更加深入……”

        2012年诺贝尔物理奖揭晓后,英国皇家物理学会的奈特(Sir Peter Knight)爵士用这种虚拟语气谈论希格斯机制的落选。

        2013年10月8日,这种假设变成了现实。两位退休教授,比利时布鲁塞尔自由大学的弗朗索瓦·恩格勒特(François Englert)和英国爱丁堡大学的皮特·希格斯(Peter Higgs)在众人期待中摘得桂冠。

        瑞典皇家科学院给出的获奖理由是,他们“在理论中发现了有助于我们认识亚原子粒子质量起源的机制(注:常被称为希格斯机制),而且它所预言的基本粒子(即希格斯玻色子,俗称上帝粒子)最近也由欧洲核子中心(CERN)大型强子对撞机中的ATLAS和CMS实验发现,从而得到证实。”

        希格斯难寻踪迹

        瑞典皇家科学院尝试了所有号码,都未能第一时间与低调的希格斯取得联系。朋友兼同事沃克说,希格斯不用手机、电脑和电子邮箱,而且几天前就已经出门,连他也不知去了什么地方。为此,《卫报》刊文时选用了一个带有吐槽性质的标题:“获诺奖后的希格斯像希格斯玻色子一样难寻踪迹”。

        希格斯确有远行计划,但并没有付诸行动。“说来也奇怪”,希格斯解释道,当时他独自一人在爱丁堡的一个旧港口享用午餐。品尝了汤和海鳟鱼,喝过散装鲜啤酒之后,他在回家路上被人叫住了。“一位六七十岁的女士下了车,自称是我之前的邻居……听到消息后来向我道贺。我问,‘什么消息?’”此时,希格斯才从她的口中得知自己获得了诺贝尔奖。相比他在CERN刚刚宣布发现疑似希格斯玻色子时流下泪水,希格斯现在的表现尤为淡定。

        “感谢瑞典皇家科学院,得到这个奖让我不知所措。”希格斯随后通过爱丁堡大学发出声明,“我也要祝贺所有帮助发现了这个新粒子的人,感谢我的家人、朋友和同事的支持。我希望这种对基础科学的肯定能够帮助人们更多了解纯理论研究的价值。”

        希格斯今年84岁,他将与希格斯机制的另一独立提出者、现年80岁的恩格勒特平分价值120万美元的奖金。由于本次诺奖的结果公布比预定时间推迟了一小时,恩格勒特一开始没有看到公告,以为自己没有获奖。“但是现在我很高兴。”恩格勒特对媒体说,“我要祝贺他(希格斯),因为我觉得他的工作重要而且杰出。”

        1959年恩格勒特获得布鲁塞尔自由大学博士学位后,赴美国康奈尔大学工作,并结识了物理学家罗伯特·布绕特(R. Brout)。1961年,布绕特随恩格勒特离开美国,来到布鲁塞尔自由大学工作。三年后,他们共同提出了那个让基本粒子获得质量的理论机制,比希格斯的论文稍早。“很遗憾,我一生的同事和朋友罗伯特·布绕特不在这里,无法分享我们合作赢得的奖励。”布绕特于2011年去世,没能迎来实验结果。

        没有提及的研究者

        除了布绕特、恩格勒特和希格斯,本次获奖研究还有另一组独立发现者,他们是美国物理学家,现年77岁的古拉尔尼克(G. Guralnik),76岁的海根(C. R. Hagen)和81岁的英国物理学家基博尔(T. Kibble)。尽管他们六人因此共同获得了美国物理学会颁发的“J.J.樱井理论粒子物理学奖”,但诺贝尔奖一次最多只能颁发给三个人。对此基博尔并不感到惊讶,“虽然我的两位合作者,古拉尔尼克、海根和我都做出了贡献,但毫无疑问在那三篇发表的论文中,我们的论文是最晚的。”基博尔很“高兴”诺奖授予希格斯和恩格勒特的工作,并对他们表示“诚挚的祝贺”。

        “在规则手册和公平决断面前,瑞典人选择了规则手册。”对于未能获得诺奖的遗憾,海根的态度非常直接,“我本来希望,他们的内心深处总可以将我们剩下的五个人都包括在内。”瑞典皇家科学院公布的评奖理由并没有提及海根等人的贡献,这让海根觉得有损于他们研究的重要性。“我当然不会庆祝。”

        同样感到遗憾的还有多年以来与CERN有竞争关系的美国实验物理学家。1993年,由于超导超大型对撞机项目遭美国国会取消,寻找新粒子的领导地位渐渐由CERN一家独揽。 

        需要更改名称

        在1964年以前,人们手中的粒子理论面临着两个无质量的困境。

        一个困境源于杨振宁(1957年诺奖得主)和米尔斯构建的一种量子场论,其中只包含无质量的基本粒子,与实验现象并不符合。而且,人为地直接向其中加入粒子质量项会导致理论本身的不自洽。

        理论物理学家南部阳一郎(2008年诺奖得主)受超导理论中的光子能获得等效质量所启发,试图利用对称性破缺机制改变粒子的运动特性,使之从相互作用中获得质量。但戈德斯通随后证明了一个定理,说明在许多粒子物理理论中,这种做法还会产生实验中从未见过的无质量粒子,于是人们再次遭遇困境。

        1962年,安德森在非相对论性的等离子态中率先解决了对称性破缺引发的无质量困境。他还指出,这个无质量难题很可能会与杨-米尔斯理论中的无质量难题发生抵消。

        但当时的许多物理学家并没有朝着这个方向努力,直到1964年的6月,布绕特和恩格勒特的论文出现在《物理评论快报》的编辑面前。他们发现,在某些条件下,一种标量场的对称性破缺会使杨-米尔斯理论中无质量粒子的运动方式等价于有质量的粒子。当年7月和8月,未读到该论文的希格斯也就这个问题也完成了两篇文章。在第二篇文章中,他讨论了相同的物理机制,并指出这个机制还可能产生一个新的有质量玻色子,这就是后来大名鼎鼎的“希格斯玻色子”。正是这个粒子的提出使这个机制可以被实验检验。他还指出,类似的机制可以应用在弱相互作用理论中,不但可以产生有质量的粒子,还能保证光子不含质量。10月,古拉尔尼克等人独立地更为细致地讨论了相同的结果。

        1967年,美国理论物理学家温伯格将这个抽象机制用在了弱相互作用和电磁相互作用上,成功构建了粒子物理标准模型中的弱电统一理论,并因此分享了1979年诺贝尔物理学奖。中科院高能物理研究所的邢志忠研究员在《希格斯——“上帝粒子”的发明与发现》的译后记中指出,希格斯之所以拥有盛名,可能源于以严谨著称的温伯格在引用文献时的疏忽大意,误将希格斯的第一篇论文排在了第一位。希格斯的第一篇论文发表在《物理快报》的第12卷,如果读者不查阅原文,很容易认为它比布绕特和恩格勒特发表在《物理评论快报》第13卷的论文还要早。

        现在,人们开始改变这种垄断局面。CERN总干事霍耶尔(R-D. Heuer)对诺奖授予粒子物理学研究感到非常激动,“去年CERN对希格斯玻色子的发现证实了布绕特-恩格勒特-希格斯机制(简称BEH机制),这标志着数十年来全世界许多科学家智力努力的高潮。”今年4月,海根也曾对媒体有所表露,“希格斯被当成像摇滚明星一样的人,而我们这些人只是勉强被观众认出来。”他建议这个粒子叫“标准模型标量介子”(Standard Model Scalar Meson),或者简称“SM的平方”。更有人提出以六位科学家的首字母BEHGHK来命名这种粒子或机制。

        然而,诺贝尔奖官方网站发布的2013诺贝尔物理奖科学背景介绍中显示,在1964年与西方隔绝的苏联,两个19岁研究生米格代尔(A. Migdal)和坡里亚科夫(A. Polyakov)也独立完成了相同内容的论文。由于当时苏联科学界的权威反对,他们努力了一年才成功地将论文投给一家学术期刊。瑞典皇家科学院认为,两位苏联学生的研究是第二篇独立于布绕特和恩格勒特机制的研究。也就是说,它的诞生应在希格斯之后,在古拉尔尼克等人之前。可以设想,如果古拉尔尼克等人有冠名权,那么米格代尔等人也不能被忽略。这就解释了瑞典皇家科学院为什么在背景介绍中仅采用了“BEH机制”一词,而且未在颁奖理由中提及其他理论物理学家的贡献。

        究竟属于哪一种模型

        许多人认为恩格勒特和希格斯的获奖是众望所归。但瑞典皇家科学院公布结果时所延迟的一小时又为这个话题引入了新的旋律。中科院理论物理研究所研究员、中山大学教授李淼认为,瑞典皇家科学院在这一小时中讨论的焦点是颁奖词中的“证实”一词。如果没有证实,任何理论都无法获得诺贝尔奖。但CERN在公布实验结果时并未说“证实”,而是说结果强烈暗示新粒子是“一个希格斯玻色子”。

        一方面,CERN的实验虽然在一定程度上确定新粒子的自旋符合BEH机制的预期,但这个实验的精度只有三个标准差,不及粒子物理学新发现通常要求的五个标准差。另一方面,大型强子对撞机已经停机维护,重新开机需要等到2015年。如果要求更精确的结果出现后才为恩格勒特和希格斯颁奖,他们至少还要再等待三年的时间。

        尽管没有人怀疑这个粒子就是一个希格斯玻色子,但瑞典皇家科学院还是在文中指出,除了粒子物理标准模型之外,还有很多替代模型预言了一个或多个希格斯玻色子,以及与BEH机制无关、但性质类似的新粒子。若想确定人们发现的新粒子究竟属于哪一种模型的预言,还需要更精确的实验检验。