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上帝粒子发现之路:物理学家的梦魇

2016-11-10 12:24| 发布者: funinusa_admin| 查看: 3002| 评论: 0

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摘要: 美国华人网-科技新闻-上帝粒子发现之路:物理学家的梦魇 中国自古有盘古开天辟地的传说,说“天地浑沌如鸡子,盘古生其中”。后“天地开辟,阳清为天,阴浊为地”。再后来盘古头顶着天,脚踏着地,致使“天日高一 ...

美国华人网-科技新闻-上帝粒子发现之路:物理学家的梦魇


中国自古有盘古开天辟地的传说,说“天地浑沌如鸡子,盘古生其中”。后“天地开辟,阳清为天,阴浊为地”。再后来盘古头顶着天,脚踏着地,致使“天日高一丈,地日厚一丈,盘古日长一丈”。过了一万八千载,天空变得高而渺远,大地也变得厚而广阔。

神话传说往往是取材于生活,再由文学艺术的加工而成。可见在那个刀耕火种的年代,人们就已经深深地感受到空气的轻盈与大地的厚重。

或许驰骋疆场的战士对这种轻盈有着特别的感受,当他们骑着战马,踏着清风时,感觉万事万物连同自己的身体也变得轻飘飘的。西汉有一件艺术品马踏飞燕,就曾惟妙惟肖地再现了这种奇特的感受。或许登山的农夫对那种厚重有种独到的理解,尤其是在一夫当关万夫莫开的蜀道上,更感觉肩上之物有着生命不堪承受之重。

也正是有了这么多切身的体会,先哲们才有了一个个普通的问题。为什么万物轻重不一?为什么头顶的空气显得轻盈,而脚下的大地让人觉得厚重?

但先哲们没有想到,他们看似平常的问题实际上是异常深邃的。两千多年前,无数哲学家终其一生也无法回答这些问题。

先哲们更没有想到,正是他们这一个个既普通又深邃的问题导致了后来科学的发展和人们认识的巨大飞跃。时光流逝,物换星移,在两千多年后的今天,仍然有一群疯狂的学者试图用自己的青春与热情来回答这些问题。

探索之路

到了十七世纪,牛顿的发现使人们认识到:我们之所以觉得手上的东西沉甸甸的,是因为物体受到了地球的的引力。当人们要克服地心引力将重物举起时,就能够感知到它的重量。

先哲们往往没有想到,所谓“天空高而渺远,大地厚重而广阔”,不是因为头顶的空气与脚下的土地本身有着何种水火不容的性质,而是因为万有引力赋予了它们不同的角色。

牛顿还指出,物体间的引力正比于物体的质量,世界万物在轻重上有巨大的差异,不过是因为它们有着不同的质量(或密度)罢了。

上帝粒子发现之路:物理学家的梦魇
艾萨克·牛顿

正所谓一波未平,一波又起,牛顿解释清楚了世间万物为什么有轻重的差别,却没能解释清楚世间万物为什么会有质量的差别。在这一点上,牛顿比起他的支持者来说更加困惑。或许作为一个虔诚的信徒,牛顿更愿意相信是上帝创造这个世界时赋予了万物不同的质量。

但牛顿的后辈有很多是无神论者,他们不愿接受物体的质量是上帝赋予它们的属性。尽管对牛顿充满敬意,但他们始终固执地认为,存在一种简单而优美的解释,它会告诉我们为什么世间万物的质量会有不同。

幸运的是,亵渎神灵并没有给这些后辈们带来灾难,反而引导他们作出了更加瞠目结舌的发现。又经过了约250年的岁月,在二十世纪伊始,人们深刻地意识到,我们身边的空气、土地、房屋甚至是生物体都不是不可分割的,也不是无限可分的,而是由有限多个十分微小的基本单元构成的。

尽管当时的人们并不清楚这个基本的单元究竟是什么,但这一发现还是让很多年轻人喜出望外,这给予了年轻科学家一个解释物体质量的全新的方式。他们相信,只要知道了物体所含的基本单元的数目和基本单元的质量,我们就能知道物体的质量。

答案初现

不知不觉,历史的长河依旧流淌了两千多年。两千多年的苦苦思索和漫漫追寻,我们似乎找到了那个有关先哲朴素的问题的答案。

随着粒子物理学的飞速发展,经过好几代学者孜孜不倦地奋斗,到了二十世纪六七十年代,科学家终于建立起一个粒子物理学的“标准模型”,它是关于我们世界最小组成单元的理论。至此,我们终于可以回答那个困扰先哲已久的问题——为什么万物有轻与重的差别。

我们也可以回答近代困扰了许多大科学家的谜题——为什么物体的质量会有差别。通过了解世界的最小组成单元,我们一层层地揭开了罩在我们眼前的神秘面纱,了解到一个真实的世界。

上帝粒子发现之路:物理学家的梦魇
标准模型认为我们的世界由图中粒子所组成

“标准模型”给出了组成世界的基本单元的信息,包括它们的种类、质量、电荷、自旋以及它们之间的相互作用。我们现在知道,宇宙万物实际上由夸克和轻子组成,整个世界仿佛是一幅由夸克和轻子排成的复杂而精细的图。

“标准模型”中有一个“希格斯机制”,它解释了组成物质世界的夸克和轻子的质量问题。“标准模型”中还预言有一种新的粒子,叫做希格斯玻色子。

希格斯玻色子还有一个动听的名字,叫做“上帝粒子”。为什么人们将它称之为“上帝粒子”?我不清楚。我想,或许是因为“希格斯机制”和希格斯玻色子解释了基本粒子的质量,它们以一种简单而朴素的方式解释了这个丰富多彩的物质世界,解答了困扰了先哲们那么多年的一个个朴素的问题。

离开了它们,我们就不会理解完整的世界。此时此刻,它俨然是一个全能的上帝,庄严地向世人宣告着自然世界运行的法则。

最后的寻觅

在过去的三四十年里,利用我们先进的加速器和观察设备,“标准模型”预言的基本粒子被人们一个接一个发现,使得越来越多的人认为“标准模型”和我们对世界的理解是正确的。但科学家在兴奋之余仍然会不时地感到隐隐的阵痛,因为希格斯玻色子一直没有被我们发现。

由于能量太高,现有的绝大多数加速器都不能够探测到希格斯玻色子。尽管许多科学家殚精竭虑地寻找希格斯玻色子,它仍然像幽灵一样存在于我们的视野之外。

多少科学家因为希格斯玻色子而寝食难安,“上帝粒子”俨然成了粒子物理学家的梦魇。它是一个娇羞的姑娘,任你千呼万唤,总是不肯露头。这种神秘与“矜持”,似乎正是“上帝粒子”的诱人之处。

进入二十一世纪,曙光初现,欧洲强子中心大型强子对撞机LHC的建造使得我们有能力探索更高能的世界。经过两年多的运行,捷报传来,科学家们终于确定“上帝粒子”的确存在。先哲们古老而朴素的问题得到了真正的解答。



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