烧钱的上帝粒子
2012-07-25 16:30 来源: 南都周刊 作者: 编辑: 罗坚梅

文_萧菡 @发现OPS 

原子核发现者、诺奖得主卢瑟福(Ernest Rutherford)曾说过:所有的科学,要么是物理学,要么是集邮。

这句名言几乎就是现代粒子物理学家的致命伤——他们穷尽一生,只为发现一种新粒子,而后得以在物理学界获得一席之地。美国物理学家加来道雄在《高维空间》一书中嘲讽道:标准模型不是物理学,它更像是集邮——仅仅凭借表面上的相似之处,就对那些不甚了解的物质进行归类。

有“上帝粒子”之称的希格斯玻色子,正是“标准模型”所缺失的神秘拼图,因此也成为了量子理论的圣杯。

不能说标准模型是失败的。相反,它太过成功了。过去我们曾以为物质的最小组成部分是原子,但后来人们发现了质子和中子。通过标准模型,物理学家终于意识到,微观的世界由61种基本粒子构成——除了电子是为人熟知的,另有名称各异的夸克,还有中微子、μ子、τ子、光子、胶子、W和Z玻色子……以及它们的反粒子。

绝大多数粒子是可以验证的,欧洲核子研究中心(以下简称CERN)最引以为豪的就是大型强子对撞机(简称LHC),通过让接近光速的质子流对撞,4个巨大的探测器记录下撞击过程中四散的碎片以及它们衰变的轨迹,同时寻找新粒子。基于这样的实验,长篇累牍的数据支持着标准模型和背后的量子理论,以至于每次国际物理学会议都“像一枚批准它的橡皮图章”。

加来道雄描绘说,在一次典型的物理学会议上,他留意到半数人昏昏欲睡,讲演者却一张张地展示图片,喃喃细语,证明这些最新数据是如何符合标准模型。

过去的几十年中,没能诞生第二个爱因斯坦。诚然,提出一种全新的革命性理论,比通过实验发现某个新粒子难太多。

烧钱无底洞

三年前我有幸去过CERN,那是2008年金融海啸后不久。相比日内瓦满街的雷诺与菲亚特,停在实验室门口的定制版跑车和酷得冒烟的机车,彻底颠覆了我对传统科学家的印象。带我们参观的年轻博士,领着美国的工资,住在物价低廉的意大利,日常工作不过是跟踪着瑞士的研究。甚至有笑话说,光CERN就养活了地球上一半的物理学家。

在欧洲经济遭遇重创的今天,拿出具体的研究成果显得异常迫切。要知道,建造LHC不仅花了10年时间,更耗费了47.5亿美元。

据欧洲媒体报道,LHC的运营经费每年高达10亿美元。其中固然有一系列私人赞助商,如英特尔、IBM、甲骨文等科技巨子,但资金来源的大头还是CERN。

2009年的数据显示,德国、法国、意大利和西班牙为CERN的预算共同贡献了55%,此外还有英国的14.7%,甚至泥菩萨过河的希腊也占了2%。

众所周知,此轮欧债危机遭受重创的有希腊、西班牙,而意、法经济预期变坏,英国陷入双底衰退,欧洲主权国家对这种无底洞似的巨资投入意愿已经大大减弱。

拿纳税人的钱来开玩笑,已经让各国议会压力山大。早在2008年LHC启动时,英国政府的首席科学顾问大卫·金就质疑,100亿美元的预算难道没有更好的用处——比如应对全球气候剧变与疾病?

金融压力让类似的高成本项目如履薄冰。2011年,当美国伊利诺斯州费米实验室的原子对撞机Tevatron在寻找希格斯粒子的道路上取得关键进展时,由于预算削减,不得不叫停。

然而,任何与LHC相关的物理学家都坚持说,每一个铜板都是值得的。即使现在还无法预言有什么实质性的益处,(就像当年法拉第被嘲笑“电有什么用”),但距近一个世纪以来最大的发现近在咫尺,实在没理由放弃。

但在这波经济危机中,CERN还是勒紧了腰带——2010年已经把预算降至31.5亿美元,彼时的调整却不针对LHC。

7月4日,在CERN宣称发现希格斯玻色子后,《福布斯》统计,寻找“上帝粒子”的总成本已高达132.5亿美元。《卫报》评论说,这一发现或将鼓舞欧洲的领导人继续买单。

同时,一些市民却认为是“彻头彻尾地浪费时间、金钱和脑力”。试想,若LHC停机一天,所节省的电力几乎就可以为CERN所在地日内瓦的所有住宅供电了。

互联网上不少人猜疑新粒子的公布与CERN的资金压力有关,但美国物理学家沃伊特(Peter Woit)表示CERN并没有迫在眉睫的预算问题,“据我所知,他们的实验项目中未来多年还能够进行,仅仅是指维持LHC运行,而不是修建新设备或对LHC升级。”

最后,他说自己相信“(CERN)没有为了资金而夸大希格斯玻色子的证据”。讽刺的是,在刚过去的6月,CERN颜面尽失地正式收回了去年9月“中微子超光速”的研究成果——急于求成的心态也许正是造成上述乌龙事件的原因之一。

胜利与悲伤

说到希格斯粒子本身,与CERN官方的乐观相对应,老牌科学杂志《自然》以“物理学家发现了新粒子,但它是希格斯吗?”为题,谨慎地谈及这一发现:有一个很像希格斯粒子的新微粒出现了。

不够和谐的是,ATLAS实验室的当事人之一、物理学家穆雷(Bill Murray)说这种新粒子的衰变与理论预测的希格斯粒子还不尽相同——验证它是不是希格斯玻色子的关键就在于其衰变后产生的粒子。末了,穆雷补充说,现在的数据还很初级。

如果这个粒子被证明真的存在,83岁的希格斯(Peter Higgs)将无可置疑地获得那个迟迟不到的诺贝尔物理学奖。

如果爱因斯坦在世,他会为这一发现叫好吗?

可能不会。因为,在爱因斯坦眼中,描述数十种夸克、轻子的标准模型——量子理论的基石,是丑陋的木头,不是广义相对论那样简明而具有美感的大理石;而物理学的至理,绝不是标准模型的完善,而是量子理论与引力的统一——哪怕希格斯玻色子可以完成标准模型的拼图,但标准模型中甚至没有引力的位置——在我们可见的世界里,引力往往比所谓的弱作用力、强作用力更直观。

现代的另一位物理学天才斯蒂芬·霍金,也从没瞧得上希格斯玻色子,他甚至公开打赌说找不到这种粒子(现在他已告诉BBC可能要输掉100美元了)。霍金,仍在研究超弦理论。

《大西洋月刊》报道说,很多物理学家都同意:希格斯玻色子的发现,将是物理学家的胜利,但对物理学来说却是悲伤。

何谓“上帝粒子”

1964年,英国物理学家希格斯提出一种理论,认为空间里存在一种“希格斯场”,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋。这些基本粒子中,容易碰撞希格斯粒子的就较难加速,反之就容易加速。光子在运动时不与希格斯粒子发生碰撞,因而能以光速行进,质量为零。因此希格斯粒子的根本作用就是赋予物质质量。

按照这个理论,假若我们的组成部分里没有希格斯玻色子,那我们每个人就会像光一样,消失无踪。

1993年,诺奖得主、美国物理学家莱德曼(Leon Lederman)在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一书中最早将希格斯玻色子形容为“上帝粒子”,从此这一名称广为流传。 

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