今年的诺贝尔物理学奖比往年更醒目,不光因为许多人一两年前就猜中了结局,也因为上帝粒子本身无比关键。证实了它,宇宙微观构造图一段众所瞩目的虚线,就可以填实了。
“这是一份沉甸甸的诺奖。”清华大学教授何红建长期研究质量起源,他评论说,“‘上帝粒子’是描述自然界基本结构的‘标准模型’中最后一个被发现的粒子,也可以说是最重要的一个粒子,它涉及自然界一切基本粒子质量的起源,故名为‘上帝粒子’。”
质量规范场搞“粒子歧视”
重如泰山,轻如鸿毛,啥东西都有质量,但学过高中物理的人知道,光子没有质量。它为何特殊?换个问法:别的粒子为什么有质量呢?
光子被归类为规范玻色子,玻色子就像是飘渺无定的信使,服务于“更有存在感”的费米子(比如质子和中子里的夸克,还有中微子和电子)。光子有两个兄弟叫W玻色子和Z玻色子,元素衰变放出能量就是他俩负责跑腿。
1960年代的科学家提出的假想认为,几兄弟在宇宙诞生时是一体。换句话说,弱电力还没分化成为电磁力和弱核力,后来才分化的。但科学家就得解释:为啥光子站在体重计上没读数,它的俩兄弟却是大胖蛋,比质子还重了100来倍。
恩格勒特和希格斯等人提出,有一个弥漫宇宙的场,即使在最平淡的真空里它也存在,W和Z被它影响,而光子则不受影响。这个场被称为“希格斯场”。它还施法于夸克、电子、中微子等几位费米子家族成员,让费米子也具有质量,由此回答了质量起源的疑问。而希格斯粒子,或者说“上帝粒子”,可以认为就是希格斯场“泛起的涟漪”。
有人把希格斯场比喻成游泳池或蜜罐,进去了就会程度不同地被滞阻;还有人把它比为集会大厅——名人一进去步履维艰,无名小辈则畅通无阻。
光子不受影响,W和Z却受影响有了质量,这很不公平,很不对等啊,于是这过程叫“弱电相互作用力的对称性自发破缺”。
弱电对称性自发破缺的研究并非起自希格斯等人。“南部阳一郎于1959年7月就投出一篇文章,研究了超导中的电磁规范不变性和著名的迈斯纳效应。”何红建说,“而希格斯等人的工作显然是基于南部和哥德斯通等人的先前论文,应用到规范对称性自发破缺的。南部因为关于对称性自发破缺机制的开创性工作,于2008年获诺奖。”
标准模型的最后一块砖
南部、恩格勒特和希格斯等人的对称性自发破缺思想,最终被理论物理大师温伯格溶入其在1967年构造的电弱“标准模型”中,如今为我们所关注的“上帝粒子”理论才正式成型。温伯格也因其对标准模型的贡献(电弱统一理论)与格拉肖和萨拉姆分享了1979年诺奖。
“标准模型”是基本粒子领域的中心概念。“它自1950年代发源以来取得了惊人的成功,物理学家为标准模型所做的奠基性工作已先后获得17次诺贝尔物理学奖。”何红建说。算上今年的获奖就有18次了。
在标准模型里,基本粒子被排成一张4乘4的表,各种夸克、中微子、轻子(比如电子)、光子、胶子、玻色子各就其位,纷繁的粒子世界井井有条。
4乘4的表不意味着基本粒子只有16种,比如夸克就有36种——要考虑到对应的反粒子,以及不同“色”的情况。这张表一共涵盖了60种基本粒子。而希格斯玻色子是唯一不在表内的粒子,它是其他粒子质量的终极来源。也就是说,标准模型一共有61种粒子。
温伯格等人编制出“标准模型”表时,W玻色子、Z玻色子、胶子和一些夸克还没被发现,但是其性质已经被标准模型预言了。而1970年代发现的粲夸克和底夸克,1983年发现的W和Z玻色子,以及1995年发现的顶夸克,都符合预言的性质。