本文發表於《大眾科學》之前的部落格網路,反映了作者的觀點,不一定代表《大眾科學》的觀點
每年,帝國理工學院的皇家科學學院聯盟都會舉辦一場名為科學挑戰的論文競賽。通常有四個問題需要回答,並且對回答最佳的論文頒發多個獎項。
我之前入圍過,但今年我終於贏得了一些東西——物理學獎。看看左邊的照片,看看我閃亮的獎盃...
我回答的論文問題是“為什麼普通人應該關心我們是否發現希格斯玻色子?” 我把它當作一個機會,闡述了為什麼粒子物理學很重要...
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從遠處來看,它似乎與現實世界完全脫節,但希格斯玻色子比你想象的更融入生活、宇宙和所有事物。
你有沒有思考過為什麼你的體重是這樣的?我並不是指你早上吃的第二個甜甜圈,或者從酒吧回家的路上不應該吃的薯條,而是指構成你身體以及世界上一切事物的原子具有特定質量的根本原因。如果你沒有想過,你並不孤單——直到最近,科學家們也沒有過多地考慮這個問題。
在粒子物理學的標準模型出現之前,質量的起源甚至不被認為是一個問題;一個物體有質量僅僅是被假設的。但是,當科學家開始在越來越小的尺度上探測物體時,他們發現事情並不那麼簡單:根據標準模型,基本粒子應該沒有任何重量。
標準模型描述了我們已經看到的所有最基本粒子的行為和相互作用——以及另一個特別難以捉摸的粒子,物理學家希望在不久的將來看到它。該模型在20世紀發展起來,並在1970年代確認了構成質子和中子的夸克的存在時最終確定。當時,標準模型預測的許多粒子尚未被發現。從那時起,物理學家們像購物清單上的物品一樣,一個一個地勾選了這些粒子。現在,他們只剩下最後一個未被發現的粒子——希格斯玻色子。
愛丁堡大學的理論物理學家彼得·希格斯在1964年提出了希格斯場及其相關粒子——希格斯玻色子的概念。他提出的場延伸到整個宇宙,並以一種賦予它們質量的方式與物質粒子相互作用。在相互作用之後,該場會留下一個明顯的跡象——希格斯玻色子。找到希格斯玻色子將證明希格斯場的存在。
作為大型強子對撞機(LHC)一部分的兩個實驗正在歐洲核子研究中心(CERN)尋找希格斯玻色子。來自世界各地的成千上萬的人——包括物理學家、工程師,甚至人類學家——在歐洲核子研究中心工作。如果在那裡發現希格斯玻色子,將會喝幾杯香檳來慶祝——而且彼得·希格斯肯定會獲得諾貝爾獎。
儘管描述希格斯機制的數學很優雅,但它有可能實際上並沒有描述自然。在這種情況下,我們必須尋找聽起來稍微不那麼優雅的“無希格斯”模型來發現質量的起源。一些無希格斯模型使用額外的維度來解決沒有希格斯時仍然存在的問題,而另一些則使用不同的數學工具。事實上,一些物理學家對不發現希格斯的前景更興奮,因為這將為超越標準模型的其他解決方案開啟大門,並解決比僅僅是質量起源更多的問題。
因此,至少有一些人認為發現或不發現希格斯將是一個重要的時刻。
但是我們其他人呢?好吧,有很多實際的理由來關心尋找希格斯——如果不是實際的發現。從概念到第一次碰撞及以後,粒子加速器引發了許多技術進步,這些進步可以應用於醫學、可持續能源開發和安全等廣泛領域。如果我們沒有尋找像希格斯這樣的尚未被發現的粒子,就不會取得這些進展。
然而,人們懷疑,在執行實驗和搜尋希格斯玻色子的跡象時,歐洲核子研究中心的物理學家們所考慮的並不是附帶技術及其經濟效益。彼得·希格斯告訴《衛報》他最初為什麼會被理論物理學所吸引:“這是關於理解!理解世界!”他在物理學界的熱情並不反常,即使有時會被長時間盯著計算機螢幕分析資料所削弱。作為人類,我們對周圍的世界有著天然的好奇心,我們不應該僅僅因為遵循它的實際好處在一開始並不明確而壓制這種好奇心。如果沒有這種好奇心,我們所知的現代世界就不會存在。
包括彼得·希格斯本人在內的許多人贊同這樣一種觀點,即為了理解我們周圍的世界而進行的科學研究本身是有價值的。然而,如果你需要一個更具體的原因來關心希格斯,請允許我借用卡爾·薩根的一些話:你所愛的每一個人,你所認識的每一個人,你所聽說過的每一個人,每一個曾經存在過的人,都在我們稱為地球的淡藍色圓點上度過了他們的一生——如果沒有希格斯玻色子,這一切都不會存在。