2012年7月,有消息称大型强子对撞机找到了证据希格斯玻色子。科学家们欢欣鼓舞。研究人员鼓掌。物理学家们哭了。大型强子对撞机的铁杆粉丝们也哭了,但其他人基本上都站在旁边咖啡他说:“所以,我们可以穿越时空现在,对吗?”
只要看一眼令人窒息的媒体报道和瑞士物理学家开香槟的画面,外行人就能很容易地明白,发现希格斯粒子是一件大事。但要回答这个“大买卖”与我们的“小生活”究竟有什么关系,就有点棘手了。从实际意义上讲,这到底意味着什么?
广告
首先,让我们建立一个关于大型强子对撞机(LHC)和一般实验的背景,这些实验是在欧洲核研究组织进行的。(我们将用首字母缩写来识别它欧洲核子研究中心(老实说,如果你用的是这家公司的旧名字,而且会说法语的话,这倒是说得通的。)简而言之,大型强子对撞机将质子加速到接近光速,然后将它们撞到一起。碰撞产生的不是大爆炸而是一个微小的爆炸——宇宙开始后几秒钟的极小版本。
在质子碰撞后的瞬间,它们不只是相互弹回。爆炸产生的能量让我们看到更重的粒子。它们非常短暂,在几微秒内就会衰变成其他粒子。但正是这些微小的碎片可以开始回答重大的物理问题。希格斯玻色子就是这样一种粒子,它让科学家们俯首称臣。
希格斯玻色子并不能“解释”物理学,也不是理解宇宙的关键。如果物理学是一个巨大的拼图,发现希格斯粒子可能会帮助我们确定拼图中有一艘船的形象——但它仍然不能把所有的碎片拼凑在一起,甚至不能让我们知道船是否是主题,或者有多少块碎片。对于偶尔被称为“上帝粒子”的东西来说,这似乎有点虎头丧气,这也许可以解释为什么物理学家听到这个词时会畏缩。希格斯粒子可能是我们这一代最重要的物理学发现,但这并不意味着我们弄清楚了我们为什么在这里,或者是什么在控制着我们。
但关于希格斯玻色子不是什么的讨论已经够多了。在我们讨论希格斯粒子的实际“用途”之前,让我们先来谈谈它告诉我们的一些很酷的事情。
迄今为止,对于希格斯粒子为我们所做的一切,最明显的答案是它提供了希格斯场存在的证据。在你皱起眉头,抱怨那个逃避的答案,邀请我们加入你的同义反复俱乐部之前,先听我们把话说完。长期以来,物理学家一直在努力解释为什么他们的方程只有在某些粒子没有质量的情况下才有意义——而事实上,这些粒子确实有一个可观察到的质量。
他们的理论是希格斯场的存在:希格斯玻色子的汤赋予基本粒子质量。这并不是说玻色子给粒子提供了大量的淀粉和脂肪;这是场本身——它完全渗透到宇宙中——使粒子移动得更慢,使它们聚集在一起并产生物质。想象一个弹珠在倾斜的蛋糕罐上快速旋转。在锅里加入一层厚厚的面粉,大理石在移动的过程中突然穿过了谷物。
您可能会看到为什么这个解决方案很吸引人。漂亮的方程式不必改变,因为粒子仍然可以是无质量的,同时也承认它们确实以某种方式增加了质量。
这就是理论和实验结合的地方。通过分解质子来研究类似大爆炸的事件,科学家们能够找到一种粒子,它的行为与他们预测的希格斯粒子的行为非常相似。换句话说,在一段我们只能称之为瞬间的时间里,物理学家可以看到爆炸产生的一些碎片沿着一定的路径,这表明它的行为与已知的粒子不同。它的质量和衰变模式使它在一系列可能的希格斯猜想中脱颖而出。
正如我们之前所说,发现希格斯玻色子主要意味着我们现在有了希格斯场存在的证据。(毕竟,你至少需要一粒沙子来证明海滩的存在。)证明希格斯场的存在是解释宇宙如何获得质量的重要一步。
虽然重要的是要记住希格斯粒子只给电子和夸克等基本粒子提供质量,但这并不意味着它对你我来说都是一样的。欧洲核子研究中心]。问题的核心是:如果没有希格斯粒子的存在,宇宙就无法形成原子和分子。相反,电子和夸克会像光子一样以光速掠过。它们永远无法形成任何一种复合物质。所以宇宙是没有质量的。我们将不复存在,我们认识的任何形式的事物也将不复存在。
发现希格斯玻色子也有助于解释为什么标准模型是正确的。标准模型是描述宇宙最小部分的最重要的物理学理论。除了希格斯玻色子,标准模型中预测的所有粒子都被发现了。因此,发现希格斯粒子对于确认该理论的正确性有很大帮助。
但是,还记得我们说过对拼图游戏的主题只有一个想法吗?完成标准模型可能会让我们把更多的拼图拼凑在一起,但这并不意味着完成拼图本身。这是因为标准模型没有给我们任何关于引力的描述,也没有回答我们关于暗物质和暗能量的任何问题——而暗物质和暗能量占我们宇宙的96%。杰哈]。所以,简单地说我们已经发现了希格斯玻色子的存在——这证实了标准模型——并没有给我们带来更多关于希格斯玻色子之外存在什么的新想法。
更糟糕的是,由于希格斯玻色子的发现,其中一个观点——超对称——正迅速失去动力。超对称理论认为,每个基本粒子都有一个超级伙伴,它将力和物质结合起来,甚至可能是暗物质或能量的基础。不幸的是,当预测表明大型强子对撞机应该能够探测到它们时,它并没有找到这些超级伙伴[来源:杰哈]。因此,希格斯粒子的一个实际“用途”是,它可能会导致科学家不得不重新思考超出标准模型的理论。
但不要觉得自己是命运的傻瓜。请记住,当电磁波在19世纪首次被发现时,我们并不知道它们最终会帮助我们听棒球比赛,用核武器制造冷冻玉米煎饼,或者让我们整天盯着iphone。虽然希格斯玻色子的发现可能还没有任何明显的应用,但它们可能只需要“发现了!”
广告