本文发表于《大众科学》之前的博客网络,反映了作者的观点,不一定代表《大众科学》的观点
每年,帝国理工学院的皇家科学学院联盟都会举办一场名为科学挑战的论文竞赛。通常有四个问题需要回答,并且对回答最佳的论文颁发多个奖项。
我之前入围过,但今年我终于赢得了一些东西——物理学奖。看看左边的照片,看看我闪亮的奖杯...
我回答的论文问题是“为什么普通人应该关心我们是否发现希格斯玻色子?” 我把它当作一个机会,阐述了为什么粒子物理学很重要...
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从远处来看,它似乎与现实世界完全脱节,但希格斯玻色子比你想象的更融入生活、宇宙和所有事物。
你有没有思考过为什么你的体重是这样的?我并不是指你早上吃的第二个甜甜圈,或者从酒吧回家的路上不应该吃的薯条,而是指构成你身体以及世界上一切事物的原子具有特定质量的根本原因。如果你没有想过,你并不孤单——直到最近,科学家们也没有过多地考虑这个问题。
在粒子物理学的标准模型出现之前,质量的起源甚至不被认为是一个问题;一个物体有质量仅仅是被假设的。但是,当科学家开始在越来越小的尺度上探测物体时,他们发现事情并不那么简单:根据标准模型,基本粒子应该没有任何重量。
标准模型描述了我们已经看到的所有最基本粒子的行为和相互作用——以及另一个特别难以捉摸的粒子,物理学家希望在不久的将来看到它。该模型在20世纪发展起来,并在1970年代确认了构成质子和中子的夸克的存在时最终确定。当时,标准模型预测的许多粒子尚未被发现。从那时起,物理学家们像购物清单上的物品一样,一个一个地勾选了这些粒子。现在,他们只剩下最后一个未被发现的粒子——希格斯玻色子。
爱丁堡大学的理论物理学家彼得·希格斯在1964年提出了希格斯场及其相关粒子——希格斯玻色子的概念。他提出的场延伸到整个宇宙,并以一种赋予它们质量的方式与物质粒子相互作用。在相互作用之后,该场会留下一个明显的迹象——希格斯玻色子。找到希格斯玻色子将证明希格斯场的存在。
作为大型强子对撞机(LHC)一部分的两个实验正在欧洲核子研究中心(CERN)寻找希格斯玻色子。来自世界各地的成千上万的人——包括物理学家、工程师,甚至人类学家——在欧洲核子研究中心工作。如果在那里发现希格斯玻色子,将会喝几杯香槟来庆祝——而且彼得·希格斯肯定会获得诺贝尔奖。
尽管描述希格斯机制的数学很优雅,但它有可能实际上并没有描述自然。在这种情况下,我们必须寻找听起来稍微不那么优雅的“无希格斯”模型来发现质量的起源。一些无希格斯模型使用额外的维度来解决没有希格斯时仍然存在的问题,而另一些则使用不同的数学工具。事实上,一些物理学家对不发现希格斯的前景更兴奋,因为这将为超越标准模型的其他解决方案打开大门,并解决比仅仅是质量起源更多的问题。
因此,至少有一些人认为发现或不发现希格斯将是一个重要的时刻。
但是我们其他人呢?好吧,有很多实际的理由来关心寻找希格斯——如果不是实际的发现。从概念到第一次碰撞及以后,粒子加速器引发了许多技术进步,这些进步可以应用于医学、可持续能源开发和安全等广泛领域。如果我们没有寻找像希格斯这样的尚未被发现的粒子,就不会取得这些进展。
然而,人们怀疑,在运行实验和搜寻希格斯玻色子的迹象时,欧洲核子研究中心的物理学家们所考虑的并不是附带技术及其经济效益。彼得·希格斯告诉《卫报》他最初为什么会被理论物理学所吸引:“这是关于理解!理解世界!”他在物理学界的热情并不反常,即使有时会被长时间盯着计算机屏幕分析数据所削弱。作为人类,我们对周围的世界有着天然的好奇心,我们不应该仅仅因为遵循它的实际好处在一开始并不明确而压制这种好奇心。如果没有这种好奇心,我们所知的现代世界就不会存在。
包括彼得·希格斯本人在内的许多人赞同这样一种观点,即为了理解我们周围的世界而进行的科学研究本身是有价值的。然而,如果你需要一个更具体的原因来关心希格斯,请允许我借用卡尔·萨根的一些话:你所爱的每一个人,你所认识的每一个人,你所听说过的每一个人,每一个曾经存在过的人,都在我们称为地球的淡蓝色圆点上度过了他们的一生——如果没有希格斯玻色子,这一切都不会存在。