三、尋找希格斯粒子

若干年過去。

人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識實(shí)現(xiàn)了一次次重大突破，每一次都會對人類社會的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。20世紀(jì)30年代對原子核的研究，開辟了人類利用原子能的時代。繼而，高能物理進(jìn)入比原子核更深層次的物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究。人們意識到，一旦微觀層次的奧秘進(jìn)一步被揭示，無疑會給人類帶來新的文明。

世界究竟是由什么組成的？

諸如此類看似簡單卻極為深奧的問題在人們心頭縈繞，從古至今，人們面對蒼穹，發(fā)出各種疑問。隨著科學(xué)的不斷發(fā)展，這些疑問被一個個解答，但是一個個新的疑問又產(chǎn)生了。宇宙展開一條條“隧道”，不斷往前延伸，隨之呈現(xiàn)的秘密變得更加精細(xì)和奇異，尋找答案也變得更加復(fù)雜和困難。

說實(shí)話，作為一個寫慣了日常生活的作家，我一開始接觸物理學(xué)，面對原子、粒子、對撞機(jī)這些話題時，不能不感覺生澀，它似乎離我們太過遙遠(yuǎn)，即使從理論上理解它在多個領(lǐng)域里存在并發(fā)生作用，仍然不知其味。

只有沉下心一步步走進(jìn)去，走進(jìn)那些深邃的通道，才會感覺它與無垠的宇宙相連，然而又奇妙地?zé)o處不在。那些杰出的科學(xué)家就像開掘礦藏的能手，通過他們的掘進(jìn)與發(fā)現(xiàn)，我們才得以知曉世界原來是什么模樣。對世界的看法必定會影響人生的態(tài)度和生活方式。

這一切與哲學(xué)相通。

2500年前，所有的古希臘哲學(xué)家孜孜以求的是他們對自然界的美麗與和諧的感覺，以及他們的邏輯推理和想象的能力。希臘人謹(jǐn)慎地把形式（form）和實(shí)質(zhì)（substance）區(qū)分開來，認(rèn)識到世界是由物質(zhì)組成的，物質(zhì)可以擁有多種不同的形式。公元前5世紀(jì)的西西里哲學(xué)家恩培多克勒（Empedocles）認(rèn)為，這種形式上的多樣性可以簡化為四種基本形式，就是所謂的“古典元素”：土、氣、火和水。那時的人們斷定這些元素是永恒的和不可毀滅的，它們浪漫地組合在一起，又相互沖突而分開，從而形成了世間萬物。

而起源于公元前5世紀(jì)的另一個學(xué)派認(rèn)為，世界是由微小的、不可分的且不可毀滅的物質(zhì)粒子即原子組成的。原子代表所有物質(zhì)的基本組分，負(fù)責(zé)構(gòu)成所有的物質(zhì)。

公元前4世紀(jì)，柏拉圖發(fā)展出一套理論，解釋原子是如何構(gòu)建的，從而組成四種元素。應(yīng)該存在某些最基本的組分，作為不可否認(rèn)的存在，構(gòu)成人們放眼所能看到的物質(zhì)世界的基礎(chǔ)，并賦予其形式和形狀。質(zhì)量是由相互作用的能量組成的，包括無質(zhì)量的基本粒子的相互作用。

終于說到粒子了。

17世紀(jì)初期，正式的實(shí)驗(yàn)科學(xué)興起之后，很快超越了古希臘那種思辨性的思維方式。新時代的科學(xué)家們拿自然界本身來做實(shí)驗(yàn)，找出證據(jù)說明世界實(shí)際是怎樣的。正當(dāng)人們激烈地論證原子的真實(shí)性時，英國物理學(xué)家湯姆孫（Joseph John Thomson）在1897年發(fā)現(xiàn)了帶負(fù)電荷的電子。

在湯姆孫的發(fā)現(xiàn)之后，英國物理學(xué)家盧瑟福（Ernest Rutherford）于1910年在實(shí)驗(yàn)室里又有了驚人的發(fā)現(xiàn)：一個微小的、帶正電荷的原子核處在原子的中心，而帶負(fù)電荷的電子環(huán)繞著原子核運(yùn)轉(zhuǎn)，就像行星環(huán)繞太陽一樣。盧瑟福的實(shí)驗(yàn)揭開了原子的秘密：一個普通原子的直徑約為10-10米，僅有1毫米的千萬分之一，而原子核更小，只是原子的萬分之一。

發(fā)現(xiàn)原子核之后，人們想知道，原子核的內(nèi)部還會有什么呢？最簡單的辦法就是將它擊碎來看一看。于是，尋找“炮彈”，也就是各種加速器的設(shè)想開始活躍起來。

20世紀(jì)20年代，量子力學(xué)誕生。英國物理學(xué)家狄拉克（Paul Dirac）在1927年把量子力學(xué)和愛因斯坦的狹義相對論結(jié)合在一起，提出了反物質(zhì)的概念。

1932年，英國物理學(xué)家查德威克（James Chadwick）發(fā)現(xiàn)了中子。中子本身不帶電，但它與帶正電的質(zhì)子緊挨在一起，組成原子核。

答案是：世界上所有的物質(zhì)都是由元素構(gòu)成的。這些元素種類繁多，從化學(xué)元素周期表中可以看出，從最輕的氫元素一直排到了新發(fā)現(xiàn)的118號元素——。每個元素都是對一類原子的總稱，每種原子含有一個原子核，后者由不同數(shù)目的帶正電荷的質(zhì)子和電中性的中子組成。

到這時，人們意識到，原子并非如古希臘人認(rèn)為的那樣堅(jiān)不可摧，原子是可以改變的，可以從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式。

粒子物理學(xué)從誕生到今天，經(jīng)歷了60多年的時光，取得了巨大的進(jìn)展，目前已經(jīng)形成了一套比較完整的理論——標(biāo)準(zhǔn)模型理論。這套理論能幫助人們系統(tǒng)地認(rèn)識基本粒子大家族，了解物質(zhì)深層次的結(jié)構(gòu)。在標(biāo)準(zhǔn)模型理論的描述里，微觀世界由四種力和三類粒子家族構(gòu)成。

1991年當(dāng)選為中國科學(xué)院院士的加速器物理學(xué)家方守賢，在他的著作《神通廣大的射線裝置》中寫道：

“四種基本力為引力、電磁力、強(qiáng)相互作用力、弱相互作用力。世間萬物的千變?nèi)f化都是通過四種基本力起作用。萬有引力是宏觀世界中物質(zhì)間的相互作用力，而其他三種力均在微觀世界的基本粒子間發(fā)揮作用。電磁力在人們?nèi)粘５纳a(chǎn)、生活中天天遇到，其作用范圍可以延伸到很遠(yuǎn)，叫作長程力。把質(zhì)子和中子緊緊地聚集在一起形成原子核，靠的是它們之間的強(qiáng)相互作用力，也叫核力。核力是短程力，作用范圍在10-13厘米尺度之內(nèi)。”

而三類基本粒子家族是：輕子、夸克和傳遞子。

這些粒子的發(fā)現(xiàn)就如一個個新生兒的誕生，科學(xué)家們儼然是值得依賴的父母，他們給這些粒子起名時，融入了自己對科學(xué)以及藝術(shù)、生活的聯(lián)想。美國科學(xué)家蓋爾曼剛提出基本粒子理論模型時引入夸克，還僅是一種符號，于是從文學(xué)作品中借用了一個當(dāng)時字典里還沒有的詞——“夸克”（quark）。

目前已經(jīng)知道有六種夸克，參與了強(qiáng)相互作用。

然而，粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型理論并非完美，它對一些問題無法給出令人滿意的解釋?？茖W(xué)家在觀察這些基本粒子的時候發(fā)現(xiàn)，有一個奇怪的現(xiàn)象，夸克總是被“囚禁”在強(qiáng)子中，實(shí)驗(yàn)上至今無法把它從強(qiáng)子中釋放出來，變成自由的夸克。這增加了研究夸克的難度，對夸克的認(rèn)識只是通過研究強(qiáng)子的結(jié)構(gòu)間接了解的。

那么，夸克和輕子是否具有更深層次的結(jié)構(gòu)？

它們存在質(zhì)量差別的原因是什么？

粒子的質(zhì)量是從哪里來的？

1964年，比利時物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒特和英國物理學(xué)家彼得·希格斯幾乎同時各自發(fā)表了一篇學(xué)術(shù)理論文章，提出一種粒子場的存在，預(yù)言一種能吸引其他粒子而產(chǎn)生質(zhì)量的玻色子的存在。他們認(rèn)為，這種玻色子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，是電子、夸克等形成質(zhì)量的基礎(chǔ)。一石激起千層浪，這篇文章引發(fā)了物理學(xué)界的激烈爭論，全世界的物理學(xué)家都開始著力尋找“希格斯粒子”。但是，多年未有結(jié)果，有的人認(rèn)為希格斯粒子根本就不存在，完全是一派徒勞；而有的人則認(rèn)為希格斯粒子確實(shí)存在。它或許就像當(dāng)年居里夫人堅(jiān)信在那口大鍋里，所熬煮的金屬中藏匿著神秘的物質(zhì)一樣，考驗(yàn)著人的耐心。

更多的人形容它像一個漂浮的、不可捉摸的幽靈。因此，有人將這個預(yù)言中的尚未被發(fā)現(xiàn)和證明的希格斯粒子稱為“上帝粒子”。

在不相信希格斯粒子存在的著名科學(xué)家中，有偉大的天才科學(xué)家斯蒂芬·霍金。2000年，他與美國物理學(xué)家凱恩打賭，賭金為100美元，他認(rèn)為不可能存在希格斯粒子?？蛇@回他輸了。

看來天才也不是任何時候都能掌握真理，正如林肯所言：“卓越的天才不屑走一條人家走過的路，他尋找迄今沒有開拓過的地區(qū)?！?/p>

2012年7月4日，酷似希格斯玻色子的新粒子在日內(nèi)瓦的歐洲核子研究組織（European Orgnization for Nuclear Research,CERN）被發(fā)現(xiàn)。這一消息瞬間傳遍全世界。這個粒子正是恩格勒特和希格斯1964年假設(shè)或“發(fā)明”出來的，最終由數(shù)十億美元造價的世界上最大的加速器及探測器發(fā)現(xiàn)了。

希格斯本人足足等待了這個粒子48年。

上帝創(chuàng)造了它，但將它藏匿在人類不容易發(fā)現(xiàn)的地方，它既在宇宙深處，其實(shí)也在人類眼前。如何找到它，是給人類的一道試題。

它如此重要，宇宙因它而沒有坍塌，也可能因它而徹底消失。希格斯場原本是一種不可見的、遍及整個宇宙的能量場，假如沒有希格斯場的話，那么宇宙的基本粒子就不會有質(zhì)量，也無法構(gòu)建任何東西。

為了找到它，世界上一些實(shí)驗(yàn)室建造了巨大的加速器，一步步接近目標(biāo)，終于揭開了這個難解之謎。

粒子物理研究每前進(jìn)一步都伴隨著帶電粒子加速器的發(fā)展，意味著要有大量的資金投入、大幅度的技術(shù)提升。在國際上，加速器現(xiàn)已形成多種類型，按能量分成高能加速器、中能加速器、低能加速器；按束流強(qiáng)度分為強(qiáng)流加速器和弱流加速器；按被加速粒子種類分為電子加速器、質(zhì)子加速器和重離子加速器；從外形分為直線加速器、環(huán)形加速器；按實(shí)驗(yàn)方式分為打固定靶加速器和對撞加速器兩種。

不同的加速器服務(wù)于不同的科學(xué)目標(biāo)，方守賢先生曾在《神通廣大的射線裝置》一書中對此做出歸納，讓人一看就能明白加速器的作用：

一是尋找新粒子。如尋找希格斯粒子。

二是研究已知粒子的性質(zhì)。

三是研究作用力。

四是檢驗(yàn)新理論和新思想。

五是歪打正著。

所謂歪打正著，指的是一些意想不到的發(fā)現(xiàn)。

從蒙昧走向光明的中國物理學(xué)界，在20世紀(jì)后半葉，突然意識到，前方可能會有一座巨大的宮殿，它雖然暫時還只在人們的想象之中，但卻是通往科學(xué)彼岸的必經(jīng)之處。

人們開始走近它。

那就是大型高能加速器。