来源:未读
利昂·莱德曼(Leon Max Lederman,1922-2018),前费米国家加速器实验室主任,美国科学促进会理事会主席。他主持设计了超导超级对撞机建造计划,是“上帝粒子”一词的提出者。1988年因发现μ子中微子获得诺贝尔物理学奖。今日是利昂·莱德曼诞辰100周年,推荐莱德曼撰著的科普读物,以表纪念。
(文末有直播活动)
“
“鸽王”韦布望远镜终于交作业了,人们得以看到更高清的宇宙。在我们为宏观宇宙的精彩而欢呼时,微观世界其实也迎来了特殊的时期——今年是“上帝粒子”宣布发现10周年。
这个名词的发明者、诺贝尔物理学奖得主莱德曼专门为它写了一本书,就叫《上帝粒子》。近期,这部经典科普著作由「未读·探索家」重装出版。
“上帝粒子”是什么,它为何如此重要?本文就为大家揭秘“上帝粒子”。
2012年7月4日,欧洲核子研究中心(CERN)在瑞士日内瓦召开发布会,在拥挤的礼堂中,他们宣布,发现了与希格斯玻色子特性一致的新粒子。
当天,英国的《泰晤士报》评论说,这一发现的意义,如同人类当初发现万有引力、进化论、DNA双螺旋结构等一样重要。
(Credit:CERN)
01
物质的最基本成分是什么?这是粒子物理学研究的终极目的。
历史上第一位有名的粒子物理学家是德谟克利特,一位古希腊的哲人。
德谟克利特认为,物质是由无数不可分割的粒子组成的,这种粒子,他管它叫“原子”。
原子到底是什么?物理学家和化学家探索了2000年。
1808年,英国人道尔顿提出了近代意义上的“原子论”,即化学中各元素的最小单位,如氢原子、氧原子、碳原子等。他以为,这就是组成物质的最小粒子了。
然而,原子中有原子核和电子,原子核又可分为质子和中子,而质子与中子也是复合粒子,由夸克组成……
直到20世纪90年代,物理学家才基本确定了基本粒子家族的成员,包括轻子(如电子、中微子、μ子等)和夸克,以及能够传递作用力的信使粒子(如传递电磁力的光子、传递强力的胶子等)。这便是所谓的“标准模型”(Standard Model)。
02
常有人穿白T恤,但不是纯白,上面会印些奇怪的东西,比如
E=mc²
或是稍复杂些,有四个公式的,与电和磁什么的有关系的那个,由一个苏格兰大胡子总结的方程组。
(T恤衫上的图案是以麦克斯韦的名字命名的方程组)
他们说这是“美”的,最简单的式子,却概括了整个世界的真理。
在月球上,一把铁锤和一根羽毛会同时落地,就像当年阿波罗十五号航天员大卫·斯哥特演示过的那样。
但在地球上,无疑羽毛会稍后落地,这是常识,因为空气阻力破坏了原有的简洁之美。
(Credit:NASA)
一个在非常高的温度下充满水蒸气的完美球体,它是简洁、均一的。
但如果我们对整个系统进行冷却的话,最后就会得到一池水,有些冰漂在水面上,剩余的水蒸气则在水面上方。一切看起来更复杂了。
还有更经典的的“墨西哥帽”比喻:对称的卷边围绕着对称的圆顶。在圆顶的顶端有一个珠子。看起来,它具有完美的旋转对称性。
然而,当珠子下落到一个更为稳定(低能量)的位置,即帽子边缘的某个地方时,对称性就被破坏了。
宇宙本来如钻石般简洁、优雅,但缺陷使它丰富。
“上帝粒子”宛如蜜糖,粘滞宇宙中不同的粒子,使它们沉重;粘滞的程度不同,粒子最终的质量也不同,于是一切变得复杂而多彩。大哉希格斯玻色子,是它赋予了万物质量。
03
希格斯玻色子何以赋予万物质量?要解释并不容易。
1993年,英国的科学大臣威廉·瓦德格拉夫为此悬赏一瓶上好的香槟,寻找“最佳的非专业解释”。
最终,来自伦敦大学学院的粒子物理学家大卫·米勒一举夺魁。他是这么说的:
我们知道,质量可以看作运动阻力的量度。也就是说运动阻力越大,便意味着质量越大。
假设一群物理学家聚集在一个房间中。
此时,来了一位非常著名的物理学家,引起了一阵不小的轰动——每一步都吸引着仰慕者过来,与他进行强烈的互动。这位科学明星被崇拜者包围,运动得很困难,总要停下来握手、签名、聊天。
此时,每个粉丝就像一个希格斯玻色子,众多粉丝便形成了一个“希格斯场”,明星的运动阻力于是变大——获得了质量。
如果来的是一个不那么受欢迎的科学家,那么就简单了。根本没什么人会理会他。你会看到,他在房间里移动得很容易——也就是说,他与希格斯玻色子的相互作用更小,因此他的质量也更小。
读者朋友们,你把明星科学家换成吴彦祖,普通科学家换成祖迷,也一样适用。
04
听说过“上帝粒子”之名的人很多,听说过“希格斯玻色子”之名的人很少。
“上帝粒子”之名,来自一部曾影响全球的经典科普著作《上帝粒子》。作者是著名粒子物理学家、诺贝尔奖得主利昂·莱德曼(1922—2018)。
在书中,莱德曼以生动幽默的语言,讲述了人类探索物质本质的宏大历程。
点击图片,即可购买
《上帝粒子》
诺贝尔物理学奖获得者莱德曼
经典科普畅销书
已经由「未读·探索家」重装出版
莱德曼将希格斯玻色子作为粒子物理学探索历程中的一个里程碑。他曾任美国费米实验室主任,主导了超导超级对撞机项目,目的就是寻找希格斯玻色子。
这个项目花费不菲,而希格斯粒子又是那样难以追寻。这难免令人烦恼。因此,利昂·莱德曼埋怨它为“该死的粒子”(goddamn particle)”。
不过,在这本书即将出版的时候,合作者意识到不妥,稍作变通,删掉了几个字母,便成了如今大名鼎鼎的“上帝粒子”(God Particle)。
“上帝粒子”之名后来也曾陷入争议,就如利昂·莱德曼后来所说:“书名得罪了两种人:信奉上帝的人,以及不信上帝的人。处于中间的倒是乐于接受。”
(Credit:fermilab)
05
在CERN宣布发现上帝粒子后不久,人们又对它的名字展开了讨论。
《新科学家》杂志曾发起过一次投票:“既然科学家已经找到了希格斯粒子,我们还该叫它‘上帝粒子’吗?”3天内,投票吸引了众多的推荐和转发。最终的结果是,79%的人支持仍把希格斯粒子叫作“上帝粒子”。
这79%的人给出了理由:它的确担当得起这个响亮的名字,正是它给了万物以质量,让宇宙成为宇宙的样子。
未来智能实验室的主要工作包括:建立AI智能系统智商评测体系,开展世界人工智能智商评测;开展互联网(城市)大脑研究计划,构建互联网(城市)大脑技术和企业图谱,为提升企业,行业与城市的智能水平服务。每日推荐范围未来科技发展趋势的学习型文章。目前线上平台已收藏上千篇精华前沿科技文章和报告。
如果您对实验室的研究感兴趣,欢迎加入未来智能实验室线上平台。扫描以下二维码或点击本文左下角“阅读原文”