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解读2013诺贝尔物理学奖：描述世界如何构成2013年诺贝尔物理学奖10月8日在瑞典揭晓，比利时理论物理学家弗朗索瓦•恩格勒 和英国理论物理学家彼得•希格斯因希格斯玻色子的理论预言获奖希格斯玻色子，又称''上帝粒子〃，是最后一种未被发现的基本粒子，也是解释物 质质量之谜的最重要粒子恩格勒今年81岁，希格斯84岁，两人1964年各自提出了希格 斯玻色子理论1964年，恩格勒和罗伯特•布绕特(已故)共同提出希格斯机制与希格斯玻色子理论 同年，彼得•希格斯也在《物理评论快报》发表文章，提出希格斯机制理论希格斯玻色子(Higgs boson)是粒子物理标准模型所预言的一种基本粒子标准模型 是粒子物理学的核心理论，它描述了我们可见宇宙的基本粒子及它们之间的基本相互作用力, 它属于量子场论的范畴，兼容量子力学和狭义相对论标准模型将基本粒子分成两大类：一类是费米子，它组成了物质，它具有半整数的自 旋并遵守泡利不相容原理；另一类是玻色子，它负责传递各种作用力，它拥有整数自旋且并 不遵守泡利不相容原理标准模型中的希格斯机制解释了基本粒子为什么会有质量，简单地讲，就是基本粒子 因为与遍布宇宙间的希格斯场相互作用而拥有了质量。

希格斯子属于玻色子，它是希格斯场 的副产品，它没有自旋，不带电荷，非常不稳定2012年7月4日，欧洲核子中心宣布大型对撞机上的CMS和ATLAS两个实验组分别 探测到疑似希格斯子的新玻色子，2013年3月14日再次发布新闻稿，正式确认了先前探 测到的是希格斯子标准模型共预言了 61种基本粒子，希格斯子是最后一个被实验证实 的解读2013诺贝尔物理学奖：描述世界如何构成北京时间10月8日消息，彼得"W*希格斯(Peter W. Higgs)和弗朗索瓦•恩格勒(Fran*oisEn glert)分享了今年的诺贝尔物理学奖，他们获奖的成果是在1964年提出的一项理论，该理论揭示了粒子是如何获得质量的当时，这两位学者分别独立地发展了这项理论(当时恩 格勒教授是与另一名合作者，现在已经去世的Robert Brout教授共同发展了这项理论)2012 年，他们的理论预言，即所谓希格斯玻色子的存在，得到了位于瑞士日内瓦的欧洲核子中心 实验的证实这项发现是构成粒子物理学标准模型的核心部分之一，这一模型描述我们所生活 的世界是如何构成的根据这一模型，万事万物，从鲜花到人体，再到恒星和行星，所有的 一切都是由少数几种基本材料组成的，那就是物质粒子。

这些粒子受力的控制，以便确保各种粒子各从其类整个标准模型的完成需要存 在一种粒子，那就是希格斯粒子这种粒子源于一种看不见却充斥整个空间的场尽管宇宙 看上去几乎是空的，但是这种场的确存在于那里离开这个场，我们将不复存在，因为正是 借助于与这一场之间的相互作用，粒子才获得了质量恩格勒和希格斯的理论正是描述了这 一过程2012年7月4日，欧洲核子中心(CERN)的粒子物理实验室，研究人员实验证实了 希格斯粒子的存在欧核中心的大型强子对撞机(LHC )可能是迄今人类建造过的最强大也最 复杂的机器正是在这里，两个研究组：ATLAS和CMS(每个研究组都有超过3000名科学 家组成)分别给出其实验数据分析结果，他们在数以十亿计的粒子对撞结果中提取到了希格 斯粒子存在的证据Fran?ois Englert和Peter Higgs在做出这项发现时都是年轻科学家1964年，他 们分别独立地提出一项理论，用于挽救当时濒临崩溃的标准模型几乎半个世纪之后，2012 年7月4日，他们两人都出席了位于日内瓦的欧洲核子中心(CERN)举行的发布会，会上科 学家们宣布他们发现了希格斯粒子的存在，从而终于证实了当年这两位科学家预言的准确性。

创建秩序的模型世界万物是由几种简单的基本粒子构成的，这一想法由来已久在公元前400年，德谟克利特就曾指出任何物体都是由原子组成的，希腊文中'怡tomos〃意思是''不可分的〃今 天我们知道原子其实并非是不可分的它们是由更小的，围绕原子核运行的电子，以及构成 原子核本身的中子和质子构成的更进一步，中子和质子则是由更小的粒子组成的，它们被 称作夸克事实上，根据标准模型给出的结果，仅有电子和夸克是真正不可分的原子核包含两种种类的夸克，上夸克和下夸克因此事实上，我们仅需要三种基 本粒子就可以构成我们所见的所有物质：电子，上夸克和下夸克但是在上世纪50~60年 代，科学家们在原子辐射实验和新建成的加速器实验中都发现了预想不到的新粒子，在这种 情况下，标准模型不得不将这些新发现的粒子包含进它的框架之中除了物质粒子，还有传递力的粒子，它们提供自然界的4大基本力一一强核力、 弱核力、电磁力以及引力引力和电磁力是最广为人知的，它们控制着吸引和排斥，我们可 以用我们的眼睛观察到这些力造成的影响强核力作用于夸克，将质子和中子牢牢固定于原 子核内部，而弱核力则与放射性衰变有关，这一过程是非常重要的，比如太阳的发光机制便 与此有关。

粒子物理标准模型将构成自然界的基本粒子，以及这4大基本力中的3种统一了 起来，而第四种力，即引力，仍然游离在框架之外长久以来，科学家们一直想知道这些力 究竟是如何发挥其作用的？他们对此困惑不已举例来说，一块金属片被磁铁吸引，但是它 怎么会知道那里有一块磁铁？月亮又是如何感知到地球的吸引的？充斥空间的隐形场物理学对此给出的解释是：空间中充满着很多看不见的''场”如引力场，电磁场， 夸克场和其它许多种类的场遍布整个空间，或者更确切的说，是充斥着整个四维的时空标 准模型是一种量子场论，其中场和粒子构成了组成宇宙的基本材料在量子物理学中，任何物质都被视为是量子场中震荡的组合这些震荡被以''小包〃 的形式在场中传递，即所谓的''量子〃，我们可以将其视作一种粒子这里存在两种不同的场： 物质场，其中包含的是物质粒子；以及力场，其中包含的是载力粒子，它们是力的媒介希 格斯粒子同样也是一种场的震荡，通常这种场被物理学家们称作'希格斯场〃离开这个场，标准模型将会像纸牌屋那样坍塌后来，直到Fran?ois Englert , Robert Brout,和Peter Higgs以及后来的几位物理学家提出希格斯场的理论，才最终填补 上标准模型中的缺陷，挽救了标准模型。

这是因为标准模型只有在假定粒子没有质量的情况下才能成立如电磁力，其传 递的媒介是没有质量的光子，这没有问题那么弱核力呢？问题出现了一一其传递媒介是三 种有质量的粒子：两种带电荷的W粒子以及一种Z粒子它们与''身轻如燕"的光子存在本 质不同这样一来就让标准模型面临威胁而此时Fran?ois Englert , Robert Brout,和Peter Higgs等人及时进行了介入，并提出了一种消除这种威胁的天才设想，给出了粒子获得质量 的途径，从而挽救了标准模型鬼魅般的希格斯场希格斯场与物理学中其它场之间存在显著不同其它场都存在强度的变化，并且 在其最低能级时强度降为零但希格斯场并非如此即便你将空间彻底清空，你永远无法清 除希格斯场，它无法被关闭，它永远鬼魅般的存在着但我们不会注意到它，它就像空气对 于我们，水对于鱼儿们一样自然但是离开了它我们却将不复存在，因为正是借助于与这一 场之间的相互作用，粒子才获得了质量正是这一过程让原子和分子的形成成为可能如果 希格斯场突然消失，所有物质都将瞬间崩溃解体，因为在这一瞬间没有质量的电子将会以光 速从原子中逃逸那么究竟是什么让希格斯场如此与众不同？它打破了自然界精妙的对称性。

在自 然界，到处体现着对称性：你的脸基本是对称的，花朵，雪花，它们都显示着某种对称的特 点物理学揭示出其它一些描述我们世界的对称性，尽管其所在的层次可能会更深一些举 一个相对简单的例子，对称性要求当你做一个实验时，不管你是在斯德哥尔摩还是在巴黎， 你应当会得到相同的结果对称性也规定，你在不同的时间进行相同的实验也应当会得到相 同的结果爱因斯坦的狭义相对论在时空框架中讨论对称性问题，它已经构成许多其它理论 的基石，如粒子物理学中的标准模型标准模型中的方程式都是对称的，就像一个球体，无 论你从哪个角度观察，它都是一样的相似的，标准模型给出的方程式，即便观察者的角度 发生变化，这些方程也不会有所改变这种对称性也会产生一些意想不到的结果在1918年，德国数学家Emmy Noether 发现一些物理学中非常基本的守恒定理背后也是对称性，如大家熟知的能量守恒以及电荷守 恒定律然而这种对称性也会带来一些严苛的要求一个球必须是完美的球体，任何一点 突起都会损害其对称性对于方程式来说，情况也是类似在标准模型框架中不允许存在有 质量的粒子，现在我们知道，这明显是不符合自然界实际情况的因此这些粒子一定是从外 部，以某种方式''获得〃了质量的属性。

而这，正是此次物理学奖所奖励的成果：它提供了一 种机制，既保全了这种对称性，又将其掩盖了起来你看不到对称性，但它依旧存在我们的宇宙诞生时可能是对称的在大爆炸发生时，所有粒子都不具有质量，所 有的力都统一为一种单一的原始力形式但这最初的秩序已经不复存在——这种对称性已经 被隐藏起来这件事大约是在宇宙大爆炸之后10-11秒时发生的，希格斯场失去了其最初的 平衡态但这一切为何会发生？一切都是以对称形式开端的这一情形大致可以用一只被置于一个圆形碗内的一 个圆球来描述，即位于其最低能级态当其受到一个推力，这个球开始转动，但很快它又会 回到最低能级态然而，如果这个碗的中心部位出现一个凸起，那么这个球位于碗中央的部位就不 再是稳定的了，尽管它此时仍然保持了对称性此时这个球会向四周任何方向落下去在这 个球落下去之前，这个碗都一直是对称的，但一旦这个球落下去，这个球偏离了碗中央位置 的外表掩盖了碗本身仍然是对称的这一事实相似的，希格斯场打破了这种对称性并在真空 中找到了一种稳定的能级态，但这一能级态是偏离能级为零的位置的这种自发的对称性破 缺也被称作希格斯场相变，就像是水变成冰要想发生相变，需要4种粒子，但是其中只有一种粒子，即希格斯粒子可以幸存下来。

其它3种都会被弱核力消耗：即两种带电的W粒子，以及一种Z粒子，在这一过程 中，这三种粒子获得了质量的属性通过这一途径，标准模型中弱电磁力的对称性得以保全 ——即三种弱核力控制下的重粒子，以及电磁力控制下没有质量的光子之间的对称性得到保 存，只是从视野中被隐去了极端物理学的极端机制今年的这两位获奖者或许没有想到他们当年提出的这项理论会有机会在他们的有 生之年得到验证为了验证他们的理论，来自全球各地的物理学家们做出了巨大的努力长 期以来，两个著名的实验室一一美国芝加哥的费米实验室，以及位于欧洲法国和瑞士边境地 区的欧洲核子中心(CERN), —直致力于对希格斯粒子的搜寻工作然而随着数年前美国费 米实验室Tevatron加速器的停摆，欧洲核子中心就成了全球范围内仍然能够开展希格斯粒 子搜寻工作的唯一机构CERN创立于1954年，当时建立的目的是想在二战的浩劫之后重建欧洲的研究工 作，以及欧洲各国之间的相互关系目前这一机构拥有20个成员国，全球则共有超过100 个国家参与到了这一机构的合作关系当中CERN最大的成就便是这里建成了大型强子对撞机(LHC)设备，这可能是人类有史 以来建成的规模最大，技术最复杂的机器。

两个研究组：ATLAS和CMS,每个都由超过3000 名科学家组成，在这里全力搜寻希格斯粒子的踪迹其探测器被安置在地下100米深处， 每秒可以观测4000万次粒子对撞事件在LHC设备长达27公里的地下隧道中，两束粒子 流被以相反方向射出并发生对撞每隔10小时，科学家们会从相反方向各发射一束质子流1亿亿个质子堆积在一 起并被压缩成一束。