首页 > 社会 > 人物 > 正文

2013年诺贝尔物理学奖获得者: 弗朗索瓦·恩格勒、皮特·希格斯

2013-10-16 10:10 作者:苗千来源:三联生活周刊 2013年第42期
瑞典皇家科学院宣布的颁奖理由对于普通人来说或许有些晦涩,但是大多数人都会立刻联想到一个词:“希格斯玻色子”(Higgs Boson),这个词自从2012年7月起就开始充斥全世界各种媒体的报道。

2012年7月4日,比利时物理学家恩格勒(左)和英国物理学家希格斯在日内瓦参加欧洲核子研究组织举行的一场新闻发布会上交谈
2013年诺贝尔物理学奖获得者:
弗朗索瓦·恩格勒、皮特·希格斯
今年诺贝尔物理学奖授予比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Fran?oisEnglert)和英国物理学家皮特·希格斯(PeterHiggs),他们的获奖理由是“对于我们理解亚原子粒子如何获得质量的机制的理论性发现,这个发现在近期由欧洲核子中心的ATLAS和CMS实验通过大型重子对撞机找到的基本粒子得以确认”。
记者苗千
瑞典皇家科学院宣布的颁奖理由对于普通人来说或许有些晦涩,但是大多数人都会立刻联想到一个词:“希格斯玻色子”(HiggsBoson),这个词自从2012年7月起就开始充斥全世界各种媒体的报道。本届诺贝尔物理学奖的颁发与欧洲核子中心在2012年7月4日宣布发现的希格斯玻色子有直接关系,这个震动世界的发现因为在当时已经错过了2012年诺贝尔物理学奖提名而被拖到了2013年,可以说,很少有这样一届缺乏悬念、“众望所归”的诺贝尔物理学奖,颁给这两位已经白发苍苍的80多岁老人,感谢他们在近50年前对物理学做出的贡献,而这50年,也是人类在基础物理学领域突飞猛进,通过对称性寻求物理学的大统一的50年。
1964年6月26日,比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和他的同事罗伯特·布绕特(RobertBrout)向《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)杂志投寄了一篇论文《对称性残破和规范矢量介子的质量》(BrokenSymmetryandtheMassofGaugeVectorMesons),探讨一种可能使基本粒子获得质量的机制,这篇论文在1964年8月31日发表。几乎与此同时,皮特·希格斯也在同样的领域撰写了一篇论文。希格斯首先把论文投寄到《物理评论》(PhysicsLetters)杂志,却被《物理评论》拒绝接收(他们无法保证可以迅速发表希格斯的论文),于是希格斯在1964年8月31日把这篇名为《对称性残破和规范玻色子的质量》(BrokenSymmetriesandtheMassesofGaugeBosons)的论文转投《物理评论快报》杂志。也正是在这篇只有不到两页的论文中,希格斯首次提出了亚原子粒子获得质量的机制(这种机制后来被称为“希格斯机制”)。他提出在宇宙中可能存在一种无所不在的场(也就是希格斯场),其他基本粒子通过与其相互作用获得质量(美国物理学会已经开放了这两篇论文的权限,提供免费下载)。这最先发表的两篇关于粒子获得质量机制的文章,完成了当时人类构建的“标准模型”中最核心的部分,而之后人类则花费了将近50年去验证这个机制。
物体由何处获得质量?质量的本质又是什么?在牛顿力学中,质量是物体一种固有的性质,物体质量由它的密度和体积决定,这实际上是一个含混而狡黠的定义,因为物体的密度又是由质量来决定。物理学家们一直追寻质量的本质问题,直到找到希格斯玻色子,物理学家们才确定物质获得质量的真正原因。在20世纪上半叶,人类在宇宙射线和粒子对撞机中发现了越来越多的新粒子,这些粒子让物理学家们没有头绪,他们希望在纷繁复杂的表象之下找到真正制约粒子行为和它们之间相互作用的准则。同时,在还原论的思想指导之下,物理学家们希望可以实现不同相互作用之间的“大统一”,这已经成为当今所有物理学家的最高追求。
1864年,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(JamesClarkMaxwell)发表著作《电磁场的动力学理论》(ADynamicalTheoryoftheElectromagneticField),标志着人类统一了电力和磁力,这也是人类第一次统一两种看上去并不相关的相互作用,揭示出它们的共同本质,这也给了人类信心,相信可以在深层次统一所有类型的相互作用,寻找到宇宙的“大统一”理论。但是这项工作却显得艰苦且漫长,至今仍然没有完成。
随着人类对于原子核内部了解的越来越深刻,先后发现了制约原子核放射性的弱相互作用和把原子核结合在一起的强相互,描述原子核内部构造的夸克理论也被提出,如何描述不同粒子间各种相互作用,成为20世纪下半叶物理学的主要课题。“标准模型”正是在这种情况下发展起来的。标准模型理论是一种量子场理论,在这个理论中,粒子和场是宇宙中最基础的组成部分。这个模型包含了人类已知的所有基本粒子(还有几种在当时尚未被发现的粒子),以及三种相互作用(电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用,引力相互作用不在其中),但是这个模型却预测传递弱相互作用的W介子和Z介子不能具有质量——这与实验观测不符,W介子和Z介子很明显都具有质量。
弗朗索瓦·恩格勒、罗伯特·布绕特和皮特·希格斯的理论正是在这种矛盾的情况下出现的,他们在保证原有标准模型成立的前提下,证明了W介子和Z介子也可以拥有质量,通过自发对称性残破机制解决了这个矛盾。同时希格斯也首次预测,在宇宙中其他粒子都是通过和一个无所不在的特殊的“希格斯场”发生相互作用而获得质量(质量的大小则取决于与希格斯场发生相互作用的程度,光子因为不与希格斯场发生相互作用,因此不具有质量),而希格斯场存在的证据,正是由它在空间中的波纹,希格斯玻色子的存在来证明。
希格斯机制是标准模型理论的中心,也是其中至关重要的一环,而希格斯机制是否成功的关键就在于是否能够找到希格斯玻色子。在这场长达半个世纪的寻找中,人类在基础物理学领域取得了长足的进步,但是直到2012年7月4日,欧洲核子中心确认发现了希格斯玻色子(并且在9个月后再次确认了这个发现),标准模型才算真正完成,其中包含的所有粒子都已经出现,粒子之间的相互作用(除了引力)也都被包含在标准模型之中。
标准模型的完成,是人类认识自然界本质的里程碑,但是它远不是人类认识自然界本质的终点。首先,标准模型理论并未包含自然界所有的相互作用,引力始终游荡在标准模型理论之外,而物理学家们对于引力的量子化尝试始终没有成功。其次,标准模型仅仅包含了这三种相互作用,并未实现这三种相互作用的统一(电磁相互作用和弱相互作用已经被统一,但是并未和强相互作用实现统一)。再次,对于人类刚刚认识到的新物质,比如暗物质和暗能量,标准模型也完全没有涉及到,因此,这说明标准模型是一个并不完整却有效的模型。
在20世纪初,物理学家们大多自信已经理解了自然界运转的所有规律(牛顿力学和电磁学),却始终无法解释黑体辐射问题,这个难题最终催生了量子力学。而在21世纪初期,物理学家们发现自己陷入了与20世纪初截然相反却同样尴尬的境地——人类目前所掌握的自然定律无法描述和解释已经观察到的宇宙,但是目前的实验结果却和已知的物理定律符合得很好。种种粒子物理学的实验只是从各个角度证明了标准模型的正确,物理学家们发现他们陷入了自己编织的牢笼——在标准模型的限制下,找不到物理学的突破口来寻找新的理论,而他们又清楚现有的理论并不完备。
那么人类是否有可能找到可以囊括宇宙中一切基本粒子、相互作用,以及一切自然规律的“大统一”理论?是的,起码现在的物理学家们仍然对此抱以信心,并且仍然把这作为物理学研究的最高目标。在没有实验证据的情况下,理论物理学家们仍然热衷于发掘有可能囊括一切的物理学理论,超对称理论,超弦理论,以及其他各种理论,都试图从其他角度或是更高的维度来解释宇宙中目前难以理解或是难以统一的现象。这些理论大多通过数学形式包含了各种相互作用,甚至是暗物质和暗能量,起码在形式上实现了物理学的统一。但是物理学毕竟是一门基于实验的自然科学,在没有经实验证实之前,这些美妙的理论都只是漂亮的数学形式而非确凿的物理定律。这些理论中预测的超粒子、多维度等奇异的粒子或现象至今并没有被实验证实。1993年美国物理学家加来道雄撰写的介绍大统一理论的《超越时空》一书中,作者以极大的热忱介绍各种大统一理论,在当时显然认为这些优美的数学形式本身已经说明它们必定是描绘宇宙规律的定律,通过实验证实这些理论只是个时间问题。但是在20年后,尽管仍然有众多物理学家研究这些课题,却已经没有了当时的自信心。
按照规定,每届诺贝尔物理学奖的得主不能超过三个人。因为弗朗索瓦·恩格勒的合作者罗伯特·布绕特已经于2011年去世,因此本届诺贝尔物理学奖的奖金由弗朗索瓦·恩格勒和皮特·希格斯平分也在人们的意料中。但是对于这样一个持续了半个世纪,举世瞩目的科学项目,最终只有两个人获得这项物理学的最高荣誉是否公平,则是另外一件事了。不止弗朗索瓦·恩格勒、罗伯特·布绕特和皮特·希格斯,在1964年还有其他几位物理学家也相继提出了这个机制,但是他们却无缘诺贝尔奖。
另一个不可忽视的就是寻找希格斯玻色子的实验环节,即使不提早期曾经尝试寻找希格斯玻色子的美国费米国家实验室,也绝不可能忽略在2012年发现希格斯玻色子的工作在欧洲核子中心ATLAS和CMS实验的几千名粒子物理学家。这几千名实验物理学家通过操作人类科学和工程学成果的结晶——大型重子对撞机,进行寻找希格斯玻色子的漫长而艰苦的工作,可以说,是他们最终完成了粒子标准模型,但是这些实验物理学家却不可能获得这项荣誉,这不能不说是诺贝尔奖的遗憾。
瑞典皇家科学院在宣布诺贝尔物理学奖的得主时,极其少见地比预定时间推迟了一个小时,有人风趣地说,人类为了寻找希格斯玻色子花费了将近50年的时间,他们在这一个小时里可能也在焦急地“寻找希格斯”,因为每届诺贝尔奖评选的细节需要保密50年,人们可能永远都无法知道究竟是为什么推迟一小时宣布获奖名单。但实际上瑞典皇家科学院和媒体至今也都没有联系到皮特·希格斯教授本人。
2012年7月4日,在欧洲核子中心召开新闻发布会时,特地邀请了皮特·希格斯教授出席,当他听到发现了希格斯玻色子的消息时,显得非常激动。而在一年多后,当他实至名归获得了物理界的最高荣誉时,却不愿再面对铺天盖地的赞颂,人们很难去想象这位84岁老人的内心感受。也正是在2012年7月4日,皮特·希格斯与弗朗索瓦·恩格勒才首次见面,一年多之后弗朗索瓦·恩格勒对于获得诺贝尔物理学奖显得非常高兴,但是显然并不认为标准模型的完成意味着物理学结构的最终完整,在被问到现代物理学面临的最重要的几个问题时,他认为超对称理论是否成立,暗物质的本质问题,都是物理学家亟须面对和解决的问题,而解决这些问题,可能都需要超出他所完成的标准模型的范畴。这两位物理学家获得诺贝尔物理学奖算得上是人类基础物理学发展的一个里程碑,之后物理学即将进入迷茫的未来,继续寻找宇宙规律中的对称与统一。
2012年7月4日,比利时物理学家恩格勒(左)和英国物理学家希格斯在日内瓦参加欧洲核子研究组织举行的一场新闻发布会上交谈
日内瓦欧洲核子物理实验室内的大型强子对撞机

今年诺贝尔物理学奖授予比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)和英国物理学家皮特·希格斯(Peter Higgs),他们的获奖理由是“对于我们理解亚原子粒子如何获得质量的机制的理论性发现,这个发现在近期由欧洲核子中心的ATLAS和CMS实验通过大型重子对撞机找到的基本粒子得以确认”。

瑞典皇家科学院宣布的颁奖理由对于普通人来说或许有些晦涩,但是大多数人都会立刻联想到一个词:“希格斯玻色子”(Higgs Boson),这个词自从2012年7月起就开始充斥全世界各种媒体的报道。本届诺贝尔物理学奖的颁发与欧洲核子中心在2012年7月4日宣布发现的希格斯玻色子有直接关系,这个震动世界的发现因为在当时已经错过了2012年诺贝尔物理学奖提名而被拖到了2013年,可以说,很少有这样一届缺乏悬念、“众望所归”的诺贝尔物理学奖,颁给这两位已经白发苍苍的80多岁老人,感谢他们在近50年前对物理学做出的贡献,而这50年,也是人类在基础物理学领域突飞猛进,通过对称性寻求物理学的大统一的50年。

1964年6月26日,比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和他的同事罗伯特·布绕特(Robert Brout)向《物理评论快报》(PhysicalReviewLetters)杂志投寄了一篇论文《对称性残破和规范矢量介子的质量》(Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons),探讨一种可能使基本粒子获得质量的机制,这篇论文在1964年8月31日发表。几乎与此同时,皮特·希格斯也在同样的领域撰写了一篇论文。希格斯首先把论文投寄到《物理评论》(Physics Letters)杂志,却被《物理评论》拒绝接收(他们无法保证可以迅速发表希格斯的论文),于是希格斯在1964年8月31日把这篇名为《对称性残破和规范玻色子的质量》(Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons)的论文转投《物理评论快报》杂志。也正是在这篇只有不到两页的论文中,希格斯首次提出了亚原子粒子获得质量的机制(这种机制后来被称为“希格斯机制”)。他提出在宇宙中可能存在一种无所不在的场(也就是希格斯场),其他基本粒子通过与其相互作用获得质量(美国物理学会已经开放了这两篇论文的权限,提供免费下载)。这最先发表的两篇关于粒子获得质量机制的文章,完成了当时人类构建的“标准模型”中最核心的部分,而之后人类则花费了将近50年去验证这个机制。

物体由何处获得质量?质量的本质又是什么?在牛顿力学中,质量是物体一种固有的性质,物体质量由它的密度和体积决定,这实际上是一个含混而狡黠的定义,因为物体的密度又是由质量来决定。物理学家们一直追寻质量的本质问题,直到找到希格斯玻色子,物理学家们才确定物质获得质量的真正原因。在20世纪上半叶,人类在宇宙射线和粒子对撞机中发现了越来越多的新粒子,这些粒子让物理学家们没有头绪,他们希望在纷繁复杂的表象之下找到真正制约粒子行为和它们之间相互作用的准则。同时,在还原论的思想指导之下,物理学家们希望可以实现不同相互作用之间的“大统一”,这已经成为当今所有物理学家的最高追求。

1864年,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clark Maxwell)发表著作《电磁场的动力学理论》(A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field),标志着人类统一了电力和磁力,这也是人类第一次统一两种看上去并不相关的相互作用,揭示出它们的共同本质,这也给了人类信心,相信可以在深层次统一所有类型的相互作用,寻找到宇宙的“大统一”理论。但是这项工作却显得艰苦且漫长,至今仍然没有完成。

随着人类对于原子核内部了解的越来越深刻,先后发现了制约原子核放射性的弱相互作用和把原子核结合在一起的强相互,描述原子核内部构造的夸克理论也被提出,如何描述不同粒子间各种相互作用,成为20世纪下半叶物理学的主要课题。“标准模型”正是在这种情况下发展起来的。标准模型理论是一种量子场理论,在这个理论中,粒子和场是宇宙中最基础的组成部分。这个模型包含了人类已知的所有基本粒子(还有几种在当时尚未被发现的粒子),以及三种相互作用(电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用,引力相互作用不在其中),但是这个模型却预测传递弱相互作用的W介子和Z介子不能具有质量——这与实验观测不符,W介子和Z介子很明显都具有质量。

弗朗索瓦·恩格勒、罗伯特·布绕特和皮特·希格斯的理论正是在这种矛盾的情况下出现的,他们在保证原有标准模型成立的前提下,证明了W介子和Z介子也可以拥有质量,通过自发对称性残破机制解决了这个矛盾。同时希格斯也首次预测,在宇宙中其他粒子都是通过和一个无所不在的特殊的“希格斯场”发生相互作用而获得质量(质量的大小则取决于与希格斯场发生相互作用的程度,光子因为不与希格斯场发生相互作用,因此不具有质量),而希格斯场存在的证据,正是由它在空间中的波纹,希格斯玻色子的存在来证明。

希格斯机制是标准模型理论的中心,也是其中至关重要的一环,而希格斯机制是否成功的关键就在于是否能够找到希格斯玻色子。在这场长达半个世纪的寻找中,人类在基础物理学领域取得了长足的进步,但是直到2012年7月4日,欧洲核子中心确认发现了希格斯玻色子(并且在9个月后再次确认了这个发现),标准模型才算真正完成,其中包含的所有粒子都已经出现,粒子之间的相互作用(除了引力)也都被包含在标准模型之中。

阅读更多更全周刊内容请微信扫描二维码下载三联中读App,注册就有红包哦!

版权声明:凡注明“三联生活周刊”、“爱乐”或“原创”来源之作品(文字、图片、音频、视频),未经三联生活周刊或爱乐杂志授权,任何媒体和个人不得转载 、链接、转贴或以其它方式使用;已经本刊、本网书面授权的,在使用时必须注明“来源:三联生活周刊”或“来源:爱乐”。违反上述声明的,本刊、本网将追究其相关法律责任。
已有0人参与

网友评论

用户名: 快速登录

《立冬》现已上线即刻前往 App Store 搜索“三联生活节气”体验更多精彩。

《霜降》 《寒露》 《秋分》

微博@三联生活周刊
微信:lifeweek
扫描下载三联中读App
三联中读服务号