解读2013诺贝尔物理学奖:描述世界如何构成

2013年10月08日 21:45   新浪科技 微博   
2012年7月4日,欧洲核子中心宣布发现希格斯粒子的会议现场,François Englert和Peter Higgs首次见面 图片来源:欧洲核子中心(CERN)   2012年7月4日,欧洲核子中心宣布发现希格斯粒子的会议现场,François Englert和Peter Higgs首次见面 图片来源:欧洲核子中心(CERN)
宇宙在诞生时可能是对称的,而看不见的希格斯场的对称性则可以被比喻成一只被置于一个圆形碗内的一个圆球来描述。但大爆炸仅仅10-11秒之后,希格斯粒子便偏离了对称中心,抵达其最低能态,从而打破了这种对称性  宇宙在诞生时可能是对称的,而看不见的希格斯场的对称性则可以被比喻成一只被置于一个圆形碗内的一个圆球来描述。但大爆炸仅仅10-11秒之后,希格斯粒子便偏离了对称中心,抵达其最低能态,从而打破了这种对称性
这是LHC设备中ATLAS探测器得到了一幅图像,图中4条红线可能是μ子,它们可能是短寿命并瞬间衰变消失的希格斯粒子产生的   这是LHC设备中ATLAS探测器得到了一幅图像,图中4条红线可能是μ子,它们可能是短寿命并瞬间衰变消失的希格斯粒子产生的
希格斯粒子在产生之后几乎瞬间就会衰变成两个光子,它们留下的路径(图中绿色),可以在这张来自CMS探测器的图像中观察到 图像来源:CERN,  希格斯粒子在产生之后几乎瞬间就会衰变成两个光子,它们留下的路径(图中绿色),可以在这张来自CMS探测器的图像中观察到 图像来源:CERN,
尽管希格斯粒子的发现最终填补了标准模型中缺失的最后一环,但标准模型本身却并非揭开宇宙终极奥秘的最终一环  尽管希格斯粒子的发现最终填补了标准模型中缺失的最后一环,但标准模型本身却并非揭开宇宙终极奥秘的最终一环

  新浪科技讯 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·ois Englert)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。

  François 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“átomos”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——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?

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