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上帝粒子

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英國理論物理學家希格斯和比利時物理學家恩勒特,因推斷出希格斯玻色子而奪得今年諾貝爾物理學獎。希格斯玻色子又稱「上帝粒子」,是粒子物理學標準模型中最後一種未被發現的粒子,它可以幫助解釋為何其它粒子會有質量,有助了解宇宙起源。兩人對獲獎都表示非常高興。

科學家一直都想了解物質的質量從何而來,以及為何一些物質如光線不含質量。81歲的恩勒特(Francois Englert)在1964年與同僚布魯特(Robert Brout)刊登文章,提出了標準粒子模型理論,84歲的希格斯(Peter Higgs)同年預言一種能吸引其他粒子、進而產生質量的玻色子的存在,即希格斯玻色子。他指出,這種神秘粒子賦予萬物質量、令各式粒子能夠凝聚起來,現代粒子物理學的「標準模型(Standard Model)理論」,才得以自圓其說。如果沒有希格斯玻色子,人類及宇宙中其他所有相連的原子都不會存在,因此這項發現被譽為上世紀最重大的科學成就。

萊德曼表示,當初他稱呼希格斯波色子為「上帝粒子」是因為這粒子「在當今物理學中處於極為中心的位置,對我們理解物質的結構極為關鍵、也極為難以捉 摸」。不過他也開玩笑地補充說另一個原因是「出版社不讓他把這粒子稱作『該死的粒子』(Goddamn Particle),儘管這別稱可能更恰當地表達了希格斯波色子杳無蹤跡的性質以及人們為之所付出的代價與遭受到的挫折感。」然而,許多科學家卻不喜歡這 一稱呼,因為它過分強調了這粒子的重要性和太宗教化。

既然始作蛹者原本有想過把希格斯波色子稱作「該死的粒子」,後來卻以「上帝粒子」成名,我想乾脆把希格斯波色子稱作「該死的上帝粒子」,更兩全其美吧XD 

《上帝的粒子》分成兩部,第一部談發明,第二部談發現。作者巴格特(Jim Baggott)從物質、能量、質量的概念開始說起,描述粒子物理學的理論進程。物理學家為了解釋即有理論的缺陷,讓一個理論接著一個理論的發明,慢慢地讓希格斯玻色子登場。

理論物理學家讓希格斯玻色子上場後,實驗物理學家就要輪番上陣,過關斬將,驗證了希格斯場。而看似撲朔迷離的希格斯玻色子。為了燒大錢驗證標準模型 和找出這個該死的上帝粒子,粒子物理學家米勒(David Miller)輕鬆地向政客解釋希格斯機制,他提出像這樣的比喻:我們可以將希格斯場比擬為在物理學術大會裏均勻分佈的學者。我在物理學界完全沒有名氣 (廢話XD),像我可以輕鬆地低調穿過會場,沒有人會注意到我的存在,就如同希格斯場與零質量光子之間的交互作用。

假若物理大師如希格斯本人進入會場,大 家會被大師的魅力吸引,在大師四周擠成一團。因此,他會獲得很多質量。若以同樣速度穿過會場,他所具有的動量當然會比較大,改變他的移動速度也比較不容 易,必須施加更大的作用力。這還說服了英國政府繼續掏錢贊助CERN。不過希格斯玻色子的研究計畫卻在美國國會胎死腹中,僅剩歐洲還堅持下去。

在CERN,兩組CMS和ALTAS各有上千科學家支援的團隊獨立利用不同方法驗證希格斯玻色子的實驗,在公佈結果前,並沒有串供,這是科學社群良性地競爭,讓科學實驗有再現性的良好範例。科學之所以可以一日千里,就是因為良性競爭造成的「必要的張力」(essential tension)。CMS和ALTAS都有台灣物理學家參與,台灣大學和中央大學的團隊加入CMS,中研院的團隊則加入ALTAS。為了有效處理LHC產 出的龐大資料,中研院與CERN合作設立亞洲首座Tier-1網格維運中心, 大幅提升了台灣學界的研究能量和國際地位。

在這方面,當然又是外行的看熱鬧,內行的看門道。我不是物理學家,當然是看熱鬧為主。因此,對我而言,《上帝的粒子》的第一部討論各各理論的誕生過程,還是有霧裡看花的感覺。《上帝的粒子》的第二部主要是在講故事,讀起來就有趣多了。在臉書上,還有朋友介紹了這個PHD TV上的影片,說他看了才知道LHC在搞什麼飛機……哦不……粒子。

獲譽史上最重要物理學突破

數以百計科學家近年在歐洲核子研究中心(CERN)的大型強子對撞器(LHC)中,一心一意尋找這種「上帝粒子」。於去年7月4日,科學家最終發現一個「類似希格斯玻色子」的新粒子,他們當時謹慎地表示,相信那就是上帝粒子。該發現橫掃當年多個「重大科學發現」排行榜,甚至被稱為「人類歷史上最為重要的基礎物理學突破之一」。

諾獎委員會在其官網公布的頒獎詞中表示,這兩名學者「理論上發現的一種機制,有助我們了解亞原子粒子的質量起源,近期也因發現科學家預言的這種基本粒子,而證實這項理論」。

遺憾逝世同僚無法同獲獎

希格斯對獲獎喜不自勝,感謝瑞典皇家科學院對研究的肯定,並感謝家人、朋友和同事支持。愛丁堡大學校長奧謝(Timothy O'Shea)表示,校方為希格斯獲獎感高興,並向他的研究成就致敬。恩勒特則表示,對得獎感到高興,但同時為當年與他一起發表報告、但於2011年去世的布魯特未能一起獲獎感到遺憾。

致力驗證「上帝粒子」理論的CERN在獎項公布後爆出如雷掌聲,並大開香檳慶祝。中心總監霍伊爾(Rolf Heuer)稱,這是粒子物理學界的重大日子,獲獎是重大成就。有中心研究員稱,雖然得獎的只是兩名科學家,但與此同時獎項亦是對千計在物理學界耕耘者的一次肯定。

「還在開會」 罕有押後1小時公布

物理學獎得主的公布時間比原定時間延後了1個小時,瑞典諾貝爾獎基金會沒有說明原因,只在網站上發布訊息說:「(瑞典皇家)科學院還在開會。」


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