上帝粒子是21世紀(jì)物理學(xué)最重大的發(fā)現(xiàn)，也是標(biāo)準(zhǔn)模型圖最后的一塊拼圖。

上帝粒子是萬(wàn)物的起源。如果沒(méi)有上帝粒子，那宇宙的樣貌也就不可能是如今的樣子，更不可能存在生命，有了上帝粒子，標(biāo)準(zhǔn)模型才得以完善，接下來(lái)物理學(xué)進(jìn)化的方向則是萬(wàn)有理論。

那什么是上帝粒子，為什么它對(duì)構(gòu)建如今的宇宙如此重要。

2012年，對(duì)物理學(xué)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，就在這一年，標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊模板，上帝粒子，即希格斯粒子，在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上被發(fā)現(xiàn)，這也驗(yàn)證了物理學(xué)家在1964年預(yù)言的希格斯機(jī)制。至此人類終于解開(kāi)了困擾物理學(xué)半個(gè)多世紀(jì)的粒子質(zhì)量來(lái)源之謎。

事實(shí)上，到目前為止，我們從來(lái)沒(méi)有直接探測(cè)到希格斯粒子的存在，那為什么物理學(xué)家又言之鑿鑿的確定其存在呢？

所以本期視頻將從希格斯機(jī)制，希格斯場(chǎng)，希格斯粒子的構(gòu)想，建立，原理，以及驗(yàn)證的過(guò)程來(lái)一場(chǎng)探索上帝粒子的旅程。

如今標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子，描述了除引力外，宇宙中所有明物質(zhì)的構(gòu)成以及相互作用力。電磁力由光子描述，強(qiáng)力由膠子描述，弱力由w和z玻色子描述。而原子的構(gòu)成則由夸克和電子描述。

但在希格斯粒子發(fā)現(xiàn)之前，標(biāo)準(zhǔn)模型還存在一個(gè)重大的問(wèn)題，那就是是無(wú)法描述大部分基本粒子的質(zhì)量來(lái)源。比如w和z玻色子在理論預(yù)言中應(yīng)該是靜質(zhì)量為0的粒子，但實(shí)際上它卻帶有固有質(zhì)量。這種質(zhì)量來(lái)源就成了一種謎團(tuán)。

或許你聽(tīng)到這里有點(diǎn)疑惑，在我們的潛意識(shí)中，粒子不應(yīng)該本來(lái)就存在質(zhì)量嗎？為什么粒子的質(zhì)量來(lái)源反而是一種謎團(tuán)。

其實(shí)我們不妨思考一下什么是粒子？

在很多人的印象中，粒子可能類似于一種實(shí)心的小球，其實(shí)這種觀念源于2000多年前，德謨克利特的古典原子論。這種古樸的觀念直到牛頓時(shí)代依舊存在。直到量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)，才徹底摧毀了 粒子即實(shí)心小球 的觀念。

如今我們已經(jīng)知道，原子由原子核和核外電子構(gòu)成。原子核中的質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成。

所以構(gòu)成原子的基本粒子就是夸克和電子。在量子力學(xué)的早期，我們以為夸克和電子就是一種具有波動(dòng)性的能量包。也就是說(shuō)像夸克和電子這樣的基本粒子是沒(méi)有固定位置和形狀的波，它們具有波粒二象性和量子疊加效應(yīng)。但是這種觀點(diǎn)在目前來(lái)看依舊是過(guò)時(shí)的。

標(biāo)準(zhǔn)模型是一種基于量子場(chǎng)論建立起來(lái)的理論框架，所以標(biāo)準(zhǔn)模型對(duì)基本粒子的看法采用的是量子場(chǎng)論的觀點(diǎn)。

在標(biāo)準(zhǔn)模型看來(lái)，所謂的基本粒子只是一種假象，你可以認(rèn)為這個(gè)宇宙本來(lái)不就存在傳統(tǒng)意義上的粒子。宇宙中只存在各式各樣的量子場(chǎng)，量子場(chǎng)沒(méi)有固定的邊界，宇宙有多大，量子場(chǎng)就可以延伸到哪里。每一種量子場(chǎng)都有專屬的激發(fā)能量值。

比如一個(gè)量子場(chǎng)激發(fā)所需的能量值為3，那么只有當(dāng)量子場(chǎng)從外界吸收能量恰好為3的整數(shù)倍時(shí)，才能激發(fā)整數(shù)倍個(gè)粒子。比如能量為9時(shí)，就能激發(fā)3個(gè)粒子。能量為8.99時(shí)，就只能激發(fā)兩個(gè)粒子。多余出來(lái)的2.99個(gè)能量也無(wú)法激發(fā)新的粒子。

事實(shí)上，所謂的基本粒子只是量子場(chǎng)的產(chǎn)物，電子其實(shí)就是電子的量子場(chǎng)激發(fā)。

電子的能量為0.511MeV，所以電子場(chǎng)每吸收一份0.511MeV的能量時(shí)，就會(huì)激發(fā)出一個(gè)相應(yīng)的能量包，這個(gè)能量包的能量會(huì)通過(guò)質(zhì)能方程E=mc2轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的粒子質(zhì)量，所以電子場(chǎng)激發(fā)的能量包擁有的質(zhì)量就是0.511MeV/c2，這個(gè)數(shù)值就是電子的質(zhì)量。

每一種基本粒子都有自己對(duì)應(yīng)的量子場(chǎng)，其量子場(chǎng)的名稱一般以粒子名代替。比如光子對(duì)應(yīng)的是光子場(chǎng)，膠子對(duì)應(yīng)的是膠子場(chǎng)，夸克對(duì)應(yīng)的是夸克場(chǎng)。

每一種量子場(chǎng)激發(fā)粒子所需的能量值都不相同，其數(shù)值是該粒子的質(zhì)量乘以光速的平方。

按照量子場(chǎng)論的預(yù)設(shè)，所有量子場(chǎng)本身都不額外攜帶能量，也就說(shuō)，量子場(chǎng)本身沒(méi)有足夠的能量能激發(fā)出粒子。

這樣一來(lái)，所有的基本粒子都無(wú)法從量子場(chǎng)中獲取能量，也就應(yīng)該沒(méi)有靜止質(zhì)量，但是這和物理事實(shí)并不相符，目前除了膠子和光子沒(méi)有靜止質(zhì)量，其他基本粒子都攜帶質(zhì)量。

那這就意味著量子場(chǎng)得從外界吸收能量以滿足激發(fā)粒子所需的能量。

其實(shí)，在上個(gè)世紀(jì)五六十年代，科學(xué)家就預(yù)想肯定存在一直通用的量子場(chǎng)不斷向外輻射能量，以提供其他量子場(chǎng)的能量攝入，以供它們不斷激發(fā)出有質(zhì)量的粒子。這就是希格斯場(chǎng)的最早構(gòu)想。

但是希格斯場(chǎng)也在量子場(chǎng)論的框架內(nèi)，如果希格斯場(chǎng)要給其他量子場(chǎng)提供能量，那它自身的能量又該從何而來(lái)。

講到這里，就不得不提到物理學(xué)中最神秘的對(duì)稱性破缺問(wèn)題。在物理學(xué)中，對(duì)稱性破缺會(huì)解釋很多現(xiàn)象。比如在宇宙早期，正反物質(zhì)本來(lái)是一樣多的，如今之所以正物質(zhì)多于反物質(zhì)，是由于某種對(duì)稱性自發(fā)破缺造成的，弱力和電磁力本來(lái)也是同一種力，之所以會(huì)分化成兩種力，也是由于某種自發(fā)對(duì)稱性破缺。同樣地，希格斯場(chǎng)自身能獲得能量，也是由于希格斯場(chǎng)自發(fā)對(duì)稱性的破缺導(dǎo)致的。

這種對(duì)稱性破缺就造就了希格斯場(chǎng)可以源源不斷釋放能量，這就是希格斯機(jī)制。

理論上，希格斯粒子的質(zhì)量得足夠大，只有這樣，希格斯粒子才能變得狂躁，越狂躁就越不穩(wěn)定，就越易衰變，衰變就是釋放能量的過(guò)程。

在標(biāo)準(zhǔn)模型圖，左邊這一項(xiàng)是費(fèi)米子，也就是負(fù)責(zé)形成物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基本粒子。費(fèi)米子上面的羅馬數(shù)字一二三，對(duì)應(yīng)的費(fèi)米子的“代”，第一代的費(fèi)米子質(zhì)量最小，第二代，第三代費(fèi)米子質(zhì)量越來(lái)越大。在物理學(xué)中，基本粒子的質(zhì)量越大，越不穩(wěn)定，就越容易衰變。因?yàn)橛钪嬉?guī)律總是遵守著能量最低原理，能量越小，質(zhì)量也就越小，粒子也就越穩(wěn)定。

就和熵增原理一樣，能量總是從高處往低處流動(dòng)。所以在費(fèi)米子中，第二代和第三代粒子很快就會(huì)衰變成第一代粒子，它們存在的時(shí)間也就越短。比如在電子家族中，第三代的τ子的壽命只有2.9×10∧-13秒。μ子的壽命只有2.2×10∧-6秒。而電子是同家族最輕的粒子，它就無(wú)法再衰變了，所以壽命幾乎是無(wú)限的。

現(xiàn)在我們知道，粒子的質(zhì)量越大，越易衰變，衰變的過(guò)程就是釋放能量的過(guò)程，而希格斯粒子的使命就是不斷給其他量子場(chǎng)輸能，所以它的質(zhì)量就得十分大，也就得不斷衰變，不斷釋放能量。在標(biāo)準(zhǔn)模型圖中，希格斯粒子的質(zhì)量?jī)H次于頂夸克。處于基本粒子中，第二大質(zhì)量的位置，質(zhì)量是電子的25萬(wàn)倍。所以希格斯粒子就不斷衰變，不斷釋放能量，如果釋放的能量值恰好是某一量子場(chǎng)論激發(fā)粒子所需的數(shù)值，那么這些能量就會(huì)被這個(gè)量子場(chǎng)吸收，繼而激發(fā)出相應(yīng)的粒子，如果這一粒子不夠穩(wěn)定，那么它被激發(fā)出來(lái)之后就又會(huì)衰變，從而再次釋放能量，然后被其他能量更小的量子場(chǎng)吸收。所以在費(fèi)曼圖上來(lái)看，希格斯粒子衰變的過(guò)程就是不斷產(chǎn)生各種基本粒子的過(guò)程。

在這里要注意一下，中微子的質(zhì)量十分輕，所以中微子十分穩(wěn)定。另外，中微子總是在振蕩，也就是三種中微子總是在不斷相互轉(zhuǎn)化。我們現(xiàn)在一般認(rèn)為中微子質(zhì)量來(lái)源于其自身的振蕩，至于希格斯機(jī)制是否參與中微子質(zhì)量的創(chuàng)造，目前還是物理學(xué)未解決的難題。

講到這里，想必你已經(jīng)大致了解希格斯機(jī)制賦予基本粒子質(zhì)量的原理，那該怎么驗(yàn)證這一猜想。

要想驗(yàn)證希格斯機(jī)制的關(guān)鍵點(diǎn)就是直接找到希格斯粒子。其實(shí)到目前為止，物理學(xué)家并沒(méi)有直接看到或者探測(cè)到希格斯粒子的存在。畢竟希格斯粒子太容易衰變了，即便創(chuàng)造出，也很難觀察到。那物理學(xué)家又是如何確認(rèn)希格斯粒子存在的？

其實(shí)我們要制造出希格斯粒子，可以從反向思維來(lái)理解。既然希格斯粒子能衰變成其他更輕的粒子，那么這些輕粒子也就可以反向變成希格斯粒子。畢竟費(fèi)曼圖是可逆的。

兩個(gè)質(zhì)量很輕的粒子直接對(duì)撞或許無(wú)法產(chǎn)生質(zhì)量較大的希格斯粒子。但是我們可以不斷加大粒子的動(dòng)能。

如果我們想用質(zhì)量是希格斯粒子25萬(wàn)分之一的兩個(gè)電子對(duì)撞產(chǎn)生希格斯粒子，就得不斷加大電子的動(dòng)能，使其總能量達(dá)到靜止時(shí)的25萬(wàn)倍即可，這樣電子的總能量就是125GeV,這樣兩個(gè)電子相撞產(chǎn)生的能量就足夠生成希格斯粒子了。

理論歸理論，真正操作起來(lái)，物理學(xué)家一般不會(huì)傻到直接用電子對(duì)撞制造希格斯粒子，畢竟電子質(zhì)量實(shí)在太小，需要十分巨大的動(dòng)能投入。

那還不如干脆直接用質(zhì)量更大的質(zhì)子對(duì)撞，質(zhì)子質(zhì)量接近1Gev,和希格斯粒子質(zhì)量相差僅有130倍左右。所以用質(zhì)子對(duì)撞，所需的動(dòng)能更少，也更容易操作。

現(xiàn)在的問(wèn)題是，即便兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞產(chǎn)生了希格斯粒子，也很難直接觀測(cè)到這一現(xiàn)象。這主要是兩個(gè)原因造成的。

第一個(gè)原因，兩個(gè)質(zhì)子以相同的能量，從相反方向?qū)ψ玻瑢?duì)撞瞬間的動(dòng)能基本就為0了，這就意味著對(duì)撞瞬間產(chǎn)生的希格斯粒子會(huì)保持靜止。而探測(cè)器檢測(cè)粒子的機(jī)制要求粒子飛到探測(cè)器上才行，探測(cè)器是不能直接安裝到對(duì)撞瞬間的光束內(nèi)的，對(duì)撞瞬間產(chǎn)生的能量極大，探測(cè)器如果安裝到對(duì)撞時(shí)的位置，不僅會(huì)干擾對(duì)撞結(jié)果，也會(huì)被高能量燒毀。

所以探測(cè)器一般安裝到對(duì)撞光束的外部，只等光束內(nèi)的粒子飛到探測(cè)器上才能檢測(cè)到。

第二個(gè)原因，希格斯粒子十分重，極易衰變，它的壽命只有1.5×10∧-22秒，誕生即衰變。

這兩個(gè)原因?qū)е铝巳祟愔两褚矝](méi)有直接探測(cè)到希格斯粒子。

其實(shí)這樣的事在粒子對(duì)撞機(jī)中經(jīng)常存在，比如探測(cè)其他大質(zhì)量基本粒子也存在相同的問(wèn)題。

但問(wèn)題是，其他大質(zhì)量粒子一般也帶有電荷，我們可以通過(guò)電磁作用間接探測(cè)其存在。而希格斯粒子不帶電荷，所以依靠電磁探測(cè)器這條路子也是被堵死的。

當(dāng)然，物理學(xué)家還可以用其他方式確認(rèn)其存在，這種方式就類似于考古，雖然我沒(méi)有見(jiàn)過(guò)你，但是可以通過(guò)其留下的痕跡確認(rèn)其存在過(guò)。

首先我們可以假設(shè)兩個(gè)質(zhì)子對(duì)撞后產(chǎn)生過(guò)希格斯粒子，然后希格斯粒子會(huì)隨機(jī)衰變成各種更輕的粒子。最后我們只需計(jì)算這些衰變后粒子的質(zhì)量之和即可，如果發(fā)現(xiàn)這些粒子質(zhì)量之和恰好等于希格斯粒子的質(zhì)量，那我們就有理由認(rèn)定質(zhì)子對(duì)撞的瞬間產(chǎn)生過(guò)希格斯粒子。

如果質(zhì)子撞擊過(guò)程中沒(méi)有產(chǎn)生希格斯粒子，那么撞擊瞬間生成的粒子種類和路徑就完全不同。這一點(diǎn)是很容易判斷出來(lái)的。

事實(shí)上，撞擊過(guò)程即便產(chǎn)生過(guò)希格斯粒子，其衰變出的粒子也是隨機(jī)的，每次探測(cè)到粒子種類或許并不一樣，但只要它們的質(zhì)量之和是相等的，我們就能確信希格斯粒子存在過(guò)。

剩下的事就是進(jìn)行大量重復(fù)的實(shí)驗(yàn)，一次不行就是10次，100次，一萬(wàn)次，100萬(wàn)次。

通過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算，就可以得到置信度。

在2012年的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)中，統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，對(duì)撞中產(chǎn)生希格斯粒子的統(tǒng)計(jì)顯著性是5σ(西格瑪)，5西格瑪在粒子物理學(xué)中是黃金標(biāo)準(zhǔn)，5西格瑪意味著測(cè)量1744278次數(shù)據(jù)，只有一次和理論不符，誤差的概率是0.00000057%，所以5σ一般意味著新的發(fā)現(xiàn)。

2013年，研究人員核算數(shù)據(jù)后，直接宣布了希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)。

之后，物理學(xué)家利用歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)又進(jìn)行了大量重復(fù)的撞擊實(shí)驗(yàn)，如今已經(jīng)將統(tǒng)計(jì)顯著性提高到6σ，這在概率上幾乎可以確信希格斯粒子的存在。

如今希格斯粒子已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)模型中站穩(wěn)了腳跟。接下來(lái)標(biāo)準(zhǔn)模型將邁向新的征程，那就是統(tǒng)一四大基本作用力的萬(wàn)有理論?；蛟S在新的征程中，新發(fā)現(xiàn)會(huì)顛覆整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型框架，當(dāng)然這也是我個(gè)人希望看到的，越顛覆，就意味著宇宙越神秘，人類可以利用的新規(guī)律也就越多。最后還是那句話，已知圈越大，未知圈就更大。