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【转载】理性的胜利——从上帝粒子到引力波  

2012-07-09 11:36:12|  分类: 社科文史 |  标签: |举报 |字号 订阅

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本文转载自李淼《理性的胜利——从上帝粒子到引力波》

(《新发现》专栏,勿转)


我和编辑说好,这期写引力波探测。没有想到,6月22号,网上开始流传消息,欧洲核子中心(CERN)将于7月4号在日内瓦的总部举行两个物理学报告和新闻发布会,据说和希格斯粒子即上帝粒子有关。果然,到了7月4号,我们从两位代表两个不同的实验组的报告人那里得到确凿无疑的信息,大型强子对撞机经过去年和今年的搜索,发现了一个很像上帝粒子的新粒子。这个消息也打乱了我原来的写作计划,本来我想在这一期介绍几个引力波探测实验,现在,我干脆从希格斯粒子谈到引力波。

 

由于大型强子对撞机的两个实验组CMS和ATLAS都获得了五个标准差的置信度,可以说他们发现了一个新粒子。这个粒子产生于质子和质子的剧烈碰撞中,然后因不稳定而衰变成两个光子,或衰变成两个带电的中间玻色子W,或衰变成两个中性的中间玻色子Z,或衰变成夸克或τ轻子,物理学家就是靠探测这些衰变后的产物(有些产物自己也不稳定衰变成其他粒子,如Z衰变成轻子)发现这个粒子的。现在看,虽然我们不能完全肯定它就是希格斯粒子,但它的衰变方式几乎和希格斯粒子一样,也许我们可以说我们已经看到了希格斯粒子。

 

为什么物理学家们甚至公众对这个发现特别感兴趣,有的物理学家在听CERN的报告时甚至流泪了?我想至少有两个原因。第一个原因,希格斯等人1964年就提出了希格斯机制,在这个机制中,传递相互作用的粒子如中间玻色子“吃掉”几个希格斯粒子后变重了,此前中间玻色子的前身是没有质量的。剩下的希格斯粒子自己也变重了。从希格斯机制的提出到今年,48年过去了。1967年,温伯格利用希格斯机制建立了弱电统一模型,在这个模型中,不仅中间玻色子和希格斯粒子有质量了,其他物质粒子通过与希格斯场的相互作用也获得了质量。弱电模型是如今粒子标准模型的一个部分,它的建立到今年也有45年了。45年过去了,标准模型的预言被实验物理学家在不同的高能粒子加速器上一一验证,唯独没有发现这个最重要的希格斯粒子。今天,我们终于看到了(严格意义上还需要检验几个理论预言才能百分百肯定),谁能不激动呢?我们激动的第二个原因是,从标准模型预言的中间玻色子被发现到今天,粒子物理学虽然也有一些发现,都不是能够改变我们认识的发现,粒子物理学家实在也等急了。而发现中间玻色子的年份是1983年,到今年几乎30年了。所以,可以肯定地说,希格斯粒子的发现是粒子物理学过去30年最重要的发现。如果考虑到希格斯粒子在基础物理中扮演的角色,这个发现甚至可以说是过去一段时间最重要的发现之一,如果不比宇宙加速膨胀的发现更重要的话。

 

希格斯粒子的发现——我再重复一下,这是我个人的看法,因为实验物理学家会说这是很像希格斯粒子的一个粒子——也是人类理性的胜利。数理科学家们特别相信理性在自然界中扮演的角色,有个故事说,爱因斯坦在得知某项实验与他的狭义相对论不吻合时淡定地说,太可惜了上帝没有按照狭义相对论办事。事后证明,那个实验做错了。物理学家们有时对自己的漂亮理论就这么自信。在某种意义上,利用希格斯机制的标准模型确实是解释这个世界物质结构的最简单的理论,如果希格斯粒子不存在,那么我们也会说一句,太可惜了。

 

说到爱因斯坦,这就说到引力波。爱因斯坦在1915年建立的引力理论,即广义相对论,预言了一种新的波,即引力波。引力波也是爱因斯坦第一个在他的方程中发现的,当物体运动时,由于能量分布随时间改变,会产生以光速运动的引力波,例如两个中子星系统。由于万有引力十分微弱,引力波也就十分微弱。目前我们只能间接地推测引力波的存在,例如,1974年,R. A. Hulse和J. H. Taylor发现了一个由两个中子星组成的双星系统,每7.75小时这对中子星绕共同的重心转一次。根据爱因斯坦的理论,这对中子星辐射引力波,其功率大约是我们太阳辐射光的功率的百分之二,因为能量损失,双星的的距离会越来越小,周期会越来越短。确实,Hulse和Taylor发现这个双星系统的周期每年会减少76.5微秒,与广义相对论的预言吻合。因这个发现,Hulse和Taylor获得1993年的诺贝尔物理学奖。看起来,中子星双星系统的引力波辐射功率很大,但这个强度到达地球后已经非常微弱了。

 

直接探测引力波是韦伯的想法,1960年他就开始用较大的金属棒探测引力波。这个探测原理是,当引力波到达地球时,会引起物体的变形。引力波和光波一样,有两种形态,我们叫做极化。这两种形态可以利用物体的变形方式来区分。其中一个形态可以这样来描述,当一个圆形物体遇到这种引力波时,圆形会变成椭圆形的,但椭圆会变化,长短轴会在两个垂直的方向换来换去。第二个形态也类似,只是物体的椭圆长短轴转了45度。韦伯棒在遇到引力波时产生的形变会产生压电电压,可惜这种实验一直没有测量到引力波。

 

从2002年开始,物理学家建成了激光干涉仪来探测引力波,激光干涉仪的探测原理同样是利用引力波造成的物体形变,这里的形变其实就是干涉仪臂长的变化,这种变化造成激光干涉条纹的变化。2002年建成的LIGO干涉仪可以探测到的微小变化是3 x 1022 分之一,但物理学家没有探测到引力波。从2008年开始,LIGO以及类似的仪器开始升级,要到2014年才能用于探测。如果运气好的话,2015年我们就会得到探测到引力波的消息,这将是广义相对论建立的一百周年。

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