《上帝的粒子》:以英國政治人物都能理解的方式,淺顯說明希格斯玻色子

《上帝的粒子》:以英國政治人物都能理解的方式,淺顯說明希格斯玻色子
Photo Credit: Shutterstock / 達志影像
我們想讓你知道的是

想要以政治人物能理解的話來解釋希格斯機制,一定要透過簡單的類比。倫敦大學學院的粒子物理學暨天文學教授米勒相信自己找到了這樣的類比。

唸給你聽
powered by Cyberon

文:巴格特(Jim Baggott)

第九章 美妙時刻

以英國政治人物都能理解的方式淺顯說明希格斯玻色子;CERN找到了暗示希格斯粒子存在的證據;LHC啟動,然後就爆炸了。

超導超級對撞機是一場豪賭,而物理學家輸了賭局。來自美國各界的不滿聲浪逐漸導致該計畫遭到取消,而這樣的情況也開始在歐洲重演。CERN的優勢在於資金並不由單一國家負責,但是各個會員國如果對自己的捐款比重有所抱怨,那不滿的國家就有可能收回金援。一九九三年四月,就在美國眾議院最終決定取消超導超級對撞機的六個月前,英國科學部長渥德格雷向國內的高能物理界發出挑戰。

渥德格雷的挑戰預示首相梅傑的保守黨政府對科學政策將會有大幅調整,英國政府在隔月發表了一份白皮書,希望將科學政策的重心轉向創新領域,終極目標在於改善英國公民的財富創造和生活品質。換句話說,英國的科學之目的是為了裨益於經濟,為了尋求「大英國協股份有限公司」的利益,而支援科學和技術的政府組織都要全面整頓。

這是個不祥之兆。一九八七年十月的股市大崩盤引發全球經濟衰退,英國當時才正要恢復元氣,只能勉強負擔每年挹注給CERN的五千五百萬英鎊。雖然物理學家可以列舉從CERN發展出的許多副產品(像是在網路加入超文字,促成柏納李在一九九○年發明全球資訊網),但是要解釋發現希格斯玻色子如何直接增加英國人民的財富和改善生活品質,或許就不太容易了。

幸運的是,物理學家還沒有被要求做這樣的解釋,但是渥德格雷把話說得很白,他們最好把想做的事解釋得一清二楚。就從最基本的問題來吧,這個叫「希格斯玻色子」的東西到底是什麼?這東西又為什麼重要到需要耗資數十億元,就只為了找到它?「如果你們可以幫我了解這一點,那我就比較有機會幫你們拿到錢。」渥德格雷在英國物理學會的年會上,這麼對觀眾說。他告訴他們,如果有人能夠在一張紙上,以白話文向他解釋到底大家都在忙些什麼,那他就拿出一瓶陳年香檳當作獎賞。

當然了,一切的忙碌,都與希格斯場在標準模型的架構裡扮演了主要角色有關。沒有了希格斯場,就不會有電弱力的對稱破裂 [1];沒有對稱破裂,W粒子和Z粒子就會跟光子一樣不具質量,而電磁力和弱核力仍然是同一種力;缺乏基本粒子和希格斯場的交互作用,就不會有質量,也就沒有物質、沒有恆星、沒有行星,也沒有生命。希格斯場的直接存在證據,只能透過尋找它的場粒子(亦即希格斯玻色子)來確定,只要找到希格斯玻色子,我們忽然之間就會更加明白物質世界的真實性質。

想要以政治人物能理解的話來解釋希格斯機制,一定要透過簡單的類比。倫敦大學學院的粒子物理學暨天文學教授米勒相信自己找到了這樣的類比,經過幾次修正後,他覺得自己可以藉由渥德格雷的親身經歷來解釋,他用來說明的角色是一位不久前還主宰英國政治的卓越人士:前首相柴契爾夫人。他寫道:

想像有一場雞尾酒會,政黨黨工平均分布在整個樓層,全都在和最接近自己的人聊天。這時前首相走進門,開始穿越房間,所有靠近她的黨工都感受到強大的吸引力,因此聚到她身邊。隨著她的移動,她吸引了附近的人,至於那些被留在後頭的,則又重新平均分布到空間裡。因為她的身邊永遠都聚集了一群人,她就得到了比平常更大的質量,也就是說,如果以相同的速度穿越房間,她的動量也因此變大了。她一旦移動了,就很難停下來,而只要她停下來了,就很難再次移動,因為這個群眾聚集的過程又得從頭來過。把這個例子放在三維空間裡,再加上相對論的複雜因素,就是希格斯機制了。

為了賦予粒子質量,我們發明了一個背景場,當有粒子從中穿過時,這個背景場就會局部失去秩序,這個失序的過程(粒子四周的場之聚集)便產生粒子的質量。這個概念直接來自固體的物理,組成固體的,並不是一個瀰漫所有空間的場,而是帶正電的結晶原子所組成的晶格。當一個電子穿越晶格,原子被電子所吸引,會使得電子的有效質量比自由電子的質量大上四十倍。被假設存在真空裡的希格斯場,就是某種充滿整個宇宙的假想晶格。我們需要希格斯場,否則我們將無法解釋,為何媒介弱核力的W粒子和Z粒子這麼重,而媒介電磁力的光子卻沒有質量。

零質量的基本粒子(柴契爾夫人)與希格斯場(平均分布的黨工)互動後就得到了質量,這邊藉此說明希格斯機制,如圖20(見原書)所示。米勒繼續解釋希格斯玻色子:

現在假設有個八卦傳過這個滿布黨工的房間,那些靠近門口的先聽見了,於是聚在一起以便聽清楚細節,然後他們就轉身,朝那些站在附近、也想知道八卦的人移動,那麼就有一個群聚波穿過房間。這個波可能會傳遍每個角落,或者它會聚成一群,沿著一條黨工組成的線,將消息從門口傳給房間另一頭的某個達官顯要。由於資訊是透過聚集的人群攜帶,那麼就像前首相會得到額外的質量一樣,這些媒介八卦的群聚也有了質量。

根據理論預測,在希格斯場裡的希格斯玻色子就是像這樣的群聚。如果我們真的看見了希格斯粒子本身,那我們很容易就能相信希格斯場的存在,以及賦予其他粒子質量的這套機制是真實的。我們可以再一次從固體的物理當中找到類比,晶格本身能夠媒介群聚波,無需透過電子通過以吸引原子,而這些波的行為模式有如粒子一般,它們被稱作聲子(phonons),也是一種玻色子。我們的宇宙裡也可能有希格斯機制和無處不在的希格斯場,但卻不存在希格斯玻色子;下一代對撞機將告訴我們答案。

這段描述如圖21(見原書)所示。

渥德格雷收到了一百一十七篇作品,這件事本身就說明了物理學家的探索有多麼重要。渥德格雷選出了五個獲勝者,但物理界認為其中最佳的是米勒的作品。米勒正式得到一瓶凱歌香檳,但他似乎沒能品嘗。「我老婆、小姨和我兒子的女朋友把那瓶香檳喝了。」他解釋道。

儘管財務困窘,英國政府還是繼續信守對CERN的承諾。[2]

註解

[1] 嚴格來說,這裡的說法並不正確。有一種「天彩力」(technicolour)理論引進了新的超強核力,而這種超強核力也可以驅使電弱對稱發生破裂。天彩力理論同樣可以賦予W粒子和Z粒子質量,但是難以正確預測夸克的質量,因為這個理由,物理學家比較偏好希格斯機制。以上資料來自我和溫伯格在二○一一年二月二十四日的個人通信。

[2] 以更清楚的角度來看,二○一一年英國貢獻給CERN的預算是百分之十五,也就是一.○九億英鎊(一.七四億美金),每一個英國公民的負擔少於兩英鎊。「這是名副其實的花生,」超導環場探測器(ATLAS)的物理學家暨電視節目主持人考克斯說,「事實上,我們花在買花生的錢還比LHC多。」(二○一一年二月二十七日,星期日泰晤士報)

書籍介紹

本文摘錄自《上帝的粒子:希格斯粒子的發明與發現》,貓頭鷹出版

*透過以上連結購書,《關鍵評論網》由此所得將全數捐贈聯合勸募

作者:巴格特(Jim Baggott)
譯者:柯明憲

若二十世紀最重要的科學是相對論,
無庸置疑,二十一世紀就是希格斯粒子!

首本最完整的希格斯粒子傳記

耗資數十億美元、集結上千科學家、尋找長達五十年──希格斯粒子究竟是什麼?

為了尋找神祕的希格斯粒子,歐洲核子研究組織(CERN)集結了超過六千名科學家,耗資數十億美元,建造了大型強子對撞機,所處的圓形隧道有二十七公里長,堪稱有史以來最昂貴的科學實驗!

希格斯粒子如何成為質量問題的解謎關鍵?

希格斯機制在一九六四年被發表,解釋了標準模型理論的質量問題。當理論中的粒子一一被發現,難以捉摸的希格斯粒子便成了標準模型的最後一塊拼圖。這段長達五十年的驗證過程,希格斯粒子終於在二○一二年七月被CERN研究團隊發現,科學界歡欣鼓舞,也顯示粒子物理學即將進入新紀元。

本書作者將時間拉回一百年前,從物質、能量、質量的概念開始說起,清楚描述粒子物理學的理論進程,隨著一個個理論的發明,也讓我們看見希格斯粒子的誕生。看看物理學家如何輪番上陣,時而獨撐大局,時而連袂出擊,一步步過關斬將,驗證了希格斯場。作者更帶領我們聆聽物理學家的討論,彷彿親自參與希格斯粒子的發現過程,經歷標準模型被驗證的歷史。而看似撲朔迷離的希格斯粒子,又如何被粒子物理學家米勒輕鬆解釋,還說服英國政府掏錢贊助CERN呢?不僅如此,希格斯粒子的研究計畫為何在美國國會胎死腹中,卻在歐洲得到萬眾矚目,其過程也饒富趣味。

本書前言由諾貝爾物理學獎得主暨粒子物理學泰斗溫伯格專文推薦,可謂首本最完整的希格斯粒子傳記,書中清楚解釋眾多理論與實驗內容,細膩描繪不同理論的消長,直指希格斯粒子為標準模型的關鍵拼圖。尋找希格斯粒子的過程精彩可期,也為希格斯粒子發現後的物理發展留下伏筆。

getImage
Photo Credit: 貓頭鷹出版

責任編輯:翁世航
核稿編輯:丁肇九