新粒子的发现让时空穿越或成为现实

    上帝，你真的存在！

    7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）在瑞士日内瓦举行了震惊世界的新闻发布会，宣布找到一种新的粒子，这种粒子与被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子特征“一致”。

    由此，万物质量来源之谜或可解开。英国《泰晤士报》评论说，这一发现的意义，如同人类当初发现万有引力、进化论、DNA双螺旋结构等。
有趣的是，就连霍金也输掉了100美元。霍金和美国密歇根大学的凯恩教授打赌100美元，赌“上帝粒子”无法找到。在打趣自己输掉100美元时，霍金也表示：“这是一个重要的发现，应该给一个诺贝尔奖。”

欧洲核研究组织发布声明，称新发现的粒子与长期寻找的希格斯玻色子一致

    解开宇宙起源之谜

    这个宇宙到底是由什么构成的？

    自1899年汤姆逊爵士发现电子开始，在一个多世纪时间里，人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。物理学家们建立了一套称之为标准模型的粒子物理学模型，宇宙由62种不可再分的基本粒子构成，通过强力、弱力及电磁力这三种基本作用力组合成各种复合粒子，进而构成物质世界。

    于人类而言，它们看不见摸不着，但如果你有幸进入微观世界，它们就好比一粒粒沙粒，当它们凝聚到一起时，就有了现在茫茫宇宙中的星系，有了地球，也有了人类。当然，如今的电脑、汽车等一切科技产品也由它组成。也就是说，它们是构成宇宙万物最小的单位。

    然而在标准模型建立过程中，有一个问题却一直困扰着科学家：按照标准模型理论，基本粒子并没有质量，但实验结果却又清楚表明，除了光子以外的基本粒子都是有质量的。而更为遗憾的是，在科学家已经找到的61种基本粒子中，还没有一种可以解释它们自身质量的来源。

    于是，英国科学家彼得·希格斯提出了一个想法，剩下的那一个基本粒子才是解释质量来源之谜的关键。

    希格斯教授生于纽卡斯尔，现年83岁，于1964年在苏格兰高地散步时灵感涌现想出希格斯玻色粒子（该粒子以希格斯教授名字命名）存在的概念：在137亿年前的大爆炸中，希格斯粒子使物质得到质量，万有引力则将质量变成重量，使恒星和行星都得以诞生，最终孕育生命。

    希格斯理论提出，在宇宙诞生的最初，并没有希格斯粒子的存在，其他的各种基本粒子都如光子一般，以光速横冲直撞。宇宙诞生十几秒后，希格斯粒子诞生，形成了“希格斯场”。除了光子，其他的基本粒子与希格斯粒子发生碰撞后，就如同轻巧的棉花吸饱了水分一般，获得了质量，而速度就慢下来了。

    慢下来的基本粒子“夸克”在强相互作用下，抱团组成了质子、中子等粒子，质子和中子又组成了原子核，原子核与电子在电磁力作用下又形成了原子，原子构成分子，由此形成了我们所见到的大千世界。

    如果没有希格斯粒子，其他的基本粒子就会仍然以光速运行，不能聚合在一起，我们的宇宙将仍然是一锅沸腾的基本粒子汤，根本不能组成物质，生命也无从谈起。某种程度上，它的重要性堪比创造了一切的上帝。

    希格斯教授随后写了两篇相关的科学论文，第二篇论文开始被拒绝但最终被物理学界最权威的期刊《物理评论通讯》所发表。

    自从希格斯教授在上世纪提出相关理论以来，科学界已找了它数十年，如果无法验证它的存在，则粒子物理学的理论大厦会因此动摇。出于希格斯玻色子的重要性和寻找难度，1993年，诺贝尔奖获得者、实验粒子物理学家Leon Lederman在他的名为《上帝粒子：如果宇宙是答案，那么什么是相应的问题？》的科普著作中将它称为上帝粒子。

    果然，上帝粒子这个名字广泛传播，却惹恼了希格斯。作为一个无神论者，他非常不喜欢这个名字。在此之前，谦虚的希格斯并不希望自己的名字冠在粒子前，但权衡之下，他终于接受了希格斯粒子这个名称。

    因此，在7月4日，当希格斯教授听到宣布该粒子存在的声明时，当场老泪纵横，他说：“对我来说，这真是难以置信。这一切竟然会在我的有生之年发生。”

    不少科学家认为，这将开创一个物理学的新时代。英国《泰晤士报》评论说，这一发现的意义，如同人类当初发现万有引力、进化论、DNA双螺旋结构等。法新社则评论，这一发现的重要意义丝毫不亚于爱因斯坦首次系统地阐释量子物理学。

    从字面上讲，没有希格斯玻色子就不会有质量，没有质量就不会有恒星，不会有行星和原子，自然也就不会有人类，历史也将无从谈起。DNA结构的发现是个偶然的惊喜，而希格斯玻色子则与之不同，它就像是科学家们期待已久的客人。

    撞出来的宇宙大爆炸

    据悉，目前宣布的这种新粒子，表现出的特征与理论预期极为接近，但从科学角度还不能100%断定它就是“上帝粒子”。欧洲核子中心将从2013年起把对撞机能量从8TeV提高到14TeV（1TEV为10亿电子伏特），进一步通过实验测量其性质。

    虽然科学家们早就预言了希格斯粒子的存在，为什么寻找了快半个世纪才找到它？

    这是因为，希格斯粒子的使命，在137亿年前的宇宙大爆炸初始就已经完成了。现在科学家要再次寻获希格斯粒子的踪迹，就只有建造能量强大的对撞机，在里面给两束高能粒子进行加速、对撞，来模拟宇宙开始的时刻，在实验室里重新“复活”希格斯粒子。

    然而每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。就好比在一大堆沙子中，有一颗是金沙，需要找出来。更麻烦的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，十亿分之一秒后就会衰变成光子和强子等其他粒子。

    实际上，寻找上帝粒子的工作早在上世纪90年代的LEP对撞机上就开始了。LEP（大型正电子对撞机）似乎看到了希格斯的小尾巴，判定“上帝粒子”的质量不会大于114GeV/c2。可惜到了2000年11月， 经过了11年正常运行和3个月延期运行之后，LEP宣布寿终正寝，从此与上帝擦肩而过。

    接下来前赴后继的是美国费米实验室的Tevatron对撞机，这一领世界风骚近20年的对撞机也对希格斯进行了大力追捕，也模模糊糊看到了希格斯的娇容，期间发现了新粒子“顶夸克”，也逐渐逼近了希格斯粒子的“活动范围”，可惜这一对撞机正值壮年就被关闭了，被关闭的原因是在能量和亮度两方面都竞争不过欧洲的LHC对撞机。

    其实在LHC建造之前，美国人已经开始建造超级超导对撞机SSC，按照设计它将是真正的巨无霸对撞机，其能量比LHC还要高3倍，目标也是寻找上帝粒子。可惜，SSC由于花费惊人（被称为“吞噬金钱的无底洞”）而被美国国会终止了，已经挖好的地洞也被填平。

    在欧洲，并没有因此而停顿建造LHC的步伐，欧共体成员国共同出钱如期完成了LHC工程（世界上其他大国包括中国在内，也不同程度地出了钱）。LHC对撞机是人类历史上投资最大的科学研究机器，造价高达100亿美元，这一人类历史上最高能量对撞机的主要目标就是寻找上帝粒子——希格斯。

    LHC位于瑞士和法国边境地区地下50-150m米深的隧道中，其建造过程本身就花费了近10年时间，耗资大约47.5亿美元。欧洲核子研究中心为这些实验提供20%的经费，总金额约为每年55亿美元。除此之外，实验所需的巨大计算能力也是耗资巨大的一个方面，其每年所需的经费约为2.86亿美元。此外，每年仅电费消耗就达2350万美元。要维持大型强子对撞机设备的正常运转，每年的预算开支至少要达到10亿美元。将所有这些开支计算在内，那么为了找到希格斯粒子，人们一共为此花费了约132.5亿美元。

    大型强子对撞机于2008年9月首次启动，但在长达27公里的地下环形隧道发生爆炸后被迫关闭。2010年2月，大型强子对撞机再次启动，并且不间断运行近两年时间。

    在撞击器内那条27公里长的圆形隧道，超导磁铁会把质子和离子，加速至接近光速，然后相撞，在极细微空间爆发十万倍太阳温度的超级高温。这一刻就像宇宙大爆炸之后，释放大量能量和基本粒子，冷却后形成组成物质的质子和中子，希格斯粒子就有可能产生在其中。

大型强子对撞机揭开宇宙起源之谜

     然而每1012次的质子对撞，才可能产生一次希格斯粒子。更加困难的是，这种粒子一旦产生就转瞬即逝，在碰撞后10亿分之一秒的时间内衰变，因此要想捕捉到它极不容易，需要进行足够次数的相撞，并进行海量数据分析。

    因此，LHC不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器，和全球最强大的超级计算机系统——LHC进行的每一个大型试验一年所获得的数据，可以刻满十万张双层DVD。为了对这些数据进行分析，世界各地成千上万名科学家都参与进来，他们所使用的数万台甚至数十万台计算机借助分布式计算网络（网格计算）联合在一起，这也构成了全球最强大的超级计算机系统。

    依赖LHC更高能量的加速器和更超级的探测器，CERN终于在多年努力后，成功捕获“上帝粒子”的身影。

    或可进行时间旅行

    “这是一项无与伦比的成就。”参与欧洲LHC工作的加州理工学院物理学教授玛丽亚·斯皮罗普卢说，全球范围内，各大学和实验室的粒子物理学家、工程师、技术人员已为这一时刻的到来努力工作了数十载。在欧洲核子中心的ATLAS和CMS两大研究组，共有来自世界各国的7000多名科学家参与工作。

    上帝粒子的发现有什么科学意义？

    “别忘了，标准模型只能解释4%的宇宙，”欧洲核子研究中心的负责人罗尔夫·霍耶尔认为，占宇宙质量96%的暗物质与暗能量仍然没有得到解释，“我们还有很长的路要走”。

    137亿年之前与希格斯共舞的应该还有很多伙伴，其中有个大家族就是超对称粒子（它们也早已衰变掉了，也只有在对撞机上才能再现身）。理论上的原因是：如果存在基本的希格斯粒子，那么作为标准模型进一步发展的超对称理论就应该存在（超对称是费米子和玻色子之间的对称性，预言每个粒子都有其超对称伙伴，叫作超粒子）。因此，理论学家将深入研究与希格斯有关的理论特别是超对称理论，并以超对称理论为桥梁最后建立一个成功的大统一终极理论。

    目前尚不知道具体如何运用上帝粒子，但按照范德比尔特大学物理学家汤姆·韦勒（Tom Weile）的设想，只要找到希格斯玻色子与希格斯单粒子同时出现的证据及相关的衰变产物，便可证明后者是由过去发生的某次对撞产生，或者说是过去的希格斯单粒子“预测”了未来的碰撞，通过另一维度进入现在的时空。

    韦勒称，时间旅行理论最具吸引力的地方是，它避免了所有可能产生的物理学矛盾。“假如科学家能够控制希格斯单粒子，那便意味着人们可以向未来或过去的时空发送信息。”

    莫斯科斯捷克洛夫数学研究所的阿列菲娃和伏洛维奇也相信，大型强子对撞机的粒子会发出令时空扭曲的强大冲击波。两股狭路相逢的冲击波将足以撕出一个连接宇宙遥远区域的时空环路即所谓的“虫洞”，其出现频率甚至可能达到两秒一次。暗物质的作用将使“虫洞”入口保持敞开，并扩张到足可容人类通过。这意味着我们有望通过时空隧道在过去、现在与未来之间自由穿梭，甚至可以在须臾之间到达亿万光年之外的遥远时空！

    延伸阅读：中国科学家参与

    40多个国家和地区约7000名科学家参与了CMS（紧凑缪子线圈）、ATLAS（超环面仪器）实验。中国内地有4家科研单位参与CMS实验：中科院高能所和北京大学组成的CMS中国组成功建造1/3的端部缪子探测器阴极条室和阻性板室，并参与拟定CMS技术设计报告；中科院上海硅酸盐研究所向CMS提供了核心探测材料——用于电磁量能器的5000余根自主研制的钨酸铅闪烁晶体；中国科技大学参与电磁量能器的研制；CMS中国合作组在中科院高能所建立CMS实验远程控制中心，与在CERN和美国费米实验室一起轮班承担CMS实验的一部分实时控制工作。

    由中科院高能所、山东大学、中国科技大学和南京大学组成的ATLAS中国组，则对ATLAS实验的缪子探测器和电磁量能器的设计和建造做出重要贡献。

    “新粒子不是一下子发现的，是长期数据积累的结果。”参与研究的刘衍文介绍，毕业于中科大少年班的刘衍文，从1999年起进入日内瓦大学攻读博士，此后一直在欧洲核子中心与美国费米实验室参与科研。2008年开始加入LHC，从参与分析第一批数据开始，经历了发现“疑似上帝粒子”的全过程。他表示，在前3年上亿次数据采集、分析的基础上，欧洲核子中心的科学家们在2011年逐渐发现了一些新粒子存在的迹象。“到2012年数据中新信号的统计显著性可以让人信服，新粒子是确实存在的。