逝者丨天下是由甚么组成的？“天主粒子”预料者希格斯去世 — 最新往事

发布时间：2026-01-14 07:15:57 来源：江浙评网 作者：知识

彼患上·希格斯。（源头：爱丁堡大学网站）

4月10日，逝者甚组英国爱丁堡大学宣告的丨天格Telegram多账户登录(TG:@dolphinSCRM,DolphinSCRM.com)跨境电商海外私域管理工具，多平台多账号多开，自动保存Cookie直登，双向自动翻译，敏感词监控，数据脱敏，企业内部风控讣告中揭示，物理学家彼患上·希格斯于当地光阴4月8日去世，下由享年94岁。预料他已经乐成预料

有“天主粒子”之称的希最新希格斯玻色子（即希格斯场所对于应的粒子）存在。

1929年，去世彼患上·希格斯降生在泰恩河滨纽卡斯尔。往事1960年，天主粒子他结业于伦敦国王学院，逝者甚组1960年到1996年时期，丨天格希格斯已经在爱丁堡大学任教。下由20世纪60年月，预料希格斯在实际钻研中预言了希格斯玻色子的希最新存在。

48年之后，去世2012年7月4日，酷似希格斯玻色子(Higgs boson)的新粒子在日内瓦的欧洲核子钻研中间(CERN)被发现，这被视为是“从前30年导致40年间物理学最大的新发现之一”。在粒子物理学的所谓“尺度模子”(standard model)中，以希格斯预言并命名的“希格斯玻色子”象征着希格斯场(Higgs field)的存在。希格斯场是一种原本不私见的、普遍全副宇宙的能量场——假如不希格斯场的话，那末组成你、我以及可审核宇宙的根基粒子就不会有品质。“希格斯玻色子”因其紧迫性以及难以追寻性，被公共媒体称之为“天主粒子”。

2013年，彼患上·希格斯与比利时实际物理学者弗朗索瓦·恩格勒因预料“希格斯玻色子”的存在而取患上诺贝尔物理学奖。

在《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》一书中，科普作家吉姆·巴戈特回顾了根基粒子物理学的百年家史，陈说了追寻“天主粒子”之旅中交织着乐成与失败的传奇故事。

如下内容节选自《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》，较原文有删省更正。已经取患上出书社授权刊发。

《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》，吉姆·巴戈特 著，邢志忠 译，上海科技教育出书社，2023年10月版。

物资可能具备多种差距的方式

天下是由甚么组成的？

诸如斯类的严正下场不断在测试人类的智力，惟独人类还可能做理性思考。尽管，如今咱们问这个下场的Telegram多账户登录(TG:@dolphinSCRM,DolphinSCRM.com)跨境电商海外私域管理工具，多平台多账号多开，自动保存Cookie直登，双向自动翻译，敏感词监控，数据脱敏，企业内部风控方式已经变患上愈加详尽以及配合，而提供谜底已经变患上愈加严正以及高尚。但毫无疑难，在咱们的心田深处，这个下场依然颇为严正。

2500年前，所有的古希腊哲学家孳孳以求的是他们对于做作界的详尽与调以及的感应，以及他们的逻辑推理以及想象的能耐。他们把这种能耐运用于那些以自己自力的感官所能觉察到的事物。从历史的角度来看，差距艰深的只是他们可能在多大水平上处置下场。

希腊人松散地把方式（form）以及本性（substance）辩解开来。天下是由物资组成的，物资可能具备多种差距的方式。公元前5世纪的西西里哲学家恩培多克勒（Empedocles）以为，这种方式上的多样服从够简化成四种根基的方式，即是咱们明天所知的“古典元素”（classical ele⁃ments）。它们是土、气、火以及水。人们分说这些元素是永世的以及不可扑灭的，它们甚至关浪漫的组合方式经由“羡慕”（Love）的罗起劲而散漫在一起，并经由“矛盾”（Strife）的倾轧力而分并吞来，从而组成为了人世万物。

源头于公元前5世纪的另一个学派以为，天下是由严正的、不可份的而且不可扑灭的物资粒子［叫作原子（atom）］组成的。该学派的代表人物是哲学家留基伯（Leucippus），尚有与之关连亲密的学生德谟克利特（Democritus）。原子代表所有物资的根基组分，负责组成所有的物资。以是留基伯指出，从原则上来说，原子是必不可少的，由于物资判断不是有限可分的。假如物资是有限可分的，那末咱们就能把物资无止田地分上来，不断分到甚么都不剩，而这赫然与看起来自作拆穿的物资守恒律相矛盾。

约莫一个世纪之后，柏拉图（Plato）睁开出一套实际，可能批注原子（即本性）是若何构建的，从而组成四种元素（即方式）。他用多少多多体（概况柏拉图多面体）来形貌每一种元素，并在《蒂迈欧篇》（Timaeus）中指出：每一个多面体的概况可能进一步分解成三角形（代表元素的组分原子）零星。重新部署三角形的图案就划一于重新部署原子，因此有可能把一种元素转化成另一种元素，并把元素散漫在一起以爆发新的方式*。理当存在某些最根基的组分，作为不可招供的着实，它们组成为了咱们放眼望去所看到的物资天下的根基，并将方式以及形态给以了它。这一点彷佛是适宜逻辑的。假如物资是有限可分的，那末咱们就碰头临一个下场：那些组分自己变患上至关短寿，功能即是甚么都不存在了。

于是物资天下的根基组分不存在了，剩下的只是一些难以想象的、非本性的幽灵之间的相互熏染，它们导致了本性的泛起**。上述意见概况使人难以接受，但这在很大水平上正是今世物理学已经证明了的工具。咱们如今信托，品质不是做作界的最根基组分所具备的固有特色概况“主要”属性。事实上，这种意思上的品质是不存在的。品质是残缺由相互熏染的能量组成的，而相互熏染做作收罗了无品质的根基粒子。

物理学家仍是在对于物资分割来分割去，但最后却一事无成。

直到17世纪早期、正式的试验哲学睁开起来之后，逾越那种思辩性的脑子方式才成为可能。思辩不断是古希腊人的实际所具备的特色。新式哲学试图凭仗直觉意见物资的本性，但哲学家们对于天气的审核会被他们的私见熏染，这种私见在于他们先入为主地以为天下理当是若何奈何样样的。如今，新时期的迷信家们拿做作界自己做试验，找出证听合终日下实际上是若何奈何样样的。

人们主要关注的下场仍是是方式以及本性的特色。品质的意见对于咱们清晰本性具备抉择性的熏染。品质掂量的是物体处于能源学行动形态时所揭示进去的物资的数目。一个物体对于速率更正的抵抗能耐被诠释成它的惯性子量（inertialmass）。当施加相同的力时，品质小的物体与品质大的物体比力，其速率更正患上更快一些。一个物体爆发引力场的能耐被诠释成为了它的引力品质（gravitation⁃almass）。月亮爆发的引力要比地球爆发的引力衰一些，原因在于月亮较小，以是具备较小的引力品质。惯性子量以及引力品质在事实生涯中是等价的，尽管尚未使人敬仰的实际可能批注为甚么会是这样。

在原子核中，

方式以及本性合二为一了

迷信家们也揭示了做作界之以是方式多样的配合。他们发现根基的希腊“元素”之一，即水并非像柏拉图所预料的那样是由三角形所组成的多少多多体组成的，而是由化学元素氢以及氧的原子所组成的份子组成的。如今咱们把水份子写成H₂O的组合方式。

“原子”是加倍今世的用语，这个词首先使人想起希腊人所给以它的寄义，他们把它诠释成物资的不可分割的根基组分。但公平人们凋敝地辩说原子的着实性时，英国物理学家汤姆孙（Joseph John Thomson）在1897年发现了带负电荷的电子。这彷佛表明，原子进一步理当具备亚原子条理的组分。

在汤姆孙的发现之后，不断不断的是新西兰人卢瑟福（Ernest Ruth⁃erford）于1909—1911年在曼彻斯特试验室所做的试验。这些试验表明，原子的绝大部份空间是空空荡荡的。一个严正的、带正电荷的原子核处在原子的中间，而带负电荷的电子环抱着原子核运行，就像行星环抱着太阳运行同样。物资的元素是由原子组成的，而原子的绝大部份品质群集在原子核。因此在原子核中，方式以及本性合二为一了。

纵然在明天，原子的“行星”模子依然是一个有压倒力的、抽象化的好比。但在当时，物理学家们很快就意见到这样一个模子着实没甚么意思。可能预期，这种行星式的原子在本性上是不晃动的。与环抱着太阳行动的行星差距，带电粒子在电场中行动时，会以电磁波的方式辐射能量。此类行星电子很快就会耗尽它们的能量，于是乎原子的外部妄想将会解体。

这个难题的处置妄想披着量子力学的外衣出如今20世纪20年月早期。电子不光仅是粒子——一个可能被抽象化为带负电荷的小球体——它同时饰演着波以及粒子的脚色。它不是定域化了的工具，不像有些人所以为的那样处在“这儿”概况“那边”，而是在其非定域的、幽灵般的波函数（wavefunction）所应承的河山之内“无所不在”。电子并非如斯这般土地绕着原子核运行；相同，其波函数在原子核周围的空间会组成典型的三维图案，咱们称之为“轨函数”（orbital）。与每一个轨函数的数学方式相分割关连的是在原子外部特定的位置——“这儿”概况“那边”——发现那个如今显患上残缺难以想象的电子的多少多率（probability）。

（a）在卢瑟福的氢原子“行星”模子中，一个带负电荷的电子占有一条环抱原子核的坚贞轨道，原子核是由一个带正电荷的质子组成的。（b）量子力学用电子波函数交流了沿轨道运行的电子，能量最低的波函数（1s）的形态是球对于称的。（c）在波函数的河山之内，人们如今到处都能“发现”电子的踪影；可是在旧的行星模子所预言的中间，电子被发现的多少多率最高。《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》内文插图。

量子革命是一个

数不胜数的、满载而归的时期

从实际物理学以及试验物理学两方面来看，量子革命都是一个数不胜数的、满载而归的时期。当英国物理学家狄拉克（Paul Dirac）在1927年把量子力学以及爱因斯坦的狭义相对于论散漫在一起时，一个被称为电子自旋（electronspin）的新性子锋铓毕露。这是一种试验物理学家已经知道的性子，临时用电子绕着它的中轴线旋转来声名，就彷佛一个旋转的陀螺，以及地球环抱着太阳转折时也绕着中轴线自转差未多少多。

狄拉克（1902—1984）。《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》内文插图。

但这只是另一种抽象化的好比，人们很快就发现这种好比事实上并无甚么凭证。如今咱们把电子自旋批注为一种隧道的“相对于论性”的量子效应，其中电子可能占有两种可能的“取向”（orientation）之一。这两种取向辩解叫作上旋（spin⁃up）以及下旋（spin⁃down）。它们并非在同样艰深的三维空间中沿着特定倾向的取向，而是在“自旋空间”（spinspace）中的取向。自旋空间惟独两维——上概况下。

人们发现，在原子中每一条轨道只收罗两个电子。这即是奥天时物理学家泡利（Wolfgang Pauli）在1925年所阐释的驰名的不相容道理，它纪律电子不患上占有相同的量子态（quantumstate）。

泡利（1900—1958）。《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》内文插图。

该道理源逍遥两个概况多个电子所组成的复合态的波函数的数学方式。假如复合态是由两个具备残缺相同的物理特色的电子哺育的，那末其波函数的振幅为零，即不可能存在这样的态。要想使波函数的振幅方即是零，那末这两个电子必需有所差距。这象征着在原子的轨道上，一个电子的自旋取向必需朝上，而另一个电子的自旋取向必需朝下。换句话说，它们的自旋必需一上一下地配对于。

理智之举是抵抗住迷惑，不要去想象这些差距的自旋取向的实际面目特色。不外，它们的效应饶富着实。自旋抉择了电子所具备的角动量的巨细，该动量是与电子自旋的“转折”相分割关连的。自旋也抉择了电子若何与磁场相互熏染，人们可能在试验室概况子细地钻研此类效应。但在量子力学中，咱们对于这些效应的源头彷佛依然处于博学多闻的形态。

狄拉克对于电子的相对于论性量籽实际还给出了两倍于他想要的解。其中两个解对于应着电子的上旋以及下旋取向，那末此外两个解对于应甚么呢？他是个有主张的人，不外他在1931年对于做出退让：那此外两个解形貌的只能因此前鲜为人知的、带正电荷的电子的上旋以及下旋取向。狄拉克发现了反物资（antimatter）。“正电子”（positron），即电子的反粒子，其后在宇宙线（cosmicray）试验中被发现了。宇宙线是由于高能粒子与地球的外层大气爆发碰撞而组成的。

1927 年，狄拉克把量子力学以及爱因斯坦的狭义相对于论散漫在一起，建树了一个残缺“相对于论性”量籽实际，于是电子自旋的性子锋铓毕露。《希格斯：“天主粒子”的建树与发现》内文插图。

天下上所有的物资

都是由化学元素组成的

1932年，彷佛最后一个未解之谜也内情清晰了。英国物理学家查德威克（James Chadwick）发现了中子，它是一种电中性的、与带正电荷的质子紧挨在一起座落于原子核外部的粒子。物理学家们此时当初彷佛已经具备了所有的因素，可能就咱们尚不清晰的下场给出一个清晰的谜底。

谜底是这样的。天下上所有的物资都是由化学元素组成的。这些元素种类繁多，组成为了周期表，从最轻的氢元素不断排到铀元素。铀是人们所知道的最重的、做作存在的元素。

每一种元素都是由原子组成的。每一种原子含有一个原子核，后者是由差距数目的带正电荷的质子以及电中性的中子组成的。每一种元素的特色是由它的原子核中质子的数目抉择的。氢元素的原子核含有1个质子，氦含有2个，锂含有3个，等等。铀元素的原子核含有92个质子。

环抱着原子核的是带负电荷的电子，它们的数目与质子的数目至关，使患上全副原子呈电中性。每一个电子可能取上旋概况下旋的倾向，而每一条轨道可能容纳两个配成对于的、自旋取向相同的电子。这是个一应俱全的谜底。运用质子、中子以及电子等根基组分以及泡利不相容道理，咱们可能批注为甚么元素周期表具备它所揭示进去的妄想。咱们可能批注为甚么物资具备形态以及密度。咱们可能批注为甚么存在同位素（isotope）——不同元素的差距原子，在它们的原子核中质子的数目相同但中子的数目差距。惟独稍微花一点实力，咱们就能批注化学、生归天学以及质料迷信的所有天气。

在以上的形貌中，品质一点都不配合。所有物资的品质都可能追溯到组成它的质子以及中子，质子以及中子的品质约莫占了每一个原子品质的99％。

让咱们想象一小块由蒸馏过三次的水所组成的冰立方体。它的每一条边长为2.7厘米，概况说稍微大于1英寸。把它拿起来，你会感应它又凉又滑。尽管冰块并不重，但你仍是会感知到它在你手心中的份量。那末，冰块的品质身居那边呢？

可能用很严正的措施算出水的份子量，即对于组成水份子H₂O的2个氢原子以及1个氧原子的原子核中的质子以及中子求以及。每一个氢原子的核只含有1个质子，而氧原子的核收罗8个质子以及8其中子，因此1个水份子总共是由18个核子组成的。你握在手中的那块纯挚的冰的份量约为18克，即因此克为单元的份子量。以是冰块代表的是对于固态水的一种尺度怀抱，称为“摩尔”（mole）。

咱们知道，1摩尔的物资含有坚贞数目的原子概况份子，后者组成为了该物资。这即是阿伏伽德罗常量，其数值略大于6×10的23次方。

原子再也不是安若磐石的

人们不患上不接受的事实是，原子并非如希腊人所已经以为的那样，它们再也不是安若磐石的。原子是可能被更正的，可能从一种方式转化为另一种方式。1905年，爱因斯坦运用他的狭义相对于论证明了品质以及能量的等价性。他是凭仗那个其后成为天下上最驰名的迷信方程式，即E=mc²，实现为了他的证实：能量即是品质乘以光速的平方。可是，这一功能不光无损于品质的意见，而且“品质代表了一个严正的能量库”的意见在某种水平上使患上品质的意见愈加坚贞以及空虚。

品质的外在尽管很丰硕，但并非永世安定。爱因斯坦证明了物资（品质）是不守恒的，它可能转化为能量。当一个铀235的原子被一个快中子轰击而爆发裂变时，单个质子品质的约莫1/5在核裂变反映中转化成能量。当把这一质能转化的数目关连按比例扩展到一个56千克重、由纯度为90%的铀235组成的原子弹弹芯时，所释放进去的能量足以残缺捣毁一座都市。1945年8月，这一幕着实地爆发在了日本广岛。

但爱因斯坦所苦苦谋求的实际上是一种更深入的不对于。这一点在他那篇宣告于1905年的文章的下场上已经有所吐露：“物体的惯性同它所含的能量无关吗？”爱因斯坦的清晰是，E=mc²的着实寄义在于m=E/c²，即所有的惯性子量都是另一种方式的能量。这一见识的深入寄义直到60年后才变患上洞若不美不雅火。到了20世纪30年月中期，质子、中子以及电子作为物资的根基组分彷佛为咱们尚未定论的下场提供了一个美满的谜底。可是尚有个下场。早在19世纪末期人们就已经知道，某些元素的同位素是不晃动的。它们具备喷射性：在一系列核反映中，它们的原子核会自觉地衰变。

做作界存在差距种类的喷射性。一种叫做β喷射性，是由卢瑟福在1899年发现的。它波及的是原子核中的一其中子转化成一个质子，并伴同着一个高速电子（即“β粒子”）的喷出。这是一种做作方式的炼金术：更正原子核中质子的数目判断会更正它的化学性子。β喷射性象征着中子是一个不晃动的复合粒子，以是它根基就不是真正意思上的“根基”粒子。在这一历程中还存在着能量守恒的下场。

中子在原子核外部转变为质子所释放的能量的实际预期值，无奈残缺由该反映所喷射进去的电子的能量来声名。泡利在1930年意见到，除了建议在这一反映中“失踪”的能量被一个尚未审核到的、很轻的、电中性的粒子带走了之外，他别无抉择。这个新粒子其后被称作“中微子”（neutrino），意思是严正的、电中性的粒子。事古人们分说，不任何措施可能探测到这样一个粒子。可是到了1956年，中微子第一次在试验中被发现了。

是时候做一番总结与评估了。有一点差不可能是清晰的：物资依赖于力（force）来把它的组松散漫在一起。除了熏染于所有物资的引力之外，如今可能辨此外是还存在其余三种力，它们在原子自己的层面上起熏染。

带电粒子之间的相互熏染源头于电磁力。家喻户晓，电磁学源自19世纪的物理学家们所做的初创性使命，其中收罗良多卓着的造诣，也奠基了电力工业的根基。1948年，美国物理学家费曼（Richard Feyn⁃man）以及施温格（Julian Schwinger）以及日本物理学家朝永振一郎（Sin⁃Itiro Tomonaga）建树了一个对于电磁场的残缺相对于论性量籽实际，叫作量子电能源学（quantumel ectrodynamics，简称QED）。在QED实际中，带电粒子之间的罗起劲以及倾轧力是由所谓的力粒子来“传递”的。

好比说，当两个电子相互挨近时，它们交流一个力粒子，组成为了它们的相互倾轧。电磁场的力的传递者是光子，它是组成艰深光的量籽粒子。QED很快就睁开成为一个具备空前预料能耐的实际。

人们还要应答此外两种力。电磁学无奈批注质子以及中子在原子核外部是若何奈何样样散漫在一起的，也无奈批注与β衰变无关的相互熏染。这两种相互熏染在如斯差距的能标（energy scale）处失效，导致于不光一的力可能容纳它们。物理学家们意见到需要引进两种力，“强”核力负责维系着原子核，而“弱”核力则操作着某些原子核的转化。

这就把咱们带到了物理学史上的一个特殊时期。又过了60年，经由实际以及试验两方面的自动，粒子物理学才睁开到尺度模子的阶段。尺度模子是量子场根基实际的集大成之作，它形貌了所有的物资以及物资粒子之间除了引力之外的所有相互熏染力。

原文作者/吉姆·巴戈特

摘编/何也

编纂/王菡

校对于/陈荻雁

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