Nota editor: Pada 8 Oktober 2013, Peter Higgs dan Francois Englert memenangi Hadiah Nobel dalam Fizik untuk kerja mereka di boson Higgs. Di bawah ini, kolumnis sains Brian Greene menerangkan sains di sebalik penemuan itu.
Dari Kisah Ini
[×] TUTUP
Pengesan ATLAS, salah satu daripada dua eksperimen untuk melihat boson Higgs yang sukar difahami dalam perangkap zarah di Large Hadron Collider CERN, berat sebanyak seratus 747 jet dan rumah lebih daripada 1, 800 batu kabel. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Solenoid Kompak Muon di Collider Hadron Besar menangkap zarah-zarah dalam perbuatan itu. (Michael Hoch / CERN) 
Kembali ke papan lukisan: Ahli fizikal Peter Higgs menyeret persamaannya yang terkenal menggambarkan sumber massa zarah. Ia akan mengambil masa setengah abad untuk membuktikan kebenaran. (Stuart Wallace / Splash News / Newscom) 
Pasukan ini berfungsi dengan pengesan ATLAS, satu daripada dua eksperimen untuk melihat boson Higgs yang sukar difahami dalam perangkap zarah. (Claudia Marcelloni / CERN) 
Sebelum pemasangan, bahagian pengesan CMS tinggal di bilik pembersihan di CERN. (Maximilien Brice, Michael Hoch, Joseph Gobin / CERN) 
Magnet di pengesan CMS menghasilkan medan magnet 100, 000 kali lebih kuat dari bumi. (Gobin / CERN) 
Penutupan pengesan CMS-satu daripada dua eksperimen untuk mengesan tandatangan boson Higgs. (Gobin / CERN) 
Walaupun boson Higgs muncul terlalu singkat untuk dikesan secara langsung, ahli fizik di CMS dapat menyimpulkan kewujudannya dengan mempelajari hujan dari zarah yang tertinggal selepas perlanggaran proton-proton. (T. McCauley, L. Taylor / CERN) 
Galeri gambar
Kandungan Terkait
- Seni dan Sains Bertembung dalam Penemuan Higgs Boson
Kisah terkenal dalam sejarah fizik menceritakan Albert Einstein, 5 tahun, sakit di tempat tidur, menerima kompas mainan dari bapanya. Budak itu terkejut dan terpesona oleh kekuatan yang tidak dapat dilihat di tempat kerja, mengarahkan jarum kompas ke arah utara apabila keadaan berehatnya terganggu. Pengalaman itu, Einstein kemudiannya berkata, telah meyakinkannya bahawa terdapat susunan tersembunyi yang mendalam kepada alam, dan mendorongnya untuk menghabiskan hidupnya untuk mengungkapnya.
Walaupun kisah itu lebih dari satu abad, Einstein muda yang mengalami kesulitan menghadapi tema utama dalam fizik kontemporari, yang penting untuk pencapaian eksperimen yang paling penting dalam bidang 50 tahun yang lalu: penemuan, setahun yang lalu pada Julai ini, daripada boson Higgs.
Biar saya jelaskan.
Sains secara umum, dan fizik khususnya, mencari corak. Regangkan mata air dua kali sejauh ini, dan rasakan dua kali perlawanan. Corak. Meningkatkan jumlah objek yang ditempatkan sementara mengekalkan jisimnya tetap, dan semakin tinggi ia terapung di dalam air. Corak. Dengan memerhatikan dengan teliti corak, penyelidik meneliti undang-undang fizikal yang boleh dinyatakan dalam bahasa persamaan matematik.
Corak yang jelas juga jelas dalam kes kompas: Pindahkannya dan titik jarum utara lagi. Saya boleh membayangkan seorang pemikir Einstein muda yang mesti ada undang-undang am yang menetapkan bahawa jarum logam yang digantung digerakkan ke utara. Tetapi tiada undang-undang sedemikian wujud. Apabila terdapat medan magnet di rantau, objek logam tertentu mengalami kekuatan yang menjajarkannya di sepanjang arah medan, walau apa pun arahan itu berlaku. Dan medan magnet bumi berlaku ke arah utara.
Contohnya mudah tetapi pengajaran yang mendalam. Corak alam kadang kala mencerminkan dua ciri yang saling berkaitan: hukum fizikal asas dan pengaruh alam sekitar. Ia adalah sifat alam semula jadi versus pemeliharaan. Dalam kes kompas, membuang kedua-dua itu tidak sukar. Dengan memanipulasinya dengan magnet, anda dengan mudah menyimpulkan orientasi magnet menentukan arah jarum. Tetapi mungkin terdapat situasi lain di mana pengaruh alam sekitar sangat meresap, dan seterusnya melampaui keupayaan kita untuk memanipulasi, akan menjadi jauh lebih mencabar untuk mengenali pengaruh mereka.
Ahli fizikal menceritakan perumpamaan tentang ikan yang menyelidiki undang-undang fizik tetapi begitu terbiasa dengan dunia berair mereka, mereka gagal mempertimbangkan pengaruhnya. Perjuangan ikan dengan kuat untuk menerangkan perubahan tanaman yang lembut dan juga pergerakan mereka sendiri. Undang-undang yang mereka temukan akhirnya adalah kompleks dan sukar dikawal. Kemudian, satu ikan yang cemerlang mempunyai terobosan. Mungkin kerumitan mencerminkan undang-undang asas yang sederhana yang bertindak sendiri dalam persekitaran yang rumit-yang dipenuhi dengan bendalir yang likat, tidak dapat dikompresif dan luas: lautan. Pada mulanya, ikan yang berwawasan itu diabaikan, malah ditertawakan. Tetapi perlahan-lahan, yang lain juga menyedari bahawa alam sekitar mereka, walaupun kebiasaannya, mempunyai kesan yang besar terhadap semua yang mereka perhatikan.
Adakah perumpamaan itu dipotong lebih dekat ke rumah daripada yang kita fikirkan? Mungkin terdapat ciri-ciri lain yang lebih halus dan meluas dalam persekitaran yang, sejauh ini, kita gagal gagal untuk memahami dengan betul? Penemuan zarah Higgs oleh Large Hadron Collider di Geneva telah meyakinkan para ahli fizik bahawa jawapannya adalah sangat baik.
Hampir setengah abad yang lalu, Peter Higgs dan segelintir ahli fizik lain cuba memahami asal-usul ciri fizikal asas: massa. Anda boleh memikirkan jisim sebagai objek objek atau, lebih tepat lagi, kerana rintangan yang ditawarkan untuk mempunyai usulnya berubah. Tolak tren keretapi (atau bulu) untuk meningkatkan kelajuannya, dan rintangan yang anda rasa mencerminkan jisimnya. Pada tahap mikroskopis, jisim kereta api berasal dari molekul dan atom konstituennya, yang dibina dari zarah, elektron dan kuark. Tetapi di manakah massa ini dan zarah asas lain berasal?
Apabila ahli fizik pada tahun 1960 meniru kelakuan zarah-zarah ini menggunakan persamaan yang berakar dalam fizik kuantum, mereka mengalami teka-teki. Sekiranya mereka membayangkan bahawa zarah-zarah itu tidak beramai-ramai, maka setiap istilah dalam persamaan diklik dalam corak simetri yang sempurna, seperti petua salji yang sempurna. Dan simetri ini bukan hanya elegan secara matematik. Ia menerangkan corak yang jelas dalam data eksperimen. Tetapi-dan inilah teka-teki fizikal yang tahu bahawa zarah-zarah itu mempunyai jisim, dan apabila mereka mengubah persamaan untuk menjelaskan fakta ini, keharmonian matematik telah dimanjakan. Persamaan menjadi kompleks dan sukar dikawal dan, lebih buruk lagi, tidak konsisten.
Apa nak buat? Inilah idea yang dikemukakan oleh Higgs. Jangan gerakkan massa partikel di bawah tekak persamaan yang indah. Sebaliknya, simpan persamaan murni dan simetrik, tetapi pertimbangkan mereka beroperasi dalam persekitaran yang pelik. Bayangkan semua ruang diisi dengan bahan yang tidak dapat dilihat-kini dikenali sebagai medan Higgs-yang memaksa daya seret pada zarah apabila mereka mempercepatkannya. Tolak pada zarah asas dalam usaha untuk meningkatkan kelajuannya dan, menurut Higgs, anda akan merasakan daya seret ini sebagai perlawanan. Betul, anda akan mentafsir perlawanan sebagai jisim zarah. Untuk tempat mental, fikirkan bola ping-pong terendam di dalam air. Apabila anda menolak bola pingpong, ia akan berasa lebih besar daripada yang dilakukan di luar air. Interaksi dengan persekitaran berair ini mempunyai kesan mengagumkan dengan massa. Jadi dengan zarah-zarah tenggelam dalam bidang Higgs.
Pada tahun 1964, Higgs mengemukakan kertas kepada jurnal fizik yang terkenal di mana dia menggubal idea ini secara matematik. Kertas itu ditolak. Tidak kerana ia mengandungi kesilapan teknikal, tetapi kerana premis sesuatu benda yang tidak kelihatan melanda ruang, berinteraksi dengan zarah-zarah untuk memberi jisim mereka, dengan baik, semuanya kelihatan seperti tumpukan spekulasi yang terlalu besar. Editor jurnal itu menganggapnya "tidak relevan dengan fizik."
Tetapi Higgs bertekun (dan karya yang disemaknya muncul pada tahun itu dalam jurnal lain), dan ahli fizik yang meluangkan masa untuk mengkaji cadangan itu secara beransur-ansur menyedari bahawa gagasannya adalah genius, yang membolehkan mereka memakan kek dan memakannya . Dalam skema Higgs, persamaan fundamental dapat mengekalkan bentuk murni mereka kerana kerja kotor menyediakan massa partikel diturunkan ke persekitaran.
Walaupun saya tidak menyaksikan penolakan awal cadangan Higgs pada tahun 1964 (dengan baik, saya berada di sekeliling, tetapi hanya sedikit), saya dapat membuktikan bahawa pada pertengahan 1980-an, penilaian telah berubah. Masyarakat fizik, untuk sebahagian besar, sepenuhnya membelikan idea bahawa terdapat ruang Higgs yang meresap. Sebenarnya, dalam kursus siswazah yang saya ambil yang meliputi Model Standard Fizik Partikel (persamaan kuantum fizik telah dipasang untuk menggambarkan zarah-zarah benda dan daya dominan yang mana mereka mempengaruhi satu sama lain), profesor itu menyampaikan Higgs bidang dengan kepastian sedemikian sehingga selama ini saya tidak tahu ia belum ditubuhkan secara eksperimen. Sekali-sekala, ini berlaku dalam fizik. Persamaan matematik kadang-kadang dapat menceritakan kisah yang meyakinkan, mereka mungkin kelihatannya memancarkan realiti dengan begitu kuat, sehingga mereka menjadi lebih kuat dalam bahasa fisika kerja, bahkan sebelum ada data untuk mengesahkannya.
Tetapi hanya dengan data bahawa pautan ke realiti boleh dipalsukan. Bagaimanakah kita boleh menguji bidang Higgs? Ini adalah di mana Large Hadron Collider (LHC) masuk. Mengelombang beratus-ratus meter di bawah Geneva, Switzerland, menyeberangi sempadan Perancis dan kembali lagi, LHC adalah terowong pekeliling hampir 17 batu yang berfungsi sebagai litar untuk menghancurkan zarah-zarah perkara bersama-sama. LHC dikelilingi oleh kira-kira 9, 000 magnet superkonduktor, dan adalah rumah kepada gerombolan penunjuk proton, berbasikal di sepanjang terowong di kedua-dua arah, yang magnetnya mempercepat untuk hanya malu dari kelajuan cahaya. Pada kelajuan sedemikian, cambuk proton sekitar terowongan kira-kira 11, 000 kali setiap saat, dan apabila diarahkan oleh magnet, terlibat dalam berjuta-juta perlanggaran dalam sekejap mata. Tangkapan, seterusnya, menghasilkan penyepuh zat-zat yang seperti kembang api, yang mengesan dan mengesan pengesan raksasa.
Salah satu motivasi utama untuk LHC, yang menelan kos $ 10 bilion dan melibatkan ribuan saintis dari berpuluh-puluh negara, adalah untuk mencari bukti untuk bidang Higgs. Matematik itu menunjukkan bahawa jika idea itu betul, jika kita benar-benar direndam di dalam lautan lapangan Higgs, maka perlanggaran zarah yang ganas itu sepatutnya dapat menyeberang padang, sebanyak dua kapal selam bertabrakan akan menggelindingkan air di sekelilingnya. Dan selalunya, jiggling sepatutnya tepat untuk melepaskan satu titik di lapangan - satu titisan kecil dari lautan Higgs-yang akan muncul sebagai zarah Higgs yang lama dicari.
Pengiraan juga menunjukkan bahawa zarah Higgs tidak stabil, hancur ke dalam zarah lain dalam pecahan minuskulus satu saat. Di dalam maelstrom zarah-zarah bertembung dan awan tebal serpihan zarahan, para saintis bersenjata dengan komputer berkuasa akan mencari cap jari Higgs - corak produk kerosakan yang ditentukan oleh persamaan.
Pada waktu pagi pada 4 Julai 2012, saya berkumpul dengan kira-kira 20 orang sahabat lain di sebuah bilik persidangan di Aspen Centre for Physics untuk melihat aliran hidup sidang akhbar di kemudahan Large Hadron Collider di Geneva. Kira-kira enam bulan lebih awal, dua kumpulan penyelidik bebas yang didakwa mengumpul dan menganalisis data LHC telah mengumumkan tanda kuat bahawa zarah Higgs telah ditemui. Desas-desus kini terbang mengelilingi komuniti fizik adalah bahawa pasukan akhirnya mempunyai bukti yang cukup untuk menanggung tuntutan definitif. Ditambah pula dengan hakikat bahawa Peter Higgs sendiri telah diminta untuk melakukan perjalanan ke Geneva, terdapat motivasi yang cukup untuk tinggal di masa lalu 3 pagi untuk mendengar pengumuman secara langsung.
Dan sebagai dunia datang dengan cepat belajar, bukti bahawa zarah Higgs telah dikesan cukup kuat untuk menyeberangi ambang penemuan. Dengan zarah Higgs yang kini secara rasminya ditemui, penonton di Geneva telah menjadi tepuk tangan liar, seperti juga kumpulan kecil kami di Aspen, dan tidak syak lagi berpuluh-puluh perhimpunan serupa di seluruh dunia. Peter Higgs menghilangkan air mata.
Dengan tahun penglihatan, dan data tambahan yang hanya berfungsi untuk menjadikan Higgs lebih kuat, inilah cara saya merumuskan implikasi yang paling penting dalam penemuan.
Pertama, kami telah lama mengetahui bahawa terdapat penduduk yang tidak kelihatan di angkasa. Gelombang radio dan televisyen. Medan magnet bumi. Bidang graviti. Tetapi tidak ada yang kekal. Tiada yang tidak berubah. Tiada yang hadir seragam di seluruh alam semesta. Dalam hal ini, bidang Higgs pada asasnya berbeza. Kami percaya nilainya adalah sama di bumi seperti Saturnus, di Orion Nebula, di seluruh Galaxy Andromeda dan di mana-mana sahaja. Setakat yang dapat kita katakan, bidang Higgs tidak dapat dicetak pada kain spatial.
Kedua, zarah Higgs mewakili satu bentuk perkara baru, yang telah banyak dijangka selama beberapa dekad tetapi belum pernah dilihat. Pada awal abad ke-20, ahli fizik menyedari bahawa zarah, selain daripada jisim dan muatan elektrik mereka, mempunyai ciri yang menentukan ketiga: putaran mereka. Tetapi tidak seperti puncak kanak-kanak, spin zarah adalah ciri intrinsik yang tidak berubah; ia tidak mempercepatkan atau melambatkan masa. Elektron dan quark semuanya mempunyai nilai spin yang sama, manakala spin zarah-zarah cahaya-ialah dua kali ganda daripada elektron dan kuark. Persamaan yang menggambarkan zarah Higgs menunjukkan bahawa-tidak seperti mana-mana spesis zarah asas lain-ia tidak sepatutnya tidak berputar. Data dari Hadron Collider Besar kini telah mengesahkannya.
Mewujudkan kewujudan bentuk bahan baru adalah pencapaian yang jarang berlaku, tetapi hasilnya mempunyai resonans dalam bidang lain: kosmologi, kajian saintifik tentang bagaimana seluruh alam semesta bermula dan berkembang menjadi bentuk yang kini kita saksikan. Selama bertahun-tahun, para ahli kosmologi yang mempelajari teori Big Bang telah ditekan. Mereka telah menyusun satu gambaran yang kukuh tentang bagaimana alam semesta berevolusi dari perpecahan kedua selepas permulaan, tetapi mereka tidak dapat memberikan apa-apa wawasan tentang apa yang mendorong ruang untuk mula berkembang di tempat pertama. Apa daya yang boleh dikenakan seperti tolangan yang kuat? Untuk semua kejayaannya, teori Big Bang meninggalkan bang.
Pada tahun 1980-an, penyelesaian yang mungkin ditemui, satu yang berdering dengan loceng Higgsian yang kuat. Jika rantau ruang serasi dengan bidang yang mana unsur-unsur partikelnya tidak berputar-putar, maka teori graviti Einstein (teori relativiti umum) mendedahkan bahawa satu kuasa yang menjijikkan dapat dijana-sebuah bang, dan yang besar pada itu. Pengiraan menunjukkan bahawa sukar untuk merealisasikan idea ini dengan medan Higgs sendiri; kewajipan berganda menyediakan massa partikel dan membakar bang membuktikan beban besar. Tetapi ahli-ahli sains mendalam menyedari bahawa dengan meletakkan padang "seperti Higgs" yang kedua (mempunyai spin yang lenyap yang sama, namun jisim dan interaksi yang berbeza), mereka dapat memecah beban-satu medan untuk jisim dan yang lainnya untuk menolak-dan menawarkan penjelasan yang menggembirakan mengenai bang. Oleh kerana itu, selama lebih dari 30 tahun, ahli fizik teori telah bersungguh-sungguh meneroka teori-teori kosmologi di mana bidang-bidang seperti Higgs itu memainkan peranan penting. Beribu-ribu artikel jurnal telah ditulis mengembangkan idea-idea ini, dan berbilion-bilion dolar telah dibelanjakan untuk pemerhatian ruang dalam mencari-dan mencari-bukti tidak langsung bahawa teori-teori ini secara tepat menggambarkan alam semesta kita. Pengesahan LHC bahawa sekurang-kurangnya satu bidang tersebut sebenarnya wujud dengan demikian meletakkan generasi teori kosmologi pada asas yang lebih kukuh.
Akhirnya, dan mungkin yang paling penting, penemuan zarah Higgs adalah kejayaan yang menakjubkan dari kuasa matematik 'untuk mendedahkan kerja alam semesta. Ia adalah kisah yang telah dibangkitkan dalam fizik berkali-kali, tetapi setiap contoh baru menggembirakan sama. Kemungkinan lubang hitam muncul dari analisis matematik ahli fizik Jerman, Karl Schwarzchild; pemerhatian berikutnya membuktikan bahawa lubang hitam adalah nyata. Cosmology Big Bang muncul dari analisis matematik Alexander Friedmann dan juga Georges Lemaître; pemerhatian seterusnya membuktikan wawasan ini betul juga. Konsep anti-perkara pertama muncul dari analisis matematik ahli fizik kuantum Paul Dirac; eksperimen berikutnya menunjukkan bahawa idea ini juga betul. Contoh-contoh ini merasakan apa yang ahli fizik matematik hebat Eugene Wigner bererti apabila dia bercakap tentang keberkesanan matematik yang tidak munasabah dalam menggambarkan alam semesta fizikal. Bidang Higgs muncul dari kajian matematik yang mencari mekanisme untuk mengendapkan zarah dengan massa. Dan sekali lagi matematik telah melalui warna terbang.
Sebagai ahli fizik teori saya sendiri, salah satu daripada banyak yang didedikasikan untuk mencari apa yang disebut Einstein sebagai "teori bersatu" -nya hubungan yang sangat tersembunyi di antara semua daya alam dan perkara yang Einstein bermimpi, lama setelah ketagihan pada fizik oleh cara misteri kompas -Penemuan Higgs amat menggembirakan. Kerja kami didorong oleh matematik, dan setakat ini tidak dapat dihubungi dengan data eksperimen. Kami cemas menunggu tahun 2015 apabila LHC yang dinaik taraf dan lebih kuat akan dihidupkan semula, kerana terdapat peluang berjuang bahawa data baru akan memberikan bukti bahawa teori kami menuju ke arah yang benar. Penonjolan utama akan merangkumi penemuan kelas zarah sehingga tidak kelihatan (disebut "zarah supersymmetric") yang persamaan kami meramalkan, atau petunjuk kemungkinan liar dimensi ruang di luar ketiga yang kita semua pengalaman. Lebih banyak lagi yang menarik akan menjadi penemuan sesuatu yang tidak diantisipasi sepenuhnya, menghantar kami semua pulang balik ke papan hitam kami.
Ramai di antara kita telah berusaha untuk mengukur gunung-gunung matematik ini selama 30 tahun, beberapa lebih lama lagi. Kadang-kadang kita merasakan teori bersatu itu hanya di luar hujung jari kita, sementara pada masa-masa lain kita benar-benar meraba-raba dalam kegelapan. Rangsangan besar untuk generasi kita menyaksikan pengesahan Higgs, untuk menyaksikan pandangan matematik yang berusia empat dekad yang disedari sebagai pop dan retak di pengesan LHC. Ia mengingatkan kita untuk mengambil kata-kata pemenang Nobel Steven Weinberg ke hati: "Kesilapan kita bukanlah bahawa kita mengambil teori-teori kita terlalu serius, tetapi kita tidak mengambilnya cukup serius. Selalu sukar untuk menyedari bahawa angka dan persamaan yang kita mainkan di meja kami mempunyai kaitan dengan dunia nyata. "Kadang-kadang, nombor dan persamaan itu mempunyai keupayaan yang luar biasa, menakutkan yang terang untuk menerangi sudut gelap realiti. Apabila mereka berbuat demikian, kita mendapat lebih dekat untuk menguasai tempat kita di alam semesta.
