“上帝粒子”现身居首位

清莲

2012年的重大科学突破“上帝粒子”现身居首位

本报记者 文敏

　　本报记者 文敏

　　《科学》杂志12月20日公布了本年度10大科学突破、《自然》杂志也在同一天回顾了2012年的重大科学事件：希格斯玻色子的发现、“好奇”号的着陆系统、基因组的精密工程……人类走向极致的创纪录表现、对能源的重新思考、对病毒的最新探索等等。在《自然》杂志揭晓的2012十大科学人物中，中国华大基因总裁王俊位列其中。

　　亮点一：发现起源粒子

　　不约而同地，两大科学杂志都把“希格斯玻色子”的发现列为2012年度科学重大成果。也许，即将过去的2012年，真是属于物理学家的幸运年。

　　希格斯玻色子是一种亚原子粒子，也就是说，理论上认为它应当是构成宇宙的最基本组成部件之一。但它极为重要又难以寻觅，常被称作“上帝粒子”。科学家们提出的物理学标准模型预言了这种粒子的存在，其作用是解释为何其他粒子会拥有质量。根据这一理论，在宇宙大爆炸之后，一种看不见的力，即希格斯场和与之相对应的粒子——希格斯-玻色子一同形成。正是这个场赋予其他基本粒子以质量的属性。

　　在过去的16年中，基本可以用郁闷这个词来形容粒子物理学家的集体状态，因为自从1995年发现了顶夸克，他们已经有16年没有发现任何新粒子了。

　　在宇宙大爆炸发生137亿年之后，为了捕获希格斯粒子，人类齐集了最尖端的科学技术，尝试还原当时爆炸的一瞬间。在横跨法国和瑞士边境的大地之下，大型强子对撞机占据着一条长27公里的圆形隧道。这个空旷的地下世界相当于4个梵蒂冈，如果你要走完全程，要花上整整4个小时。全世界几十万台计算机组成了巨大的分析网络。如此强大的阵容，只是为了寻找一个小得几乎不占任何空间的粒子。这一切，还得先从40多年前一个名为斯蒂芬·温伯格的物理学家所提出的“标准模型”说起。

　　用英国曼彻斯特大学理论物理学家杰夫·佛尔莎的话说，标准模型就像它的名字一样雄心勃勃，意味着“我们肉眼可见的一切，无论多么复杂而多元，都是由一小撮基本的粒子，根据同样简单的规律相互作用而构建起来的”。“一开始，根本没人相信这个。”中国科学院理论物理研究所研究员李淼说，有关标准模型的论文发表后，3年内皆无任何引用，直到上世纪70年代初期，其预言的“中性流”首次被实验证实，模型才为学界重视。随后的20多年里，这个模型经受了各种挑战，终于在1979年斩获诺贝尔奖。直到今天，它所预言的61种基本粒子已有60种被成功发现，剩下最后一个，就是希格斯粒子。但这个漏网之鱼，恰恰是“标准模型”这幢摩天大楼的根基所在。

　　欧洲核子中心2012年7月4日举行新闻发布会，宣布了这一重大新闻。英国著名科学家霍金在表达祝贺之余提到：“我曾经和美国密歇根大学的凯恩教授打赌，认为希格斯玻色子不会被找到，看来我刚刚输掉了100美元。”记者从中科院高能物理研究所获悉，中国科学家亦为实验作出贡献。参与实验值班的北京大学高能物理钱思进教授说，这是50年来全球数千名科学家在艰辛努力后得到的结果。钱思进教授说，找到新粒子绝不是实验的终止，而是新的开端，今后的工作也将更多、更艰巨，意义也更深远。

　　为什么希格斯玻色子如此重要？第一，它是标准模型中唯一还没有被发现的粒子，因为它的质量最大，只有大型强子对撞机可以，它的工作原理是将两束质子流以接近光速的速度迎头相撞，在此过程中得到其它粒子。第二，它和电子、光子、夸克等我们耳熟能详的基本粒子不同，它是个奉献者，是其他粒子静质量的来源。

　　如果没有希格斯玻色子，世界会变成什么样？那样的世界里，所有的基本粒子都是以光速在运动。由于基本粒子间传递相互作用的速度就是光速，于是意味着难以存在由夸克形成的稳定原子核。而电子若静质量为零，更意味着不可能形成原子，分子。这样，宇宙中便不会有出现各式各样的星球，更不会出现生命。

　　亮点二：探索生命环境

　　在《自然》杂志的回顾中，人类探索生命环境的科学事件占据了较大比例。

　　“这是轮子！这是轮子！”人们已经哭出声来——美国宇航局（NASA）的科学家看到了他们的“好奇”号探测器登陆到火星表面后的第一个画面：在那里，一架悬浮的太空起重机刚刚将这架探测器轻轻地放在了地上。

　　而在太阳系之外，多亏开普勒空间望远镜的鹰眼，新的行星已经进入人们的视野——它现在已经积累了大约3000个新世界的候选者。

　　地基观测也扮演了一个重要角色：科学家在邻近的恒星系统——阿尔法半人马座，仅1.34秒差距（约合4.4光年）——发现了一颗地球般大小的系外行星。全球其他的空间成就还包括，NASA的“黎明”号探测器在灶神星上发现了存在水的证据；中国把第一位女航天员刘洋送上了轨道。

　　但是一家私人公司却成为了今年空间发射新闻的头条：10月，美国的太空探索技术公司向国际空间站发射了“龙”货运飞船，从而完成了第一次商业补给任务。这艘太空船是如此成功，以至于这家位于加利福尼亚州霍桑市的公司甚至已经开始考虑火星之旅。

　　这个夏天极具戏剧性：北极冰川融化创造新的纪录；美国遭遇半个世纪以来最严重干旱，而10月末，其东部海岸却遭遇飓风“桑迪”的袭击。这让人们真正感受到了全球气候变暖带来的威胁。这场飓风不仅导致500亿美元的损失，还触发人们更加关注如何应对越来越多的极端气候，而非如何预防气候变化。

　　人们对自身基因组的认识仅仅是冰山一角，在长达10年的“DNA元素百科全书”研究工程的30份论文中，科学家们认为至少80%的基因组是有活性的，可以帮助开启或关闭基因。这些新的细节有望帮助研究人员理解基因受到控制的途径，以及搞清某些疾病的遗传学风险因子。其他雄心勃勃的研究小组也摩拳擦掌，进行大生物学数据研究，包括首次绘就小鼠完整大脑回路图，以及追踪人脑900个解剖结构的基因活性。

　　亮点三：挑战极致底线

　　在这个奥林匹克之年，科学为自己创造了大量向着极致挑战的纪录。《自然》杂志专门回顾了这些新纪录。

　　在20年的钻探之后，一个俄罗斯研究小组在2月份突破了3.8千米厚的南极冰层，最终到达了沃斯托克湖，后者是被隔绝了数百万年的一个巨大水体。早期的样本分析并没有发现任何生命的痕迹——之前大多数科学家认为这恰恰是湖中应该具有的。

　　然而就在这几天，一个希望能够到达埃尔斯沃斯湖——这是南极大陆冰川下的另一个湖泊——的英国研究小组正在与用来钻透冰层的高压热水射流的技术难题作斗争。

　　与此同时，美国电影导演詹姆斯·卡梅隆成为独自下潜到这颗行星最深处——马里亚纳海沟沟底约11千米深处的第一人。

　　还有一件扣人心弦的事——虽然缺少些科学价值，特技跳伞运动员费利克斯·鲍姆加特纳在美国新墨西哥州超过39000米的高空一跃而下，突破了声速以及从上世纪60年代保持的高度纪录。