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2013物理諾獎的「軍功章」有多國科學家的一半

諾貝爾獎委員會頒發2013年度諾貝爾物理學獎的主要理由是恩格勒和希格斯在1964年提出了粒子物理學中的標準模型理論和預測希格斯玻色子的存在,歐洲核子研究中心(CERN)的科學家使用大型強子對撞機(LHC)從2008年開始試驗,在2012年7月4日初步驗證了一種非常接近希格斯粒子的新粒子。相比較而言,霍金提出的「霍金輻射」理論同樣具備諾貝爾物理學獎的水準,然而理論的提出是一回事,對理論的驗證則是另一回事,要在地球上的物理實驗室驗證「霍金輻射」理論,它的難度估計不會低於用LHC驗證希格斯玻色子。希格斯比霍金提前獲得諾貝爾物理學獎就在於理論的可檢驗性,或者說大型強子對撞機的質子對撞實驗數據是希格斯和恩格勒榮獲2013物理學最高獎項的關鍵,資料顯示,包括中國在內的數千名多國科學家在科學的國際主義精神號召之下,以「勞動者之歌」的熱情參加了LHC「偉大的創舉」的科學實驗。

大型強子對撞機對微觀粒子的探索是人類科學史上最偉大的實驗,大型強子對撞機也是世界上最大的粒子加速器,這部世界上最宏偉的機器建造在法國和瑞士的邊界,深埋在地下100米的環形隧道中,隧道全長接近27公里,相當於一條地鐵線的長度。幾十年之前,中國建成的北京正負電子對撞機只有50億電子伏特,隧道周長是240米,而歐洲核子研究中心在2008年啟動的LHC,加速器的能量達到了35000電子伏特,隧道的周長成倍地延伸。LHC的研究對象是10的負17次方的「小的不能再小」了的微觀粒子,讓這些粒子分裂出來就需要非常高的能量,能量越高,所需要的加速器就越大。在LHC的磁場隧道中,數以百萬計的粒子如果在環形隧道中被加速起來,速度可以達到「極限狀態」,約等於光速的99、99%,同時,在磁場隧道中,為了避免粒子束流與空氣分子發生碰撞,隧道的環境如同星際空間的「真空」一樣,氣壓僅為大氣壓的10的負13次方,比月球上的大氣壓還要小很多。

大型強子對撞機承受溫度變化的差值達到了人類工程的極限,對撞機採用了超流體氦冷卻等手段,粒子束運行時的加速腔在工作時的溫度僅為零下271.3攝氏度,比遙遠太空的某些地方還要冷;而兩束粒子流發生對撞的時候,碰撞點的瞬時溫度可以達到太陽中心溫度的10萬倍。LHC創造了「史上最嚴」的極端物理學的環境,中國科學院與國內的一些大學都參加了這個國際項目的合作,在中國科學院、科技部、國家自然科學基金委共同資助下,國內多所大學的科學家成為了LHC「大項目國際合作」的中方成員。據中國科學研究院的專家介紹,LHC的4個探測器中的每一個都有約1000多名來自世界各地的科學家參入研製,其中CMS和ATLAS兩個探測器是最重要的,中國科學家參入到了在LHC隧道里安裝4個探測器,其中中國科學院高能物理研究所牽頭組織了對CMS和ATLAS探測器的安裝,而CMS和ATLAS這兩個項目的實驗室正是尋找希格斯粒子,以及發現時空的額外維度和宇宙中暗物質的實驗機構。

40多個國家和地區的大約3000名科學家參入了CMS和ATLAS的實驗,其中中國內地的4家科研機構參入了CMS實驗,中國科學院高能物理所和北京大學等組成了中國組,建造了三分之一的端部繆子探測器的陰極條室和陽極板室;中國科學院上海硅酸鹽研究所提供了核心的探測材料;中國科技大學參入了電磁量能器的研製等等,CMS中國組在中科院高能所建立了CMS實驗遠程控制中心,與歐洲的核子研究中心和美國的費米國家實驗室一起輪班承擔CMS實驗的一部分實時的控制工作。中國科學院高能物理學研究所的計算機中心還建立了LHC數據分析的網路平台,加入到全球LHC的實驗數據分析網路,為中國和世界各國的物理學家提供及時的數據信息服務。中國在歐洲核子研究中心旗下的CMS和ATLAS的兩個項目中提供的經費和科研人員佔到了百分之一左右,而中國的貢獻卻遠遠超出了百分之一。目前,大型強子對撞機正在進行全面維護升級,準備在2015年對希格斯粒子,多維度時空和暗物質等前沿物理學領域進行實驗探索。

希格斯至今反對「希格斯粒子」,或者「上帝粒子」的提法,其中的一個原因是在希格斯、恩格勒和布繞特之前,印度的物理學家玻色首先提出了「玻色理論」,玻色子就是以這位印度科學家的名字命名的,所以希格斯玻色子是最準確的提法。玻色的理論和發現成為了描述兩種基本類型的亞原子粒子的基礎,這兩種亞原子粒子後來分別以玻色和義大利科學家費爾米的名字命名,稱之為玻色子和費米子。玻色1894年出生在印度的加爾各答,1974年去世,在物理學上做出過諾貝爾獎級別的貢獻,一生中卻從未獲得過諾貝爾物理學獎,而不少研究玻色子的科學家相繼獲得了諾貝爾物理學獎,當然也包括由於提出了希格斯玻色子概念而榮獲2013諾貝爾物理學獎的希格斯。在1924年玻色子在給愛因斯坦的一封信中提出了光粒子計算的理論,愛因斯坦在這一理論的基礎上,開發出了「玻色——愛因斯坦冷凝現象」,為玻色子理論研究打下了基礎。為了紀念玻色的科學偉業,印度在加爾各答建立了玻色國家中心,在印度人民的心目中,玻色是一位當之無愧的諾獎獲得者。

諾貝爾獎委員會將2013年度的物理學獎授予恩格勒和希格斯也是對在歐洲核子中心大型強子對撞機實驗室工作的各國科學家巨大貢獻的認可和讚許,中國的科學家在這一最大的國際科學合作的項目中作出了突出的貢獻,理應分享諾貝爾獎的榮譽,他們參加了對撞機的探測器部件的研製、生產、安裝和調試,參加了實驗的控制和數據的分析,正是中國和各國科學家堅持不懈的努力,探知未知世界的堅定信念,才能夠取得來自不易的實驗成果,也正是這樣的成果,加深了我們對於微觀物質世界的本質認識,深化了我們對於科學無國界信念的把握,在加強國際科學合作的過程中,中國自身的科學技術水平得到了很大提升,科技人員拓展了視野,而中國作為一個經濟和科學快速進步的大國,理應對世界科學做出更大的貢獻。當然諾貝爾獎委員會也沒有必要設立一個「特別貢獻獎」來獎勵那些參入科學合作的各國科學家們。

2013-10-14

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