每每講到「粒子」，小孩會想到球，工程師會想到化學元素，而家庭主婦大概會想到鹽或糖吧。近年來科學界最大的盛事之一，甚至被譽為百年來最重大的發現、被拿來跟人類登陸月球相提並論的，便是今年七月四日歐洲「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider、簡稱LHC）的實驗團隊，在瑞士日內瓦大陣仗地召開全球記者會，而各報章媒體也隨之起舞，說是找到「上帝粒子」了！真的是這樣嗎？這個記者會讓八十多歲、極可能因此而獲得諾貝爾獎的希格斯教授（Prof. Higgs）流下老淚，也讓英國劍橋大學的史蒂芬‧霍金教授因此而打賭輸掉了一百美金。這上帝粒子究竟有多神奇呢？

「粒子物理」一分鐘課程

在你被「物理」二字嚇跑之前，姑且給我一分鐘來教會你粒子物理的基本概念。在物理上，粒子常被簡稱為「子」，英文用字尾 -on來表示，例如電子叫electron、質子叫proton，「子」其實指的就是天地間的「基本元素」，目前規範它的主流理論稱為「標準模型」（Standard Model），它將這些基本元素分為兩大類，一類為組成物質的元素，稱作「費米子」（Fermion），而另一類則是負責物質間交互作用的元素，稱作「玻色子」（Boson）。這就像是一群手機彼此間在通訊，每一支手機都是費米子，而它們彼此間所傳遞的訊號則是玻色子，這些訊號能由一支手機傳到另一支，讓另一支手機響起來、或是讓它出現文字訊息，可說主宰著手機和手機之間的交互作用，就像玻色子主宰著費米子之間的交互作用一樣。

由LHC的CMS偵測器所記錄到的上帝粒子可能跡象，圖中的綠線和黃線便是極可能由希格斯玻色子所衰減成的光子對。

「上帝粒子」在人間

俗稱的上帝粒子其實指的是希格斯教授於半個世紀前利用標準模型所提出的一種新粒子，屬於上述的玻色子，因此後人正式將之稱作「希格斯玻色子」，其提供的「交互作用」就是讓粒子「具有質量」。在此之前，並無理論能解釋為何物質具有質量。質量與慣性的概念雖早在牛頓時代就已被提出，但一直是停留在現象學的階段，例如，為何有的物質其質量大而慣性大，但有的質量小而慣性小。因此若希格斯教授提出的這種新粒子真的被證實存在，那人類對宇宙中的物質了解便算是有重大的突破。由於這個學理上的重要性，自九○年代起人們便開始戲稱它為上帝粒子，來突顯它的重要性！但也有人認為這個暱稱是誇大其辭，並不適妥。

上帝粒子讓物質「天賦質量」

上帝粒子讓物質具有質量的物理原理很深奧，但卻仍可用簡單的比喻來說明。它就像是海灘上的小朋友，而一般的物質就像是賣冰的小販，當賣冰的小販前進時，必定會被想買冰或好奇的小朋友所包圍而只能緩慢前進。小販的規模就好比質量的大小，規模越大，包圍它的小朋友就會越多，它就會越難前進，也就是慣性越大。反之如果沒有小朋友們，小販就能進退自如，完全顯現不出質量的慣性本質。

上帝粒子「創世紀」

話說回來，從我專長的宇宙學角度來看，這個上帝粒子其實確有其創造萬物的本質。希格斯粒子其實有很多種，它的「純量場」（scalar field）數學形式長期以來一直有爭議，因為物理界目前並沒有找到任何粒子是以純量場的形式存在，但是在目前已漸漸廣被接受的宇宙學模型中，大爆炸之前是所謂的宇宙「暴脹」階段（Inflation），也就是宇宙加速膨脹的階段，而造成宇宙暴脹的便是具有純量場形式的「暴脹子」（inflaton）。整個暴脹理論的發展，其實就是建構在希格斯粒子的純量場概念之上，也就是它可以是暴脹子的一種，而暴脹子在暴脹結束後，會轉換為今日所見的各種粒子，因此稱它為創世的上帝粒子其實並不為過，只是這類的希格斯粒子，其質量要比目前LHC正在尋找的，高出至少100兆倍，也就是目前的人類科技暫時無法利用實驗來製造或尋找它！

上帝粒子真的已找到？

在LHC的記者會和官方文件中，其實並沒有說「已找到希格斯玻色子」，他們只說，目前的實驗數據確定發現前所未見的新粒子，其特性和尋找中的希格斯玻色子暫時相符，至於是否就是希格斯粒子，則還需要幾個月的時間作進一步的實驗確認，也就是說，找到與否的真相，將在年底前大白。讓我們拭目以待吧！

【完整內容請見《BBC知識國際中文版》第十三期（2012年9月號）。】