缘何催泪弹会令人泪如泉涌,上帝粒子或已出现

让人泪流满面的除了洋葱,还有不那么常见的催泪弹。

数学相当强调“量化”的概念。用热恋中的情侣最爱说的话来举例就是:

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François Englert)和彼得·希格斯(Peter W. Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。

催泪弹的历史

催泪气体开始广泛用来对抗人类,是在第一次世界大战前后。在一战爆发前的1912年,法国就已经将溴乙酸乙酯(Ethyl bromoacetate)作为催泪气体用于警察勤务中 [1]。后来一战爆发,在西部战线伊珀尔(Ypres)防守的法军,也将装有溴乙酸乙酯的手榴弹用来对抗德军。接着德军积极投入研发,才让催泪气体在战场上发扬光大。 [2]

第一次世界大战之后,1925年的日内瓦协议禁止将具有窒息性、毒性的气体、液体、物质或者微生物应用于战争之中——当然,也包括催泪气体。不过协议是针对战争期间规范的,至于是否能将催泪或是催吐(像是二苯胺氯胂)剂用在防暴行动中,仍有不同的看法 [3]。也就是因为这样,所以我们还是能在世界各地许多群众运动中,看到警察使用催泪弹。

你到底有多爱我?

划时代的发现

7 月 4 号,欧洲夏令时上午 9 点,欧洲核子中心的两场学术报告会和其后的新闻发布会吸引了全世界粒子物理学家全神贯注的关注,同时也吸引了很多媒体和公众的关注。此前,6 月 22 号,网上已经开始流传各种猜测,猜测集中在欧洲核子中心的大型强子对撞机是否将宣布发现了希格斯粒子,即民间传说的上帝粒子。

7 月 4 号,北京的一些粒子物理学家聚集在卡弗里理论物理所。此前,晚睡的我中午接到果壳网的微博私信,要我说明为什么相信今天的新闻发布就是关于发现上帝粒子。我答:第一,因为观测的粒子与自旋为零的中性粒子吻合;第二,信号增强了,根据该粒子衰变后的产物,要么是希格斯粒子,要么是它的姐妹,不论是什么都是大发现;第三,据传置信度是 4.5 个标准差以上。然后我吃了两枚鸡蛋喝了一杯咖啡就去卡弗里所,加入我的同行们一起等候历史的那一刻。同时,我在微博贴上几天前我就贴在土豆网的几个介绍希格斯粒子的通俗视频。

下午 1:30,高能物理所的高杰教授开始介绍中国将加入建设的直线加速器的情况。这台加速器是为了研究大型强子对撞机将获得的发现的更加具体细节。我无心听讲,开始调试欧洲核子中心的直播视频,同时瞄一眼微博,再瞄一眼兴奋的高杰教授。其余人鸦雀无声。视频上,欧洲核子中心那边各色人等陆续进场,实验物理学家、理论物理学家、记者。我看到了希格斯本人进场了,还有我的朋友 Gerry Guralnik,他是发现希格斯机制的 6 人之一。

下午 3:00,学术报告开始。第一个演讲者是 CMS 探测器的发言人 Joe Incandela,来自加州大学圣芭芭拉分校(我的第一个博士后站点)。3:40,关键的 PPT 打出来了:确实是发现!结合新粒子的两种衰变渠道,证据达到 5 个标准差,也就是99.99994% 的可信度。欧洲核子中心那边全场掌声雷动,我的眼睛湿了,继续发微博。3:50,ATLAS 探测器发言人 Fabiola Gianotti 开始演讲。过程是:致谢,技术细节,技术细节…… 她面部表情一直很严肃,难道 ATLAS 的结果不好? 大家不吭声,但心情难以平静。4:35,关键的 PPT 出来了,同样是 5 个标准差,Gianotti 还没开始解释,那边全场掌声再次雷动,这是发现!这两个独立探测器的结果完全相洽,在 125.5 GeV 左右发现了一个新粒子,衰变的几种方式没有太大区别。

报告结束了,那边学术报告结束新闻发布会开始。我们这边,打开两瓶香槟庆祝,这两瓶当然是事先准备好的,但是任何人都没有料到有机会打开——虽然我料到了。我们一起度过了宣布基础物理近 30 年最重要发现之一的历史时刻。

我在今年 2 月写过一篇题为 2012 年或为物理学突破年 文章中 “预言” 了希格斯粒子将在今年被发现,或者说,将在大型强子对撞机中质子对质子的高能量、密集的对撞中不得不现身。作为物理学 家,多数人会持更加谨慎的态度,而我向来乐观——一种基于理性判断的乐观。其实,我那时的判断还有点谨慎了,我在文章中认为上帝粒子一定在年底之前被欧洲核子中心的两个探测器同时发现——这两个探测器分别拥有三千多名科学家,而 7 月 4 号的学术报告已经说明这两个探测器毫无疑问地发现了一个新粒子,这个新粒子在很多方面的行为像上帝粒子。要验证这个粒子确确实实就是物理学家期待已久的上帝粒子,在大型强子对撞机上工作的物理学家们还需要验证这个粒子的几个关键性质才能肯定。虽然两位报告人没有说它就是上帝粒子,但欧洲核子中心的主任 Rolf Heuer 在新闻发布会上对记者说: “我想我们已经发现了它。”

不论它是希格斯粒子,还是很像希格斯粒子的另一个新粒子,这个发现必将载入物理学发展史。

 

催泪弹的组成

其实催泪弹的组成并不是全都是为了催泪,其主要成分有三种目的:加温、散布、催泪。历史最悠久的催泪成分有三种:溴化二甲苯(Xylyl bromide)、2-氯苯乙酮(Phenacyl chloride,简称CN)以及邻氯代苯亚甲基丙二腈(2-chlorobenzalmalononitrile,简称CS),其中CN毒性最强,所以大多已经被CS取代,用于催泪弹 [4]。除了CS,1962年意外被合成出来的二苯并氧氮卓(Dibenzoxazepine,简称CR)也有用于催泪弹。不过和CS不同,CS容易用水去除,但CR遇水反而会加剧作用,是比较危险的成分。

图片 1催泪弹的主要成分。资料整理自wired.com

事实上,催泪的CS在常温下是固体粉末,为了要让CS能够像气体一样散布,就需要加入其他成分,像是容易挥发的二氯甲烷,让它带着CS扩散在空气中。除此之外,高温也有助于气体散布,所以催泪弹也会加入其他的化学物质来产生高温,加速CS的扩散 [5],这也是为什么不要徒手捡起刚落地的催泪弹,很可能会被烫伤。

图片 2两种投掷式催泪弹的结构。图片来源:operationalmedicine.org

这是个很难回答的问题,跟“数学到底能干嘛”差不多困难。要是随便说个“超爱的”,恐怕对方会立刻展现出一平方公分的白眼,贞子从电视机里爬出来差不多时的极限也差不多是这样了(很,很老的梗吗?)。

理论家的寂寞与荣耀

我们还是回过头来谈谈什么是希格斯粒子,它在物质结构的基本理论即粒子物理中扮演了什么角色,以及为什么它被普通人称为上帝粒子——因为在物理学家的术语中,它的真正名字是希格斯粒子。

从上世纪初到 70 年代,物理学家经过无数次实验以及理论探索,发现所有基本物理现象都可以约化为 4 种基本相互作用:重力以及主导天体运行的万有引力,在我们日常生活中无所不在的电磁力,将夸克结合成核子、再将核子结合成原子核的强作用力,以及使得某些原子核衰变的弱相互作用。除了万有引力之外,后面 3 种相互作用是粒子物理学家的传统研究对象。可以说,世界上还没有什么现象不能用这四种基本力来解释。

上世纪 60 年代是粒子物理学的一个奇特的 10 年。那个时候,最流行的基本理论是粒子碰撞理论,多数粒子物理学家将时间花在计算粒子碰撞上面。我们现在知道,正确描述亚原子世界的语言是量子场论,也就是说,我们这个世界最基本的物理变量是场,就像我们在中学课本中就已经学到的电磁场,只不过,电磁场只是其中的一种。光就是一种电磁场,这是麦克斯韦在 19 世纪认识到的。对应于电磁场,有光子,这是爱因斯坦 1905 年认识到的。量子论将场与粒子统一了起来,就是说,有一种场就有一种粒子,该粒子是这种场最小的波动单元。但是在上世纪 60 年代,粒子物理学被 Geoffrey Chew 的哲学所主导,这个人比杨振宁小两岁,1945 年左右在芝加哥大学时和杨振宁是同学。Chew 认为场论存在根本困难,不是描述我们这个世界的基本语言,他认为基本语言就是粒子和粒子之间的碰撞几率。他发明的一套概念统治了粒子物理学十年,以致某位在普林斯顿工作的著名物理学家在办公室门口贴了一张纸,上面写着: “应 Chew 的号召本人终止场论研究”。 直到 70 年代初场论重新回到统治地位上来。后来,Chew 从教皇位置退到不为人注目的边缘,但他的学生 David Gross 和 John Schwarz 却是超弦理论的大家,前者因发展强相互作用的理论量子色动力学获得 2004 年度诺贝尔物理学奖。

上世纪 60 年代粒子物理学家的主流抛弃了场的概念,却有极少数人坚持研究场论。希格斯是其中之一,另外,同时有 5 个人分成两个小组也在研究希格斯研究的问题。这个问题在当时看上去并不重要,甚至可以说有点无事生非。那么,为什么少数人要无事生非?这得从获得 2008 年度诺贝尔物理学奖的南部阳一郎说起。南部是一位公认的理论物理大家,比杨振宁大一岁,在芝加哥大学也与杨振宁共事过,在获得诺奖之前获得了几乎所有与粒子物理学有关的大奖。南部最好的研究工作同时也是他获奖的理由之一,是发现了超导体中的一种无质量 “粒子”。他的发现后来被古尔德斯通(J. Goldstone)推广为一般性定理,现在通常称为南部-古尔德斯通定理。因为这条定理十分重要,且与希格斯粒子有关,我们通俗地介绍一下这个定理。在物理世界,常常有一些对称性。比如,物理学定律不依赖于实验所在的时间和地点,这是时间和空间的平移对称性,也就是说如果将实验室从欧洲核子中心搬到中国某地,你同样会发现上帝粒子,而且得到的实验结果应该是一样的。在时间和空间对称性之外,还有一些对称性是隐藏的,例如电磁理论中有一种对称性我们用通常的方法看不到,但学习数学后就会看到麦克斯韦方程中的一种对称性,这些对称性往往被称为内部对称性。有时,不论时间空间对称性还是内部对称性会被打破,例如在空间中放置一个东西,远离和靠近这个东西的地方明显不同。南部在研究超导现象时发现,如果一个内部对称性被打破了,会出现一种没有质量的粒子。

南部的定理看上去很抽象,我们用一个形象的比喻就很容易理解它。想象你有一顶墨西哥帽子,这个帽子有一个高高的顶同时有一个长长的上翘的帽沿。如果这顶帽子做得足够好,它是非常对称的,也就是说你随意转动它它看上去总是一个样子。现在,在帽沿和帽顶的连接处放上一个钢球且固定它的位置,转动对称就被这个钢球打破了。但是,由于帽沿和帽顶的连接处是一个等高的圆,你轻轻推一下钢球,这个钢球就会沿着这个圆滚动。南部和古尔德斯通无非发现了这个简单无比的道理:钢球沿着这个圆运动起来很容易。另外,钢球也可以沿着垂直于这个圆的方向,向帽顶或帽沿的方向滚动,只是滚动起来需要能量。现在我们看看能不能在场论中重新叙述这个现象。最简单的情况是,有一个场,类似电磁场,这个场像电场和磁场一样有方向性。但电场和磁场所指的方向是空间中的方向(例如地球磁场),而我们假想的这个场在 “看不见的内部方向” 上有一个方向。在时空中,这个场无所不在,就像电磁场一样。我们知道,电场或磁场一旦不为零,空间对称性就被打破了,例如不为零的磁场控制磁针指向一个方向。同样,一个不为零的南部-古尔德斯通场也打破了内部对称性。打破的结果就是,多出了一个零质量的粒子,这个粒子就像沿着墨西哥帽的帽沿和帽顶连接处的那个圆滚动的钢球。

希格斯等人接下来的工作是消除这个零质量粒子,因为在自然界中我们还没有发现任何这样的零质量粒子——这种粒子的质量不但为零,它的自旋也为零,这和电子以及光子不同,后者都是有自旋的小陀螺。希格斯等人大胆地将南部场与杨-米尔斯场耦合,而杨-米尔斯场真正类似电磁场,在空间上有方向。希格斯等人发现,当对称性被南部场破坏之后,零质量的粒子被杨-米尔斯场 “吃掉” 了,杨-米尔斯场变重了,被吃掉的那个零质量南部场不见了,剩下了一个也是有质量的无自旋场,这个场就像墨西哥帽上的那个向着帽顶运动的钢球。这个场,就是我们等了 48 年的希格斯场,它的最小的波动就是希格斯粒子,即上帝粒子。

在过去的 48 年间,物理学家通过各种努力,没有发现希格斯粒子,尽管希格斯本人因其他理论物理学家后来的工作从籍籍无名变成一个著名物理学家。

 

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