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提到上帝粒子，想必大家不會太陌生，這個神奇的粒子一直勾動著科學(xué)家們的心。就在2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布，該實驗室的數(shù)據(jù)接近證明被稱為'上帝粒子'的希格斯玻色子的存在。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發(fā)布新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。在2013年10月8日，比利時理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯因希格斯玻色子的理論預(yù)言而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎，作為人類孜孜不倦尋找了幾十年之久的上帝粒子，它又有哪些不尋常之處呢？ 如果想要更好地理解希格斯玻色子，我們首先要明白什么是希格斯場~ 什么是希格斯場呢？ 在量子物理學(xué)中，任何物質(zhì)都被視為是量子場中振動的組合。這些振動被以“小包”的形式在場中傳遞，即所謂的“量子”，我們可以將其視作一種粒子。這里存在兩種不同的場：物質(zhì)場，其中包含的是物質(zhì)粒子；以及力場，其中包含的是載力子，它們是力的媒介。希格斯玻色子同樣也是一種場的振動，通常這種場被物理學(xué)家們稱作“希格斯場”。  希格斯場示意圖 那么，希格斯玻色子又是什么呢？ 希格斯玻色子：即上帝粒子，它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子。在希格斯機(jī)制中，希格斯場引起自發(fā)對稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費米子，希格斯玻色子是希格斯場的量子化激發(fā)，它通過自相互作用而獲得質(zhì)量。  希格斯玻色子在產(chǎn)生之后幾乎瞬間就會衰變成兩個光子，它們留下的路徑（圖中綠色），可以在這張來自CMS探測器的圖像中觀察到圖像。 來源：CERN “ 談?wù)摰较８袼共Ｉ雍鸵?，很多人往往會想到這個問題： ?引力對物體的作用與其質(zhì)量是成比例的，而希格斯場又是一切物體存在質(zhì)量的原因，那么希格斯玻色子理所應(yīng)當(dāng)和引力存在著密切的聯(lián)系……不是嗎？ 這個猜想合情合理，然而——結(jié)果證實它是完全錯誤的。問題在于，這個表述結(jié)合了17世紀(jì)的引力概念，很早之前已經(jīng)被修正過了，它是二十世紀(jì)末的一個過于簡化的概念——各種各樣粒子的質(zhì)量從何而來。 首先，我想用紅色字體糾正一下上面那個問題中存在的幾點問題： ?由于引力對物體的作用與其質(zhì)量其能量和動量的結(jié)合是成比例的，而希格斯場又是一切物體并不是所有的，而是除了希格斯玻色子本身外已知的基本粒子存在質(zhì)量的原因，那么希格斯玻色子理所應(yīng)當(dāng)和引力存在著密切的聯(lián)系……不是嗎？并不是 接下來我會為大家解釋這些問題。  星體的運行離不開萬有引力定律 當(dāng)我們在學(xué)校第一次接觸到引力這個概念時，我們學(xué)習(xí)到的是萬有引力定律：對于一個質(zhì)量為M1的物體，另一個質(zhì)量為M2的物體，它們之間的萬有引力與M1 M2的乘積成正比。 但這些僅僅在愛因斯坦的理論出現(xiàn)之前是正確的。事實證明，萬有引力定律需要進(jìn)行修正：愛因斯坦的理論對該定律的大致表述是：對于兩個低速運動（其中一個物體的速度相對于另外一個遠(yuǎn)小于光速）的物體，它們擁有的能量分別是E1 和E2，它們之間的萬有引力與E1 E2的乘積成正比。 那么這兩種表述，牛頓的理論和愛因斯坦的理論，是不是一致呢？ 它們是一致的，因為愛因斯坦和他的支持者認(rèn)為，對于任何一個普通的物體，它們擁有的能量E和它們的動量p和質(zhì)量M(有時候也叫“靜止質(zhì)量”，但是粒子物理學(xué)家往往稱之為‘質(zhì)量’)之間的關(guān)系是： 對于一個低速運動的物體，p ≈ Mv（v是物體的速度），因此pc ≈ Mvc，這個結(jié)果比Mc的平方小了很多，因此 由于行星，月亮以及人造衛(wèi)星之間運動的相對速度以及它們各自與太陽的相對速度都遠(yuǎn)小于光速的0.1%，它們之間的引力正比于 由于c是一個常量，總的說來愛因斯坦的引力定律和和牛頓的引力定律是完全一致的，兩個物體間的作用力正比于它們能量的乘積，也正比于它們質(zhì)量的乘積，因為兩者本身就是成正比的。 然而對于那些自身相對于另外一個以高速運動的物體，或者對于那些受到強(qiáng)引力拉動的物體（如果），此時愛因斯坦的引力定律涉及到動量和能量的復(fù)雜組合，在這種情況下，質(zhì)量并沒有明確的出現(xiàn)。這就是為什么愛因斯坦的引力理論對于光這種物體仍然成立的原因，光由光量子組成因此它根本沒有質(zhì)量。（這也正是為什么引力波——它在時空中，像光一樣沒有質(zhì)量，可以由兩個相互環(huán)繞的物體產(chǎn)生。）簡單來說，愛因斯坦的引力觀（現(xiàn)在已經(jīng)被實驗很好的證實）和牛頓的引力觀有顯著的差別，尤其是在物體的能量和動量而非質(zhì)量占據(jù)主要地位的情況下。對于所有的物體，不論它們是由什么構(gòu)成的，或者在你看來它們是如何運動的，擁有能量——因此宇宙中的一切物體對于其他物體都存在引力效應(yīng)。我們可以說“引力是一種普遍存在的力”。 “希格斯場是宇宙中一切質(zhì)量的來源”這個觀點究竟是不是正確的呢？我們經(jīng)常會在出版物或者一些公眾文章中看到的這條論述，但它是錯誤的。 那么正確的說法是什么呢？下面是我們已知的基本粒子。其中沒有質(zhì)量的是： ? 光子，膠子，引力子(后者假定存在) 有質(zhì)量的是： ? W和Z粒子 ? 夸克:頂夸克，底夸克，璨夸克，奇夸克，上夸克，下夸克 ? 帶電輕子:電子，μ子，τ子 ? 中微子:三種類型，至少兩種，或者三種都是小質(zhì)量的 ? 發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量為125 GeV/c2的粒子(假設(shè)這是某種類型的希格斯玻色子) 現(xiàn)在我們已知的事實是W和Z粒子，夸克，帶電輕子和中微子必須從希格斯場中獲得能量，但也不排除它們有獲取質(zhì)量的其他方式。但這種說法對于希格斯玻色子是不成立的。  基本粒子和相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型 所以，希格斯玻色子的質(zhì)量并不完全來自希格斯場！  這是LHC設(shè)備中ATLAS探測器得到了一幅圖像，圖中4條紅線可能是μ子，它們可能是短壽命并瞬間衰變消失的希格斯玻色子產(chǎn)生的。 那么它的質(zhì)量究竟來源于哪呢？ 這就說來話長了?，F(xiàn)在我們可以一言以蔽之——希格斯玻色子的質(zhì)量沒有單一的，簡單的，已知的來源，并且它存在一個奇怪的特性——它的質(zhì)量特別小，這也是被稱作等級問題的巨大難題的一個方面。 總之無論如何，希格斯場并非基本粒子的普遍質(zhì)量來源。希格斯玻色子本身可以獲取它的質(zhì)量，至少在別處可以獲取一部分質(zhì)量，并且這種情況不是唯一的。暗物質(zhì)也極有可能是由粒子構(gòu)成，這些也有可能從另一個來源獲得至少一部分質(zhì)量。大多數(shù)物理學(xué)家和天文學(xué)家相信暗物質(zhì)是宇宙的主要物質(zhì);它提供了我們所居住的銀河系的大部分質(zhì)量。而希格斯場提供的質(zhì)量可能很少。 其他物質(zhì)的質(zhì)量來源并非都是希格斯玻色子。一個原子的大部分質(zhì)量是它的原子核，而不是原子核外部的質(zhì)量較小的電子。原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)成的——它們囚禁了大量夸克、反夸克和膠子。這些夸克，反夸克和膠子以非常高的速度在狹小空間內(nèi)運動。同等的，質(zhì)子和中子的質(zhì)量應(yīng)歸功于這些能量，至于在“牢籠”內(nèi)部捕捉夸克等所需要的能量，則是由“牢籠”內(nèi)部夸克和反夸克的質(zhì)量提供的。所以質(zhì)子和中子質(zhì)量的主要來源并非希格斯場。因此地球的質(zhì)量，或者說太陽的質(zhì)量，會發(fā)生變化，但變化不會很大，如果沒有希格斯場…假設(shè)它們可以保持在一起，這將不適用于地球的情況。  原子結(jié)構(gòu)模型圖 黑洞是宇宙中最龐大的物體之一，處在大多數(shù)星系的中心，在原則上它可以完全由無質(zhì)量的物體所構(gòu)成。在理論上，你完全可以用光子來制造一個黑洞。在實際中，大多數(shù)黑洞都是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，而普通物質(zhì)的質(zhì)量主要存在于原子核，正如我們剛剛提到的，這并不完全來自希格斯場。 無論你如何看待它，希格斯場并非宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的普遍給予者:例如普通的原子物質(zhì)，暗物質(zhì)，或者黑洞。它們的質(zhì)量來源并非希格斯場。但對大多數(shù)已知的基本粒子來說，確是如此——它對于確保原子的存在是至關(guān)重要的。但是如果沒有希格斯場，宇宙中仍然會有同樣有趣的引力物理學(xué)。但不會有任何原子，更不會存在任何研究它們的人。  神秘的黑洞 最后，你可以更專業(yè)地問，在物理學(xué)家研究的方程式中，引力和希格斯場之間是否存在數(shù)學(xué)聯(lián)系。答案是否定的。引力場的自旋為2，其被描述為空間和時間的一部分;它們與自然界中的所有粒子和場相互作用。而自旋為0的希格斯場，只與基本粒子和磁場直接相互作用，這些粒子也參與了電磁和弱核力。 所以，產(chǎn)生關(guān)于希格斯玻色子與引力有關(guān)的猜測對于非專業(yè)人士來說是很正常的，但恐怕這種猜想是比較幼稚的，它源于我們對希格斯玻色子和引力兩者的誤解。 1. 希格斯場，它不是普遍存在的:它為除了希格斯玻色子本身，質(zhì)子和中子，暗物質(zhì)（很可能是）以及黑洞外的大多數(shù)已知基本粒子提供質(zhì)量； 2. 然而愛因斯坦的引力是普遍的，它與物體的能量和動量有關(guān)，但非直接與質(zhì)量有關(guān)，而且大多數(shù)會吸引質(zhì)子和中子，暗物質(zhì)和黑洞，盡管它們的質(zhì)量不是完全來自于希格斯場。 這的確是事實:盡管乍一看，引力和希格斯玻色子只存在很膚淺的關(guān)系。 盡管希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)最終填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的最后一環(huán)，但標(biāo)準(zhǔn)模型本身卻并非揭開宇宙終極奧秘的最終一環(huán) 謝謝閱讀 本文來自騰訊新聞客戶端自媒體，不代表騰訊新聞的觀點和立場 點擊展開全文 |
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