本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。
孩子:什麼是希格斯玻色子?
大人:「你看,這把椅子,我們呼吸的空氣,我手裡拿著的手機,包括你都是由分子或原子組成的,原子就像個小球,不同的小球組合在一起就會組成分子,不同的分子組成在一起就能構成不同的物質,一小杯水中就有千億百億個像米老鼠樣子的水分子組成」
基本粒子
孩子:「那原子也太小了,小到我們都看不清米老鼠的樣子。」
大人:「是的,它們很小,我們需要用到超級放大鏡才能看清它們的樣子,但是它們還不是最厲害的。還有比原子更小的東西,這些小東西大人們給它們起了個名字叫做基本粒子。它們是整個宇宙中最小的東西!原子就是由它們構成的!」
孩子:「真的嗎? 真厲害,那它們也是米老鼠的樣子嗎?」
大人說:「不是的哦,它們很奇怪,安靜起來可能是個小球球,但是跑起來就像是一根根不停振動的琴弦。
偉大的科學家們已經發現了很多種基本粒子,確切地說有62種。這62種基本粒子中的一種叫做希格斯玻色子,它是物質質量之源,也叫上帝粒子。」
孩子:是不是說基本粒子是最小的東西,它們組成原子。其中之一是希格斯玻色子?」
大人:「是的!」
孩子:那麼這些基本粒子是如何構成原子的呢?希格斯玻色子是做什麼的?」
大人:「嗯,是希格斯玻色子給了物質質量。質量其實是能量的另外一種形態,就像擎天柱有時候它是汽車,有時候它是戰鬥狀態,這對你們來說有點複雜。
孩子:「那麼它是如何賦予了原子質量呢?」
原子構成
大人說:「我們慢慢講來講,原子是由一團頑皮亂跑的電子和中心的一個原子核構成的。
原子核中有質子和中子,但它們不是基本粒子。
是另外三種基本粒子組成了它們,我們叫它們夸克。原子中電子很小很輕跑得很快,質子和中子遠遠比電子重得多,所以原子的質量主要都來自質子和中子,而質子和中子的質量來自於夸克。」
大人:「你看就像這張圖一樣,這裡面有三種不同的夸克,是它們構成了質子和中子的。」
孩子:「好吧。」
大人:「說的有點多,你能記住嗎?我們複習一下,你看下這張圖,原子到原子核到夸克,這就是構成物質的方式。」
質量之源
大人:「接下裡我們就要讓基本粒子遊泳了,因為它們遊泳才使物質有了質量。」
孩子:「遊泳?水在哪?」
大人:「夸克之所以有質量時因為它們在希格斯場中遊弋。」
孩子:「希格斯場是什麼?」
大人:「你還記得剛才說過的62個基本粒子嗎?它們每個都有一個相關的場。」
孩子:「這是什麼意思?」
大人:「你知道小提琴是什麼嗎?」
孩子:「我知道呀,它有四根線,會發出不同的聲音。」
大人:「棒棒的,回答的不錯。想像小提琴上的琴弦是四個不同的場。
當你什麼都不做時,這四個場是靜止的,弦什麼也沒有發生,也不會有音樂響起。
當你撥動一根弦,弦就開始振動,而弦的振動就像不安靜的粒子形成的場,我們也這麼說:一個粒子可以看作是它的粒子場的振動。
比如:電子在原子核外面亂跑,我們也可以說它在原子核外振動,所以電子就是電子場的振動。這個名稱適合於所有基本粒子,一個粒子可以看作是它的粒子場中的振動。
孩子:「好難想像呀!那這跟質量有什麼關係呢?」
大人:「希格斯玻色子就是在原子核內振動,這個場就是夸克質量的來源。
孩子:「我還是沒明白質量是如何產生的?」
大人:「你遊過泳嗎?」
孩子:「遊過。」
大人說:「那你應該知道在水中快速運動比在陸地上困難,因為水會拖著你。」
孩子:「是的。」
大人:「這就是希格斯場賦予物體質量的方式,想像一下原子核中夸克並不像在陸地上那麼輕鬆,而是在希格斯玻色子構成的海洋中遊弋,「海水」會對它產生慣性作用,希格斯場就像一種波濤洶湧的水,這種水很重,密度很大,所以對夸克產生的慣性也很大,粒子必須很努力才能移動。」
孩子:「我想我現在明白了。」
總結
大人:「因為呀希格斯玻色子是物質的質量之源,沒有希格斯玻色子,宇宙和人類就不會存在,所以我們也管它叫做上帝粒子」
孩子:「那它不就是物質的本源?。」
大人:「你能這麼理解非常棒,我們回顧一下。一切都是由原子構成的,原子是由基本粒子構成的。原子的質量來自質子和中子。這兩個粒子是由三種基本粒子組成的,每一種都叫做夸克。這些夸克的質量來自希格斯場,因為其他粒子正是在希格斯玻色子構成的海洋中遊弋,受其作用產生慣性才有了質量。」
旁白:大孩子們你們理解了嗎?