如何向孩子解釋上帝粒子、質量之源——希格斯玻色子?

2020-12-05 科學美少男

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?

相關焦點

  • 上帝粒子—希格斯玻色子
    上帝粒子希格斯玻色子,是一種沒有質量的粒子,是所有的粒子中最為著名的一個,也是最為重要的一個,並且這個粒子是所有的62個粒子中唯一一個沒有質量的粒子,是粒子物理學標準模型中自旋為零的玻色子。  在粒子物理高能粒子物理的微觀粒子中『玻色子是可以與費米子對稱耦合』形成可測量的『實粒子』,希格斯粒子是希格斯玻色子的『反粒子』希格斯場的場量子化激發產生希格斯實粒子,它通過自相互作用的介質而獲得質量。  希格斯玻色子是因物理學者彼得•希格斯命名,物理學家利昂•萊德曼無意中為希格斯玻色子起了「上帝粒子」這麼一個名字。
  • 希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」?
    希格斯玻色子源於上個世紀60年代的理論預言,在2012年,該粒子首次被歐洲核子研究組織通過強子對撞機尋找到,希格斯玻色子對標準模型的完善至關重要。我們通常認為由於希格斯玻色子賦予了傳遞短程力的玻色子(弱力和強力的傳播子)以質量,所以才構成了原子核的穩定。這種重要意義不亞於上帝創世。所以我們應該將希格斯玻色子命名為「上帝粒子」來彰顯其重要性。但事實遠非如此,上帝粒子最早起源於已故科普作家—萊昂·萊德曼在1993年出版的科普著作《上帝粒子》的書名。
  • 希格斯玻色子為什麼被稱為上帝粒子?讓我們來了解一下上帝粒子
    本期我們來聊一聊希格斯玻色子。希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」呢?這就要從它的起源說起了,希格斯玻色子是英國物理學家彼得·希格斯於1964年提出的。其實彼得·希格斯並不喜歡「上帝粒子」這個名字。希格斯玻色子被稱為「上帝粒子「是諾貝爾物理學獎獲得者利昂·萊德曼無意中為希格斯玻色子起的。雖然科學家們不喜歡這個名字(因為這個名字帶有很濃厚的宗教色彩),但這個名字卻廣為流傳,人們一提起希格斯玻色子就會想到「上帝粒子」這個詞。
  • 被稱為上帝粒子的希格斯玻色子,到底有多「玄」?
    希格斯玻色子(或稱希格斯粒子、希格斯子、上帝粒子)是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子,至今尚未在實驗中觀察到。它也是標準模型中最後一種未被發現的粒子。英國物理學家希格斯提出了希格斯機制。在此機制中,希格斯場引起自發對稱性破缺,並將質量賦予規範傳播子和費米子。
  • 希格斯玻色子讓萬物擁有質量
    希格斯玻色子讓萬物擁有質量 青島全搜索電子報   2013.10.09 星期三     標準粒子模型理論中共預言了62種基本粒子的存在,希格斯玻色子正是該理論依賴的基石。作為物質的質量之源,希格斯玻色子連接著粒子獲得質量的領域。
  • 被稱為「上帝粒子」的希格斯玻色子,有什麼神奇之處?
    上帝粒子真正的專業名詞叫希格斯玻色子。對物理學家來講,這是不必要的誇張。彼得 希格斯(Peter Higgs)—因其在亞原子粒子質量方面的研究而獲得諾貝爾獎——將其稱為「物理學最基本的粒子」。不管是不是上帝粒子,這一發現都是開創性的,也許是我們短暫歷史上最重大的發現之一。
  • 趣說上帝粒子--希格斯玻色子
    戴夫:所以我們認為這種『希格斯場』就在我們身邊,並且遍布整個宇宙。希格斯場的特殊之處就在於它為基本粒子提供質量。史蒂文:基本粒子又是什麼?圖解:物理學的標準模型所涵蓋的基本粒子  前三列是費米子,上下又可分為夸克和輕子。第四列是規範玻色子,第五列則是希格斯玻色子。(圖片源於:維基百科)史蒂文:那希格斯場為什麼可以解釋質量呢?
  • 2013諾貝爾物理獎:希格斯玻色子為什麼又叫上帝粒子?
    希格斯共享,他們提出了一種理論機制,該理論解釋了亞原子粒子的質量起源,最近,因為在歐洲核子中心大型對撞機上的ATLAS和CMS實驗中發現了它所預言的基本粒子,讓該理論獲得驗證。希格斯玻色子 (Higgs boson) 是粒子物理標準模型所預言的一種基本粒子。
  • 希格斯玻色子的證明或許能解釋萬物的來源
    對於希格斯玻色子或許很多人都不知道是什麼意思,很多人聽都沒有聽過,但是對於上帝粒子卻很多人都知道,希格斯玻色子別名又稱上帝粒子,是粒子物理學標準預言的一種玻色子,並且在2012年的時候被正式確定存在,希格斯玻色子是物理學中所有粒子中最後被發現的一個粒子,對於希格斯玻色子的證明能夠解釋物理學上很多的問題,但是對於其在理論及現實中的應用卻比較少,其中希格斯玻色子的存在能夠證明物質的來源,甚至有學者提出,希格斯玻色子的存在能夠說明宇宙本不應該存在,雖然很多科學家非常推崇上帝粒子,但是上帝粒子也不能解釋宇宙中的所有問題。
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  • 美科學家或發現新粒子 將帶來嶄新物質世界-希格斯玻色子,上帝粒子...
    科技日報據美國物理學家組織網報導,研究人員對來自美國能源部費米實驗室粒子加速器的數據分析後認為,可能發現了一種新的基本粒子,也可能是一種新的自然力。但研究人員表示,這一結果還需進一步分析以驗證是否屬實。本次實驗研究是通過質子和反質子對撞以探索宇宙原理系列實驗的一部分。儘管還有很多疑問,研究人員認為它並非「上帝粒子」或「希格斯玻色子」。
  • 【科技新詞】希格斯玻色子
    歐洲核子研究中心的研究人員聲稱,他們首次發現了希格斯玻色子的一些線索,並推算出它的質量為124~126GeV。  標準高能物理學模型曾把基本粒子分成3類:夸克、輕子與玻色子。這個標準模型的缺陷,是該模型無法解釋物質質量的來源。為了修補這個缺陷,英國物理學家希格斯提出了希格斯場的存在,並進而預言了希格斯玻色子的存在。  設想中的希格斯玻色子是物質的質量之源,是電子和夸克等形成質量的基礎。其他粒子在希格斯玻色子構成的場中,受其作用而產生慣性,最終才有了質量。令人遺憾的是,希格斯玻色子至今尚未在實驗中被觀察到,也是標準高能物理學模型中最後一種未被發現的粒子。
  • 為你揭秘,希格斯玻色子如何賦予粒子質量
    該理論模型為了解基本粒子和宇宙間的力搭構了理解框架,這個永恆框架就是我們口中的「標準模型」,其中最主要的是「希格斯場」,它無處不在,賦予粒子質量。量子力學中存在波粒二象性,因此希格斯場中也有與之相關的基本粒子,也即希格斯玻色子。
  • 為你揭秘,希格斯玻色子如何賦予粒子質量
    全文共3370字,預計學習時長9分鐘20世紀後半葉,粒子物理學開始逐漸發展起來。該理論模型為了解基本粒子和宇宙間的力搭構了理解框架,這個永恆框架就是我們口中的「標準模型」,其中最主要的是「希格斯場」,它無處不在,賦予粒子質量。
  • 最新發現:上帝粒子也會衰變,希格斯玻色子會衰變為μ子對!
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    上帝粒子-希格斯玻色子還能讓我們大吃一驚嗎?自2012年發現以來,歐洲核子研究中心ATLAS和CMS合作一直在積極研究這一最新、最神秘的粒子物理學標準模型附加特性。在標準模型中,布倫-恩格勒-希格斯預測希格斯玻色子將與物質粒子(夸克和輕子,稱為費米子)相互作用,其強度與粒子的質量成正比,還預測希格斯玻色子將與力載體粒子(W和Z玻色子)相互作用,其強度與粒子質量的平方成正比,因此,通過測量希格斯玻色子的衰變和產生速率。
  • 希格斯玻色子到底蘊藏著什麼秘密?希格斯玻色子是宇宙摧毀者嗎
    希格斯玻色子隱藏著什麼秘密呢?其實很多的科學著作給大家做出了解釋,只不過他們說的十分複雜,所以很多朋友們不能夠理解,其實希格斯玻色子是宇宙大爆炸的最初期的關鍵物質,甚至可以說能夠影響我們現在的宇宙。不過很快夸克開始相互凝聚起來,此時產生的就是希格斯玻色子,因為科學家在研究中發現,其實希格斯玻色子是宇宙萬物產生的基礎,所以我們也其為上帝粒子,因為希格斯玻色子產生的凝聚力,逐漸將物質形成。