希格斯玻色子為什麼被稱為「上帝粒子」?

2020-12-06 科學認識論

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。

作者之所以將希格斯玻色子稱為上帝粒子,是因為他認為玻色子在當今的物理學狀態中至關重要。

上帝粒子的原意是「該死的粒子」,正是因為要假設它得存在,才導致已建立的粒子物理學又需要面臨重大調整,這會給物理學家製造十分棘手的麻煩。

這個橋段有點像開爾文在1900年的跨世紀科學演講的戲劇化橋段。開爾文表示:19世紀末,物理學的大廈已經建成,但晴朗的天空中依舊漂浮著兩朵令人不安的烏雲。

隨著這兩朵烏雲的驅散,人類攀登上以相對論和量子力學為根基的科技樹了,並將看似完美的牛頓力學驅趕到低速宏觀的範疇。

科學家當然希望已經建立起的理論永恆且完美。

而不得不引入的「希格斯波色子」卻將粒子物理學的美夢打破,所以科學家用「該死的粒子」調侃希格斯波色子。

對希格斯玻色子的驗證果然沒出科學家的預料,這粒子太難以捉摸了。

比如我們一開始尋找電子,只需要一個真空管和絕頂聰明的科學家就行。而希格斯玻色子則需要建立起世界上最昂貴的儀器—強子對撞機。

希格斯玻色子為什麼如此重要?

第一個原因:希格斯玻色子是檢驗標準模型準確性過程中最後待攻克的粒子。

第二個原因:質量是萬物的內在屬性,如果沒有希格斯機制,我們很難想像其他粒子的質量是怎麼來的?

粒子物理學中,構成物質的基本粒子隸屬於費米子,而物質之間會相互作用,這是力的體現,傳遞力的粒子屬於玻色子。力的超距作用是不可能的,所以由費米子構成的物質需要傳播子來負責力的傳遞。(引力暫時除外)

在弱力,強力,電磁力中,只有質量為零的光子才能傳遞長程力。而弱力和強力是短程力。事實證明,傳遞短程力的玻色子是具有質量的。那麼它們的質量從何而來?

為了解決這一問題,科學家提出來了眾多的機制,最後只有希格斯機制在不破壞標準模型的情況下也能解釋短程力規範玻色子的質量來源之謎。希格斯機制只是引入一個「實體」,而不破壞本體。

希格斯玻色子源於希格斯機制,我們雖然沒有有效的手段驗證希格斯機制的正確性,但是可以通過該機制下預言的粒子而佐證其正確性。

通過希格斯玻色子推測希格斯機制的存在就好像通過波浪推測水的存在。

但是希格斯玻色子壽命極短,即便被捕獲到也會在1.56×10^22 s內衰變成其他粒子。

這就需要能量極大的碰撞產生這種粒子,並且儀器需要極其敏感才能在碰撞產生的眾多粒子中尋找該粒子。

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