什麼是「上帝粒子」,為何揭開它,就能解開宇宙終極奧秘

2020-12-03 養老運營高廣銀

我們時常能看到的力是萬有引力和磁場力。我們現在之所以站在地面上,地球為什麼圍著太陽轉等,都因為萬有引力的作用。磁場力也在存在於我們生活的方方面面,手機、電燈以及電磁爐等都是磁場力的作用。因此只要我們解開一種力的奧秘,都能夠讓我們的文明實現更高一階的跨越。

除了重力與磁場力,其實我們宇宙當中還存在兩種力,強力與弱力,如果要解釋這兩種力,就必須要提及「上帝粒子」。上帝粒子又稱為希格斯玻色子,它是由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在內的6位物理學家,在1964年提出的。

在他們提出這種粒子之後的48年,科學家們一直在尋找這種粒子,直到所有的科學家崩潰,著名諾貝爾物理學獎得主萊德曼,他在書中把這種粒子稱為「該死的粒子」,英文就是Goddamn。當然這句粗話不能被傳播,否則會教壞小朋友的,因此編輯就把詞尾的damn去掉,簡寫成為God,這也是上帝粒子的由來。其實這和上帝沒有半毛關係。

但是這名字也為這項科學的傳播提供了便利,之前美國議會否決了建造超級加速器的計劃,就因為「希格斯玻色子」這個名字太陌生了,而且還要花費100多億美元。當有「上帝粒子」稱呼之後,歐洲在通過加速器建造的時候,就順利多了,大家覺得這和上帝有關係,就覺得這是一份神聖的事業,也就物超所值了。

什麼是強力與弱力

強力與弱力不是外星人隔空取物,一個「響指」毀滅世界,它是我們時常所見的萬有引力以及電磁力之外,宇宙當中普遍存在的另外兩種力。

當物理科學來到20世紀,自從科學家們發現了原子的存在之後,就發現原子原來也不是世界的最小單元,原子還包括原子核和它周圍的電子。原子核是由質子與中子組成的,中子不帶電,質子帶正電。

這麼多帶正電的質子擠在一起,物理老師不是說帶同種電會相互排斥嗎?為什麼這些帶正電的質子沒有相互彈開呢?那麼這其中肯定有一種不為我們所熟知的力,這種力比電磁力還要強,強到這些帶電的質子都無法離開,科學家把這種未知強大的力稱之為「強力」。

發現強力之後,科學家們又發現了另外一種力,它的強度比電磁力還要弱,它能夠造成原子產生放射性。比如放射性元素鐳,它的原子核就會不斷放出射線,然後會裂變成為其他的原子,之所以會有這樣的變化,科學家們把這種力稱之為「弱力」。

於是科學家們發現,除了引力與電磁力以外,宇宙還存在著強力與弱力。前兩種力不用說了,它們是我們人類文明走到今天的主要原因。看過《三體》的,或許對書中有一個情節印象深刻,那就是外星文明通過質子破壞人類的粒子對撞機,讓我們無法發現宇宙當中強力與弱力,之後科學水平的差異比我們拿著槍對準原始人還要恐怖。我們甚至都沒有見到敵人,整個地球就會被壓成像錫箔紙一樣的薄片。

科幻小說絕對不是聳人聽聞,它是有科學根據的。沒有了強力,質子根本不可能聚在原子堆裡,我們現在的所有物質也不可能形成。至於弱力,我們現在太陽之所以持續燃燒,為地球生命提供源源不斷的能量,所依賴的就是弱力。

太陽之所以一直燃燒是因為內部在產生核聚變,太陽中的質子聚在一起變成了氦原子核,同時會釋放出能量。在這個過程中,兩個質子都是帶正電的,按道理說是很難撞在一起的,幸好有弱力的作用,一個質子會偶然變成中子,這樣它就能夠和質子相結合了,走出核聚變的第一步。

也是因為弱力非常之「弱」,才會讓這種轉變慢慢發生,太陽有了長達100多億年的壽命,不至於「嗖一下」就燒完了。所以說,宇宙當中缺少任何一種力,這個世界都不會存在。

在我們宇宙當中,這些質子和中子組成了宇宙當中絕大部分的質量,原子的質量幾乎都集中在原子核當中。如果不算上暗物質的話,我們宇宙的質量是由質子和中子組成的。

後來科學家們發現,這些質子與中子也不是最基本的物質,這些質子與中子是由一種叫做「夸克」基本粒子組成的。而且不論是質子還是中子,都是由3個不同夸克組成的。但是科學家們隨後發現這些質子與中子質量之和,並不等於3個夸克的質量,而且僅佔1%的質量。

這就令人匪夷所思了,那99%的質量從哪兒來的呢?來自於強力,這種強力是質子和中子99%質量的由來。根據愛因斯坦的質能方程E=mc^2,質量和能量是能夠相互轉換的。人們於是解決了99%質量問題,可是這1%質量如果按照科學家計算,壓根就不應該存在,也就是說無論質子還是電子,它們的質量應該是0。

上帝粒子

不要小看這1%的差異,很多科學的發現,都是因為很小的「誤差」才得以發現的,比如我們的倫琴射線,按道理說它的發現就是一個意外,還有生物科學當中的青黴素等等。

那麼為什麼認為這些質子與電子等沒有質量呢?科學家們認為我們所有的物理學都可以用一種理論來解釋,不再是解釋重力用牛頓力學,解釋量子力學用愛因斯坦相對論,在這個理論框架裡,只要設置不同的參數就可以解釋自然界當中的不同力。

這套理論最大的致命缺陷就是,無法解釋這些基本粒子有質量,科學家們認為各種力,其實就是某些粒子,扔來扔去造成的。比如電磁力是電子之間扔來扔去,而強力則是「膠子」扔來扔去,這些膠子像膠水一樣,把夸克粘在一起。而弱力則是將W和Z玻色子扔來扔去。

既然大家的原理都差不多,只是對應的粒子不同而已,電磁力所扔的光子,是一種靜質量為0的粒子;弱力所扔的玻色子,質量也應該是0。但是事實並非如此,在弱力中被扔來扔去的玻色子是有質量的,而且質量還不小。也正是這個原因,弱力沒有辦法傳遞的很遠,它只有近距離才會發生作用,而不像電磁力一樣,可以遠距離傳播。

難道是規範場理論出問題了嗎?因此科學家們猜測,極有可能還有一種神秘的場,各種粒子與這個場發生作用,於是就產生了不同的質量,這個場就被稱為「希格斯場」。

這個「希格斯場」為何對不同粒子還「態度」不一樣呢?就好像一個大胖子,和一條小魚,當面對「希格斯場」這個遊泳池的時候,小魚能夠自由穿行,而大胖子則寸步難行。而靜質量為0的光子就好比是一條小魚,它可以自由穿梭。而電子和夸克就相當於不同的大胖子,當它穿越遊泳池的時候就產生了「質量」,如果這個胖子越胖,那麼他們在這個遊泳池當中的「質量」就會越大。

不同的遊泳池對不同的胖子阻力還是不一樣的,於是人們把泳池當中的這些水稱之為希格斯玻色子,也就是通常所說的「上帝粒子」,如果我們能夠發現這些上帝粒子,就能夠直接證明希格斯場的存在。這也是歐洲人建造大型粒子對撞機的原因。

20世紀60年代之後,科學家們提出了「對稱性自發破缺」,當遊泳池當中沒有水的時候,可能這些胖子大家行走速度都是差不多的,當水池當中瞬間有了水,這些胖子就有了差異,人們把宇宙當中瞬間來水的時刻叫做對稱性自發破缺。於是這些粒子開始區別對待,有些粒子可以和希格斯場發生反應,就被賦予了質量,有些粒子一直被冷淡對待。這就造成了各種基本粒子的不同。

也就是說在對稱性自發破缺發生之前,電磁力和弱力實際上並沒有區別,它們根本就是同一種東西。這也就第一次實現了,自然界當中的四種力,其中有兩種其實一回事,只是由於希格斯場的對稱性自發破缺,才變成了看起來不同的兩種東西。

之後科學家們相信,宇宙實際上只有一種力,只是隨著時間的流逝,才逐漸分化成為我們今天看上去的四種力。於是科學家們就有了終極目標,那就是找到那個可以統一所有力的理論,解答我們宇宙的終極奧秘。

在統一了電磁力和弱力之後,科學家逐漸開始把強力也拉到這個框架裡來。我們前面說過了,這三種力都可以用一種叫作規範場的理論框架來描述,只不過各自需要設定不同的參數。

在電弱統一理論的基礎上,人們把三種不同的參數聯合起來,得到了一個可以同時描述三種力的模型,叫作「粒子標準模型」。這個模型可以精準地預言,在我們的宇宙裡,一共存在著61種基本粒子。其中物理學家已經發現了60種,而剩下的那最後一種,就是「上帝粒子」。

所以我們現在明白,為什麼2012年,當歐洲核子研究中心宣布上帝粒子存在的時候,會成為爆炸性新聞,因為它證實了希格斯場的存在,解釋了萬事萬物質量的來源。

但是離大一統還差一步,那就是我們對於引力依然束手無策,還沒有很好地把它和其他三種力徹底結合起來。所以如果有一天,我們把這四種力統一在一起,我們也就解決了宇宙當中終極奧秘,也能夠讓我們的文明實現階梯型的跨越。

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