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基础系例说明：启动｜基础天文｜基础物理｜系例科普 第二期： 美到极致｜极光之美 第三期：【基础物理No.3】什么是光？ 由微信公众号：天文物理 开展的【基础天文】【基础物理】两个基础系例希望让大家的认知能更深刻方能更进一步！ 好高骛远可是大忌哦 相信没有多少人知道哦，你们一般非高等且非相关物理学历专业的物理老师可也不会给你讲这些哦…（如果说错了有讲过的请到文末留言??） 首先希格斯机制～质量的产生
那么被称为质量的东西是什么？对这个显然简单的问题的思考，使两位科学家得到一个激进的理论，可以解释惯性的性质，并抛弃引力，并且，仅仅是可能，导致新奇的太空船推进方式。 对这个同样的问题，你可能回答：质量就是让一个满载的购物车难于移动的东西——它的惯性。或者也许是让一袋糖或钢琴之类有重量的东西。不管如何，质量的起源是自然界藏得最深的秘密。 一些粒子物理学家声称一种叫希格斯波色子的假设粒子使亚原子粒子如电子具有质量。去年（2000年）的晚些时候，在日内瓦附近的欧洲粒子物理中心发现希格斯子存在的线索。那么，希格斯子可以解释重量和惯性？答案可能是否定的。 等一下。当那些物理学家提出的机制不能解释需要解释的东西时，又如何能声称发现了质量起源？然而，就像比尔克林顿所说的，这一切依赖于你所赋予质量的含义。 当那些粒子物理学家谈到质量时，他们不是在惯性和重量的意义上思考。物质是一种能量集中的形式。它可以转化为其他能量形式，并且其他能量形式可以转变为物质——一种包含在爱因斯坦著名的等式E= mc2.中的等价。所以在这个意义上，亚原子粒子的质量是构造它需要的能量数量的一种度量。希格斯子可以解释这种情况，至少部分地解释（见“质量错觉”） “但希格斯机制不能解释为什么质量，或它的能量等价，会阻碍运动或对引力产生反应，”位于帕拉阿图的加利福尼亚物理与天体物理研究所的伯纳德 海希（Bernard Haisch）评价。他相信惯性和引力，不是日常熟悉的效应，当你举起一袋土豆或推动购物车时，你感受的力可能是古老电磁力的显现。 力是熟悉的，但它的起源却不是。因为从海希的观点看，它们来自于量子真空。我们所说的真空，根据量子理论，是力场的海洋。所有这些场中，最好的理解是电磁场，它一直影响着我们——我们的身体通过电磁力保持在一起，并且光也是电磁场的振荡。 电磁场不断地从真空中迸出，这反映了海森堡的不确定性原理，即进行能量测量持续的时间越短，得到的结果就越不精确。因此，虽然一段时间真空中的平均电磁场能量为0，但在很短的时间尺度上却有很大的涨落。真空不是空无一物，它更像一个电磁波随机涨落起伏的海洋。我们看不到或感觉不到他们是因为他们不可思议地快速出现并消失，仅仅就在一瞬间。那些飞逝的幻影被称为虚光子。 但有时候，虚拟的会变为真实的。史梯芬·霍金发现黑洞强大的引力如此强烈地扭曲量子海洋，以至当一个虚光子出现时，它可以突变为自由光子并逃逸到空间中，成为真实和可见的普通光子。爱因斯坦广义相对论的基本原理认为引力和加速度不可区分。因此，如果引力可以从真空中释放光子，加速度为什么不能做同样的事。1970年代中期，在泰恩（Tyne）纽凯斯特大学的保罗·戴维斯（Paul Davies）和Vancouver哥伦比亚大学的比尔·尤鲁（Bill Unruh）意识到在量子真空中加速的观察者将会沐浴在电磁辐射中。量子真空将变为真实的和可探测的东西。 1991年2月，当加利福尼亚州立大学的埃尔方索·鲁达（Alfonso Rueda）在帕拉阿图洛克希德·马丁太阳天文学实验室作戴维斯-尤鲁效应的报告时，这个思路打动了海希（Haisch）。如果加速物体可以看到来自前方的辐射，海希想到，这些辐射可能产生阻力。“我是一个天文学家，”他说。“因此我对辐射，比如太阳光——可以在物体上，如彗星粒子，产生压力的事情很清楚。” 鲁达说他要做一些计算。几个月后，他在半夜给海希的机器留下一条消息。当第二天海希重放时听到鲁达兴奋地说：“我想我可以推导出牛顿第二定律。” 根据鲁达的计算，由于物体的加速运动而从量子真空中迸发的光子将会被物体中的电荷反弹回去，结果就是一种和加速度成正比的阻力，就像在牛顿第二定律中定义惯性质量是作用在物体上的力和加速度的比值。1994年2月，鲁达和海希，以及他们在德克萨斯奥斯丁高级研究所的同时哈罗德·普斯夫（Puthoff），一起发表了他们初始研究工作（Physical Review A, vol 49, p 678）。 这种电磁拖曳很像惯性。但计算和已知亚原子粒子的惯性相符吗？为什么夸克比电子重，尽管他们的电荷比电子少？还有为什么μ介子和τ介子比电子重，尽管他们在其他方面相同？也许是因为他们跳着不同的舞蹈。 在鲁达的推导中，他采用了一种古老的思路，这是由量子力学的先驱路易斯-维克多-德-布洛伊和埃尔文-薛定谔提出的。当低能量的光子被电子反弹时，他们被散射，就像电子是一个有限尺寸的电荷球一样。但在很高能量的相互作用中，电子的表现实际上就像是一个点。因此德-布洛伊和薛定谔假设电子实际上是一个点电荷，并不停地在一定空间内跳动。这可以说明两种行为：在高能时，相互作用是快速的，电子好像被冻结在一个位置；在低能时，相互作用是慢的，电子有时间进行跳动，表现出模糊的电子云状态。 海希和鲁达相信德布洛伊和薛定谔的想法是正确的。电子的跳动可能是量子真空中的虚光子引起的，就像尘埃的布朗运动是空气分子轰击的结果。“真空随机的撞击弄乱了电子”海希说。 这一点是重要的，因为海希和鲁达怀疑他们的惯性产生机制发生在共振频率处。与电子跳动频率相同量子真空光子最有可能弹射粒子，因此他们控制着惯性。 他们推测μ介子和τ介子可能是电子的某种激发态，对应着更高的共振频率。这意味着质量越大，会反弹频率越高的真空光子。夸克也许以电子不同的方式共振。“如果我们知道是什么引起共振我们也许可以解释不同夸克的静止质量和电子的静止质量之间的比值，”海奇说。这种激发的原因可能以来于弦理论，它把粒子作为微小的振动弦看待，但这仅是一种推测。 如果惯性质量是一种电磁效应，为什么中子表现出质量，尽管它不能感受到电磁力？这很容易解释。电磁场不是真空中唯一存在的场。还有其他两种力场：弱核力和强核力。这两种像电磁场一样都对质量有贡献。 中子仅可以感受到弱力，这可以解释它较小的质量。夸克可以感受强核力，这也影响他们的质量。强力的真空涨落也可能控制着夸克和胶子的质量。由于这些力场对质量的贡献比电磁作用难于处理，现在还没有人尝试。
真空的包装 关于惯性说得不少了。但将你保持在地板上的力又如何呢？真空能说明引力质量吗？将引力和真空相联系的思想由俄国物理学家安德鲁-萨哈洛夫在1968年提出，最近被普斯夫发展。海希和鲁达的最近的目标是将这个思想和他们在惯性方面的工作相联。 这很大程度上仍然是推测，但他们认为可以将引力解释为一种电磁力效应。在一堆物质中震动的电荷影响真空中虚粒子电荷。这种极化真空会对其他物质块中的电荷产生作用力。以这种扭曲方式两块物质相互吸引。“这也可以解释为什么引力如此弱小，”海希说。“质量并不直接拉扯其他质量，它只通过真空媒介。” 爱因斯坦的广义相对论已经以物质引起时空弯曲的形式，优美地解释了引力，这种“几何”描述和量子真空的图像是一致的。海希指出空间的弯曲只能通过光线路径的弯曲推断。当光线射入和射出时，极化真空将弯曲光的路径，就像一片玻璃一样。“空间的弯曲可能等价于真空折射率的变化，”海希猜测。“在这种方式下，广义相对论的所有数学都保持不变，因为时空就好像弯曲了。”所有广义相对论的神奇预言，如黑洞和引力波，将表现这种极化真空。 如果他们的想法是对的，海希和鲁达将有一个量子引力理论——人们长期寻找的将爱因斯坦的广义相对论和量子力学的结合。它最终让物理学家了解大爆炸的最初瞬间和位于黑洞核心的塌缩奇点。 剩下的是静止质量，一种和能量等价的质量。根据海希的说法，解释静止质量根本不需要希格斯场。粒子的固有能量可能就是它跳动运动的结果，由真空虚粒子的撞击引起。“一个无质量粒子，可能从中获取能量，因而获得我们认为是静止质量的东西。”他说。如果这是事实，质量的三个方面是量子真空作用的不同方面。“它（质量）是一个简洁的包装。” 也许不存在惯性和引力质量的解释。它们也许和静止质量紧密相连。这是许多粒子物理学家相信的。“一些人认为海希和鲁达走向了正确的轨道，另外的人认为他们在追赶一只野鹅，”加拿大滑铁卢大学的天体物理学家保罗-文森说。 但如果引力和惯性质量从真空中显现，也许我们可以控制他们。也许可以取消质量，创造出无惯性的驱动，可以将一艘太空船在眨眼间加速到接近光速。要做到这些，我们必须将真空涨落从一个物质所在的区域中排除——在真空中吹一个泡。海希不知道这是否可行。“自然不厌恶真空，”他说，“然而，它可能厌恶真空中的真空。” 本文由“天文物理”载享推荐且有一定学习或参考价值、但其最终内容真实性自负。版权声明：“天文物理”刊载此文，仅为传递更多信息之目的，文章版权归原作者或媒体所有。本平台文章内容来源于网络且广泛…如若无意侵犯了你的权益请及时联系邮箱：bokeyuan@vip.qq.com 天文物理 将及时完善著权信息或删除等。 |
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