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被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,有什么神奇之处?

2019-10-24  wenxuefen...

上帝粒子真正的专业名词叫希格斯玻色子。对物理学家来讲,这是不必要的夸张。彼得·希格斯(Peter Higgs)—因其在亚原子粒子质量方面的研究而获得诺贝尔奖——将其称为“物理学最基本的粒子”。不管是不是上帝粒子,这一发现都是开创性的,也许是我们短暂历史上最重大的发现之一。

2012年7月,世界被彻底的混乱所搅动——一种胜利和欢欣的混乱。物理学家们终于解开了一个困扰他们40年的谜团。当每个人都热情地握手时,一个老人哭了起来。这个人就是彼得·希格斯(Peter Higgs)。最终发现他对新的基本粒子的预测是正确的,该基本粒子是物理标准模型中基本粒子家族的必要补充。

被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子,有什么神奇之处?

图解 :上帝粒子的报纸

希格斯玻色子的发现特别令人期待,因为它被吹捧为上帝粒子。但是,为什么它有如此耸人听闻的外号呢?

自然之力

如果说社交媒体教会了我们什么的话,那就是在一种文化中,思想以指数级的速度传播,误解也是如此。没有上下文,即使是喜剧也会变成悲剧。上帝粒子的发现最终证明了上帝确实存在吗?

如果您在与物理学家交谈时说出“上帝粒子”一词,如果他或她做鬼脸反驳你,请不要感到惊讶。令物理学家懊恼的是,这个术语现在与粒子纠缠在了一起。对物理学家来说,这是一种不必要的夸张。彼得·希格斯称它为“物理学最基本的粒子”。但我们为什么如此迫切地想要找到它呢?

标准模型中的基本粒子可分为费米子和玻色子。费米子是组成物质的粒子,而玻色子是传递物质间力的粒子。在20世纪50年代末,证实了物质和辐射都既具有粒子性又具有波动性。这就是现今的波粒二象性。因此,每个粒子都与粒子所“携带”的相应场或扰动相关联。

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图解:标准模型

例如,我们知道两个磁铁之间的斥力和引力是电磁相互作用,但是你不知道的是该场是由光子携带的。尽管我们可以用磁铁的运动来探测磁场,但是携带磁场的粒子却不可以。这是因为力粒子或者玻色子是不可见的或者说是“虚的”

这个模型描述了四种基本自然力中的三种。根据强度,它们可以分为:连接原子核的强力,它是由胶子携带;电磁力,这是最常见的,它由电子携带;以及弱力,它存在于β衰变和核反应中,由W 粒子和Z粒子携带。

一种被称为引力子的假想粒子被认为携带着第四种基本力引力,但每一次将其纳入模型并完成谜题的尝试都失败了。对物理学家来说,无法将所有相互作用力囊括在一个模型里一直是他们沮丧的根源。

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图解:国家科学基金会的LIGO探测到了引力波,引力子可能是携带引力波的玻色子吗?

追求对称

物理学家渴望确定性,他们渴望能够预测某件事,见证某件事。标准模型允许我们描述原子核大小千分之一的粒子的行为,但我们仍然不满意。

这些力之间存在着明显的不对称性。电磁作用的范围是无限的,但是弱力的范围是有限的。物理学家们相信存在一种对称性,一种比四种基本力更基本的力。他们认为这四种基本力是从一条河流中分离出来的三角洲的溪流。所有不同的力都是一种力的表现,这是大爆炸后出现的第一种力。

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虽然引力目前是不可能的,但我们希望实现对称,或者将剩下的三种力合并成一个力,我们称之为大统一力(GUF)。然而,这种对称性只能在巨大的能量或大统一能量中看到——大爆炸后的能量占主导地位。例如,要探测到GUF,我们需要一个太阳系大小的粒子加速器! 他们希望在随后几年里发展起来的粒子加速器能够强大到足以探测到它。

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图解:三角洲河流,自然力

弱力不像电磁力那样充满漫游欲的原因是,与光子不同,弱力粒子质量大;他们倦怠是因为它们的质量让他们陷入困境。20世纪60年代,史蒂文·温伯格成功地将这两种理论统一起来,并提出电弱理论。他第一次成功地预言了W粒子和Z粒子,并计算出了它们的质量。16年后,欧洲核子研究中心成功地探测到了它们 ,并发现它们的质量大概是质子质量的一百倍,这与温伯格最初的预测相差不远。

子的发现是历史性的,但我们的工作还没有完成。一个完整的电弱理论框架只有在人们能够解释是什么导致了不对称性,是什么导致了力粒子的质量时才能被发展出来。

希格斯玻色子——上帝粒子

彼得·希格斯提出了一种新的基本力场的假设,这种相互作用将在弱场粒子中注入质量。无处不在的力场最终被称为希格斯场,与之相关的粒子被称为希格斯玻色子。希格斯认为,W和Z粒子会干扰该场并产生其质量,而光子则会无差别地迅速掠过,而不会产生任何质量

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图解:光速-光是宇宙中速度最大的东西,因为它没有质量。

令所有人惊讶的是,人们意识到希格斯场不仅负责力粒子的质量,还负责物质粒子的质量。虽然物质的机制会扰乱希格斯场不同,言下之意是,如果没有希格斯场,就没有质量,没有质量,质子不会抵制运动,停止,聚集和形成的,而是通过空间以光的速度呼啸而过。没有它,我们就不会存在。所以,是的,它的发现非常重要。

然而,没有证据,理论只是推测。希格斯玻色子是出了名的难以捉摸;探测希格斯场需要的能量远远超过了现今主流的加速器所能提供的能量。此外,更大的能源带来更大的风险和成本。不能保证更大的加速器会探测到它。如果所有的努力、高昂的费用和不可挽回的时间都变成了泡影呢?

20年过去了,物理学家们仍然一无所知。1993年,美国物理学家利昂·莱德曼(Leon Lederman)和迪克·特莱西(Dick Teresi)撰写了《上帝粒子》(The God Particle)一书:如果宇宙是答案,那么问题是什么?有趣的是,最初的标题应该是“戈德曼粒子”,这反映了物理学家们在近20年的时间里无法找到它所带来的极度沮丧。然而,出版商不同意,作者们将其删减为“上帝”。结果呢?一个令人震惊的名字!它就像一个寄生虫,像一个有良心的寄生虫,似乎不会很快离开。

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图解:大型强子对撞机(LHC)的周长是2.57公里(约为2575米),使它成为有史以来建造的能量最大的粒子加速器。

错误的解释被曲解了,阴谋随之发生。当大型强子对撞机(LHC)在2005年开始发展时,各种令人困惑的阴谋开始出现。一些人认为物理学家打开了通往地狱的大门!

物理学家通过研究高速粒子碰撞中分散的碎片,发现了新的更小的基本粒子。这类似于研究一台电视机的内部结构,方法是研究从建筑物顶部扔下来的碎片。2012年,人类有史以来建造的最强大的粒子加速器——大型强子对撞机(LHC)以接近光速的速度对撞质子,最终在它们的内脏中发现了长期寻找的希格斯玻色子。

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图解:发现希格斯玻色子的碎片的计算机模拟。

希格斯场的发现仅仅是个开始。我们推测,该领域的许多“版本”最终将不仅建立对称性,而且建立所谓的超对称性——一个扩展的标准模型,有望填补仍然存在的空白。这也将包括构成暗物质的任何东西,一个目前看来比希格斯场更加难以捉摸的场。

不管是不是上帝粒子,这一发现都是开创性的,也许是我们短暂历史上最重大的发现之一。我们的祖先用棍棒出发,但最重要的是好奇心,跟随着湿的砾石,追踪斑点到小溪,在悬崖上攀登悬崖,再到河流,现在我们已经艰难地追溯到四溪流。在这个时代,我们锻造了工具,正如亚瑟·克拉克所说,这些工具“与魔法无异”。不久,我们将沿着小溪来到河边,将木棍固定在河边的地上,开始我们史诗般的朝圣之旅。然后,我们就可以不再疑惑“如何”,而开始思考“为什么”。

参考资料

1.Wikipedia百科全书

2.天文学名词

3. sciabc- sunny

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