分享

上帝粒子的八件秘事

 大科技杂志社 2019-11-08

1. 用希格斯场只能解释宇宙中一小部分质量的来源。

人们经常把希格斯子称为上帝粒子,说它让宇宙中的所有物质获得了质量。但实际上这种说法是错误的,希格斯场只给一些基本粒子比如夸克和电子提供了质量。

我们可见的绝大部分宇宙是由非基本粒子组成的,比如质子和中子,这些粒子里包括了夸克,也包括了夸克等基本粒子的相互作用能。我们知道,一只葡萄干面包的质量肯定大于它上面所有的葡萄的质量。同理,如果我们把质子和中子看成葡萄干面包,它们含有的夸克看成葡萄,质子和中子的质量并不都来自夸克,因此也不都来自希格斯子。

其他质量的来源是那些相互作用能,把夸克紧密地束缚在质子和中子里面,而根据质能关系,这部分能量也对应于一部分质量,但它们并不来自希格斯场。

2. 彼得·希格斯关于新粒子的一篇论文最初被拒绝发表。

不过希格斯因祸得福,因为这促使希格斯在论文里添加了一段,探讨了如今大名鼎鼎的希格斯子的存在性问题。

1964年,希格斯写了两篇论文,每篇都只有两页纸,探讨了今天所说的希格斯场问题。学术期刊接受了第一篇论文,但是把第二篇论文退回了。一位著名物理学家南部阳一郎看了第二篇论文后,建议希格斯增加一段。希格斯于是添加了一段,预言宇宙中存在一种场,就像海洋中的波浪,能够产生新的粒子。然后,他把新修改的论文再次投给学术期刊,终于得以发表。

他所预言的新的粒子,就是后来大名鼎鼎的上帝粒子——希格斯子。

另外,至少有十几个理论物理学家都对希格斯场的理论有贡献。在2010年,美国物理学会曾经授予了1964年发表相关论文的6位科学家以奖项。很多科学家都对希格斯场的理论有贡献,这会让瑞典的诺贝尔委员会很头疼,毕竟,诺贝尔物理学奖一次最多只能颁给3位健在的学者。如果希格斯子的发现真的获奖了,该给哪些人颁奖呢?

3. 英国官员曾经举办过一次全国竞赛,征求对希格斯子的最好解释。

在希格斯的模型中,基本粒子通过与一种无形的、无所不在的场的相互作用而获得质量。这种场后来被称为希格斯场。一个粒子与希格斯场的相互作用越多,它的质量就越大。

科学家很难向英国政府解释清楚希格斯场是什么东西,因此政府无法断定是否该把研究经费提供给研究希格斯场的科学家。于是在1993年,英国的一位官员要求大家给政府提供一种好的解释,以让政府能够明白科学家说的希格斯场是什么。

一位科学家把希格斯场比喻为一个政党的成员均匀分布在一个房间里,他们就像是组成了“希格斯场”。一个毫无名气的人可以不受阻拦地穿越房间里的人群。然而当时的首相撒切尔夫人要穿过房间时,就会引起人群的极大关注:成员们会聚集在她周围,使她慢下来,这就好比是给了她“质量”。其他一些有创意的解释还谈到了歌星被狗仔队蜂拥等情况。

4.“玻色子”这个名词来自于印度物理学家及数学家玻色。

微观粒子分为两类:玻色子和费米子,希格斯子属于玻色子。

玻色是20世纪20年代与爱因斯坦合作的一位物理学家。两人的重要合作工作是建立了玻色-爱因斯坦统计,这是一种描述一类粒子的方法,这类粒子现在叫做玻色子。两个属性相同的玻色子可以在同一时间出现在同一地点,而两个费米子是不行的。

比如,光子时玻色子,许多光子可以组成狭窄的激光束,一起向前冲;而电子是费米子,不同的电子在原子核外要占据不同的电子轨道,彼此要保持一定的距离。

玻色从来没有获得博士学位,也没有获得诺贝尔奖,但他对玻色子的研究获得了物理学界的承认。

5. 如果希格斯子真的存在,它可能还有兄弟姐妹。

许多理论物理学家试图不用希格斯子来解释目前已知的粒子和它们的质量,但他们都没有得到一个合理的模型,所以大部分学者还是接受希格斯子这个假设。

实际上,有一种很流行的超对称理论预言,自然界至少存在5种希格斯子,还有的理论预言了更多能产生质量的粒子。因此如果人们确认了强子对撞机发现的就是希格斯子后,这个仪器也还有其他事情可做,那就是看看希格斯子是否如标准模型所描述的那样,或者看看它是否还有一帮兄弟姐妹。

6.即使希格斯子被发现了,物理学的标准模型还是不完整的。

标准模型是物理学家用来描述微观物质以及它们的相互作用的数学框架。根据标准模型,希格斯子是最后一个尚待发现的粒子。

如果希格斯子的发现被确认,标准模型的正确性就得到了一次证明。但是发现希格斯子并不表示这个模型彻底完工,没什么事情干了。标准模型把一些基本力纳入其中,比如电磁力和强核力,但是却没能囊括引力,同其他几种基本力相比,引力似乎太弱了。

物理学家对此有一种解释,我们感觉到的只是引力的一部分,引力的大部分都隐藏在其他的维度里。

7. 发现新的粒子,不表示它一定是希格斯子。

发现某些粒子像希格斯子,并不代表它就是希格斯子。如果物理学家发现了一种新的粒子,在确定它是否如标准模型所描述的希格斯子之前,要检验这种粒子的许多特征,比如和其他粒子的相互作用。

就像生物学家检测一种新的物种时,会对它的基因进行检测那样,物理学家在检测新粒子是否是希格斯子时,也要检验许多属性。根据标准模型的预测,希格斯子会与其他粒子有这样或那样的相互作用,这就给物理学家检验新粒子提供了方向,他们会根据新粒子与其他粒子的相互作用情况,来判断它是不是标准模型中的希格斯子。

如果新粒子的表现与标准模型预言的希格斯子不一致,麻烦就来了,这等于是出现了标准模型没有考虑到的新粒子,物理学家就不得不重新思考这个粒子的身份,甚至整个标准模型都可能要修正。

8.十年前科学家可能就已经捕捉到了希格斯子。

通过大型强子对撞机的实验,科学家认为,如果希格斯子存在,它的质量应该在115到130 GeV/c^2之间(GeV是10亿电子伏特,c代表光速)。另外的一些仪器实验则表明,希格斯子的质量也许在124-126 GeV/c^2之间。

在2000年,欧洲的大型正负电子对撞机发现了有趣的现象,有些东西看起来非常像希格斯子,它们的质量大约是115 GeV/c^2,大约是一个碘原子的质量,基本符合理论预测的范围。此后的对撞机观测发现了更多的证据,可能当时希格斯子已经现身了。可惜由于当时这个对撞机要关闭,以给后来的大型强子对撞机腾地方,观测没有继续进行下去。

    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多