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你我都有質量,但質量到底是什麼?什麼創造出質量?

探索浩瀚的宇宙對於人類來說似乎是一個永恆的課題,因為宇宙實在太過龐大,每當人們解答了一個未知領域,就會有更多的疑問隨之而來。而往往這個時候很容易就走進死胡同,需要我們轉換思維,何不從微小世界的領域探索宇宙的本質?因為宇宙誕生之初就是極其的微小。


試著想像你能把自己現在的體型縮小好幾十億倍,這就是原子核次原子粒子的領域,我們眼睛所能見到一切的基石,而當你變成了這麼小,世界的運作是靠大不相同的定則,稱為量子力學。你我都有質量,但質量到底是什麼?什麼創造出質量?根據這些定則,就算你像移除掉所有原子核粒子,也會發現虛無空間依然一點也不虛無,事實上,裡面滿是活動。粒子持續存在與消滅,它們從無中生有,很快地毀滅彼此而消失。儘管理論有預測到這一點,但直到1948年,一位名叫亨德里克卡西米爾的科學家才提出儘管我們看不到這些例子,但它們應該能讓虛無空間做出我們看的到的事。


他預測若把兩片一般的金屬板放得極為靠近,假設比一張紙的厚度還靠近,那麼擁有特定能量的粒子會被排斥掉,因為板子間無法容納它們。因為板子外的這種活動比板子內更劇烈,卡西米爾認為板子會被我們通常認為的虛無空間推在一起。而當多年後做成了這個實驗證明了卡西米爾是對的,在虛無空間,板子是被推在一起。所以在原子的觀點下,虛無空間並不虛無,裡頭充滿了活動,可以逼迫物體移動。你我都有質量,但質量到底是什麼?什麼創造出質量?而今天了解最小空間的追求依然繼續著,使用史上最昂貴的科學實驗。CERN,位於日內瓦的歐洲核物理研究中心,在此建於超過底下五十米深的就是大型強子對撞機,那是全球最有力的加速器,造價大約一百億美元,能加速次原子粒子達到超過99.99%的光速,然後讓它們對撞,在這些碰撞所產生的碎片中,這類地方的科學家已經發現到許許多多的奇特粒子,而他們正在追查其中最神出鬼沒的粒子。這種粒子被認為是塑造一切的關鍵,從我們身體中的原子到最遙遠的恆星,如果能找到這種粒子,將重新改寫我們對於空間的設想,而能實現四十多年前便啟動的追求!

一切始於1964年,英國一名年輕的物理學家彼得希格斯提出非常破格的空間概念,差點害他身敗名裂。希格斯等少數人努力破解的謎題如下,宇宙中的基本粒子全都有不同的質量,我們通常將之想成是重量,這些粒子若是沒有質量,就絕不會結合而形成我們熟悉的原子,而原子組成了我們周圍所見的一切。


不過是什麼創造出質量的呢?又為何不同的粒子有不同的質量呢?儘管希格斯等人努力再三,卻無法解答這個讓人費解的問題。後來的一個周末在愛丁堡郊外散步,希格斯有了特殊的想法,他用數學對空間有了全新的想像,像是海洋那樣,粒子沉浸在這個海洋里,而在通過的時候取得了質量。


為了了解這是如何運作的,試著把粒子的質量想像成演員的名氣,而希格斯的海洋可比狗仔隊。有些粒子像是沒有名氣的演員,很輕鬆就能通過,狗仔隊對他們毫無興趣。但其他的粒子,好比超級巨星,得要擠啊擠才能通過,而這些例子通過時越是吃力,和海洋的互動越多,也就取得了更大的質量。你我都有質量,但質量到底是什麼?什麼創造出質量?當時的希格斯深信自己達成了偉大發現,但當他用這個概念投稿給歐洲核物理研究中心的期刊,卻被退稿。但是希格斯並沒有退縮,而是越挫越勇,更加琢磨他的理論,直到後來他得到機會在普林斯頓大學的高等研究院發表。


如今,希格斯所開創的概念,稱為希格斯場是我們了解空間的關鍵。希格斯場無所不在,甚至存在於最虛無的真空空間,而正是因為有了希格斯場,你我才有了質量。唯一的問題是沒有實證能支持希格斯場的存在,起碼到目前為止哈還沒有。

但是在歐洲核物理研究中心,科學家正嘗試用極大能量讓粒子對撞,將能撞掉一塊希格斯場,製造出自己的小粒子,彷彿是刮掉一片空間下來。科學家認為用粒子加速器推進空間的力量如果夠大的話,真能讓希格斯粒子跑出虛無空間。以我們現在對於物質的整個了解,如果希格斯場不存在,便會瓦解。找到希格斯粒子會是重大的里程碑,進而確立就算是最虛無的虛無空間也都影響著所有物質。
你我都有質量,但質量到底是什麼?什麼創造出質量?希格斯玻色粒子和希格斯場之後被證明確實存在,而希格斯玻色粒子也被稱為「上帝粒子」,是物質質量的來源,而發現者希格斯本人在2013年榮獲物理學諾貝爾獎!


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