為什麼上帝粒子與引力無關

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提到上帝粒子，想必大家不會太陌生，這個神奇的粒子一直勾動著科學家們的心。就在2012年7月2日，美國能源部下屬的費米國家加速器實驗室宣布，該實驗室的數據接近證明被稱為"上帝粒子"的希格斯玻色子的存在。2013年3月14日，歐洲核子研究組織發布新聞稿表示，先前探測到的新粒子是希格斯玻色子。在2013年10月8日，比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學家彼得·希格斯因希格斯玻色子的理論預言而獲得了諾貝爾物理學獎，作為人類孜孜不倦尋找了幾十年之久的上帝粒子，它又有哪些不尋常之處呢？

如果想要更好地理解希格斯玻色子，我們首先要明白什麼是希格斯場~

什麼是希格斯場呢？

在量子物理學中，任何物質都被視為是量子場中振動的組合。這些振動被以「小包」的形式在場中傳遞，即所謂的「量子」，我們可以將其視作一種粒子。這裡存在兩種不同的場：物質場，其中包含的是物質粒子；以及力場，其中包含的是載力子，它們是力的媒介。希格斯玻色子同樣也是一種場的振動，通常這種場被物理學家們稱作「希格斯場」。

希格斯場示意圖

那麼，希格斯玻色子又是什麼呢？

希格斯玻色子：即上帝粒子，它是粒子物理學標準模型預言的一種自旋為零的玻色子。在希格斯機制中，希格斯場引起自發對稱性破缺，並將質量賦予規範傳播子和費米子，希格斯玻色子是希格斯場的量子化激發，它通過自相互作用而獲得質量。

希格斯玻色子在產生之後幾乎瞬間就會衰變成兩個光子，它們留下的路徑（圖中綠色），可以在這張來自CMS探測器的圖像中觀察到圖像。

來源：CERN

「

談論到希格斯玻色子和引力，很多人往往會想到這個問題：

?引力對物體的作用與其質量是成比例的，而希格斯場又是一切物體存在質量的原因，那麼希格斯玻色子理所應當和引力存在著密切的聯繫……不是嗎？

這個猜想合情合理，然而——結果證實它是完全錯誤的。問題在於，這個表述結合了17世紀的引力概念，很早之前已經被修正過了，它是二十世紀末的一個過於簡化的概念——各種各樣粒子的質量從何而來。

首先，我想用紅色字體糾正一下上面那個問題中存在的幾點問題：

?由於引力對物體的作用與其質量其能量和動量的結合是成比例的，而希格斯場又是一切物體並不是所有的，而是除了希格斯玻色子本身外已知的基本粒子存在質量的原因，那麼希格斯玻色子理所應當和引力存在著密切的聯繫……不是嗎？並不是

接下來我會為大家解釋這些問題。

星體的運行離不開萬有引力定律

當我們在學校第一次接觸到引力這個概念時，我們學習到的是萬有引力定律：對於一個質量為M1的物體，另一個質量為M2的物體，它們之間的萬有引力與M1 M2的乘積成正比。

但這些僅僅在愛因斯坦的理論出現之前是正確的。事實證明，萬有引力定律需要進行修正：愛因斯坦的理論對該定律的大致表述是：對於兩個低速運動（其中一個物體的速度相對於另外一個遠小於光速）的物體，它們擁有的能量分別是E1 和E2，它們之間的萬有引力與E1 E2的乘積成正比。

那麼這兩種表述，牛頓的理論和愛因斯坦的理論，是不是一致呢？

它們是一致的，因為愛因斯坦和他的支持者認為，對於任何一個普通的物體，它們擁有的能量E和它們的動量p和質量M(有時候也叫「靜止質量」，但是粒子物理學家往往稱之為『質量』)之間的關係是：

對於一個低速運動的物體，p ≈ Mv（v是物體的速度），因此pc ≈ Mvc，這個結果比Mc的平方小了很多，因此

由於行星，月亮以及人造衛星之間運動的相對速度以及它們各自與太陽的相對速度都遠小於光速的0.1%，它們之間的引力正比於

由於c是一個常量，總的說來愛因斯坦的引力定律和和牛頓的引力定律是完全一致的，兩個物體間的作用力正比於它們能量的乘積，也正比於它們質量的乘積，因為兩者本身就是成正比的。

然而對於那些自身相對於另外一個以高速運動的物體，或者對於那些受到強引力拉動的物體（如果），此時愛因斯坦的引力定律涉及到動量和能量的複雜組合，在這種情況下，質量並沒有明確的出現。這就是為什麼愛因斯坦的引力理論對於光這種物體仍然成立的原因，光由光量子組成因此它根本沒有質量。（這也正是為什麼引力波——它在時空中，像光一樣沒有質量，可以由兩個相互環繞的物體產生。）簡單來說，愛因斯坦的引力觀（現在已經被實驗很好的證實）和牛頓的引力觀有顯著的差別，尤其是在物體的能量和動量而非質量佔據主要地位的情況下。對於所有的物體，不論它們是由什麼構成的，或者在你看來它們是如何運動的，擁有能量——因此宇宙中的一切物體對於其他物體都存在引力效應。我們可以說「引力是一種普遍存在的力」。

「希格斯場是宇宙中一切質量的來源」這個觀點究竟是不是正確的呢？我們經常會在出版物或者一些公眾文章中看到的這條論述，但它是錯誤的。

那麼正確的說法是什麼呢？下面是我們已知的基本粒子。其中沒有質量的是：

? 光子，膠子，引力子(後者假定存在)

有質量的是：

? W和Z粒子

? 夸克:頂夸克，底夸克，璨夸克，奇夸克，上夸克，下夸克

? 帶電輕子:電子，μ子，τ子

? 中微子:三種類型，至少兩種，或者三種都是小質量的

? 發現的質量為125 GeV/c2的粒子(假設這是某種類型的希格斯玻色子)

現在我們已知的事實是W和Z粒子，夸克，帶電輕子和中微子必須從希格斯場中獲得能量，但也不排除它們有獲取質量的其他方式。但這種說法對於希格斯玻色子是不成立的。

基本粒子和相互作用的標準模型

所以，希格斯玻色子的質量並不完全來自希格斯場！

這是LHC設備中ATLAS探測器得到了一幅圖像，圖中4條紅線可能是μ子，它們可能是短壽命並瞬間衰變消失的希格斯玻色子產生的。

那麼它的質量究竟來源於哪呢？

這就說來話長了。現在我們可以一言以蔽之——希格斯玻色子的質量沒有單一的，簡單的，已知的來源，並且它存在一個奇怪的特性——它的質量特別小，這也是被稱作等級問題的巨大難題的一個方面。

總之無論如何，希格斯場並非基本粒子的普遍質量來源。希格斯玻色子本身可以獲取它的質量，至少在別處可以獲取一部分質量，並且這種情況不是唯一的。暗物質也極有可能是由粒子構成，這些也有可能從另一個來源獲得至少一部分質量。大多數物理學家和天文學家相信暗物質是宇宙的主要物質;它提供了我們所居住的銀河系的大部分質量。而希格斯場提供的質量可能很少。

其他物質的質量來源並非都是希格斯玻色子。一個原子的大部分質量是它的原子核，而不是原子核外部的質量較小的電子。原子核是由質子和中子構成的——它們囚禁了大量夸克、反夸克和膠子。這些夸克，反夸克和膠子以非常高的速度在狹小空間內運動。同等的，質子和中子的質量應歸功於這些能量，至於在「牢籠」內部捕捉夸克等所需要的能量，則是由「牢籠」內部夸克和反夸克的質量提供的。所以質子和中子質量的主要來源並非希格斯場。因此地球的質量，或者說太陽的質量，會發生變化，但變化不會很大，如果沒有希格斯場…假設它們可以保持在一起，這將不適用於地球的情況。

原子結構模型圖

黑洞是宇宙中最龐大的物體之一，處在大多數星系的中心，在原則上它可以完全由無質量的物體所構成。在理論上，你完全可以用光子來製造一個黑洞。在實際中，大多數黑洞都是由普通物質構成的，而普通物質的質量主要存在於原子核，正如我們剛剛提到的，這並不完全來自希格斯場。

無論你如何看待它，希格斯場並非宇宙中物質質量的普遍給予者:例如普通的原子物質，暗物質，或者黑洞。它們的質量來源並非希格斯場。但對大多數已知的基本粒子來說，確是如此——它對於確保原子的存在是至關重要的。但是如果沒有希格斯場，宇宙中仍然會有同樣有趣的引力物理學。但不會有任何原子，更不會存在任何研究它們的人。