上帝粒子的八件秘事
1. 用希格斯場只能解釋宇宙中一小部分質量的來源。
人們經常把希格斯子稱為上帝粒子,說它讓宇宙中的所有物質獲得了質量。但實際上這種說法是錯誤的,希格斯場只給一些基本粒子比如夸克和電子提供了質量。
我們可見的絕大部分宇宙是由非基本粒子組成的,比如質子和中子,這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。我們知道,一隻葡萄乾麵包的質量肯定大於它上面所有的葡萄的質量。同理,如果我們把質子和中子看成葡萄乾麵包,它們含有的夸克看成葡萄,質子和中子的質量並不都來自夸克,因此也不都來自希格斯子。
其他質量的來源是那些相互作用能,把夸克緊密地束縛在質子和中子裡面,而根據質能關係,這部分能量也對應於一部分質量,但它們並不來自希格斯場。
2. 彼得·希格斯關於新粒子的一篇論文最初被拒絕發表。
不過希格斯因禍得福,因為這促使希格斯在論文里添加了一段,探討了如今大名鼎鼎的希格斯子的存在性問題。
1964年,希格斯寫了兩篇論文,每篇都只有兩頁紙,探討了今天所說的希格斯場問題。學術期刊接受了第一篇論文,但是把第二篇論文退回了。一位著名物理學家南部陽一郎看了第二篇論文後,建議希格斯增加一段。希格斯於是添加了一段,預言宇宙中存在一種場,就像海洋中的波浪,能夠產生新的粒子。然後,他把新修改的論文再次投給學術期刊,終於得以發表。
他所預言的新的粒子,就是後來大名鼎鼎的上帝粒子——希格斯子。
另外,至少有十幾個理論物理學家都對希格斯場的理論有貢獻。在2010年,美國物理學會曾經授予了1964年發表相關論文的6位科學家以獎項。很多科學家都對希格斯場的理論有貢獻,這會讓瑞典的諾貝爾委員會很頭疼,畢竟,諾貝爾物理學獎一次最多只能頒給3位健在的學者。如果希格斯子的發現真的獲獎了,該給哪些人頒獎呢?
3. 英國官員曾經舉辦過一次全國競賽,徵求對希格斯子的最好解釋。
在希格斯的模型中,基本粒子通過與一種無形的、無所不在的場的相互作用而獲得質量。這種場後來被稱為希格斯場。一個粒子與希格斯場的相互作用越多,它的質量就越大。
科學家很難向英國政府解釋清楚希格斯場是什麼東西,因此政府無法斷定是否該把研究經費提供給研究希格斯場的科學家。於是在1993年,英國的一位官員要求大家給政府提供一種好的解釋,以讓政府能夠明白科學家說的希格斯場是什麼。
一位科學家把希格斯場比喻為一個政黨的成員均勻分布在一個房間里,他們就像是組成了「希格斯場」。一個毫無名氣的人可以不受阻攔地穿越房間里的人群。然而當時的首相撒切爾夫人要穿過房間時,就會引起人群的極大關註:成員們會聚集在她周圍,使她慢下來,這就好比是給了她「質量」。其他一些有創意的解釋還談到了歌星被狗仔隊蜂擁等情況。
4.「玻色子」這個名詞來自於印度物理學家及數學家玻色。
微觀粒子分為兩類:玻色子和費米子,希格斯子屬於玻色子。
玻色是20世紀20年代與愛因斯坦合作的一位物理學家。兩人的重要合作工作是建立了玻色-愛因斯坦統計,這是一種描述一類粒子的方法,這類粒子現在叫做玻色子。兩個屬性相同的玻色子可以在同一時間出現在同一地點,而兩個費米子是不行的。
比如,光子時玻色子,許多光子可以組成狹窄的激光束,一起向前沖;而電子是費米子,不同的電子在原子核外要佔據不同的電子軌道,彼此要保持一定的距離。
玻色從來沒有獲得博士學位,也沒有獲得諾貝爾獎,但他對玻色子的研究獲得了物理學界的承認。
5. 如果希格斯子真的存在,它可能還有兄弟姐妹。
許多理論物理學家試圖不用希格斯子來解釋目前已知的粒子和它們的質量,但他們都沒有得到一個合理的模型,所以大部分學者還是接受希格斯子這個假設。
實際上,有一種很流行的超對稱理論預言,自然界至少存在5種希格斯子,還有的理論預言了更多能產生質量的粒子。因此如果人們確認了強子對撞機發現的就是希格斯子後,這個儀器也還有其他事情可做,那就是看看希格斯子是否如標準模型所描述的那樣,或者看看它是否還有一幫兄弟姐妹。
6.即使希格斯子被發現了,物理學的標準模型還是不完整的。
標準模型是物理學家用來描述微觀物質以及它們的相互作用的數學框架。根據標準模型,希格斯子是最後一個尚待發現的粒子。
如果希格斯子的發現被確認,標準模型的正確性就得到了一次證明。但是發現希格斯子並不表示這個模型徹底完工,沒什麼事情幹了。標準模型把一些基本力納入其中,比如電磁力和強核力,但是卻沒能囊括引力,同其他幾種基本力相比,引力似乎太弱了。
物理學家對此有一種解釋,我們感覺到的只是引力的一部分,引力的大部分都隱藏在其他的維度里。
7. 發現新的粒子,不表示它一定是希格斯子。
發現某些粒子像希格斯子,並不代表它就是希格斯子。如果物理學家發現了一種新的粒子,在確定它是否如標準模型所描述的希格斯子之前,要檢驗這種粒子的許多特徵,比如和其他粒子的相互作用。
就像生物學家檢測一種新的物種時,會對它的基因進行檢測那樣,物理學家在檢測新粒子是否是希格斯子時,也要檢驗許多屬性。根據標準模型的預測,希格斯子會與其他粒子有這樣或那樣的相互作用,這就給物理學家檢驗新粒子提供了方向,他們會根據新粒子與其他粒子的相互作用情況,來判斷它是不是標準模型中的希格斯子。
如果新粒子的表現與標準模型預言的希格斯子不一致,麻煩就來了,這等於是出現了標準模型沒有考慮到的新粒子,物理學家就不得不重新思考這個粒子的身份,甚至整個標準模型都可能要修正。
8.十年前科學家可能就已經捕捉到了希格斯子。
通過大型強子對撞機的實驗,科學家認為,如果希格斯子存在,它的質量應該在115到130 GeV/c^2之間(GeV是10億電子伏特,c代表光速)。另外的一些儀器實驗則表明,希格斯子的質量也許在124-126 GeV/c^2之間。
在2000年,歐洲的大型正負電子對撞機發現了有趣的現象,有些東西看起來非常像希格斯子,它們的質量大約是115 GeV/c^2,大約是一個碘原子的質量,基本符合理論預測的範圍。此後的對撞機觀測發現了更多的證據,可能當時希格斯子已經現身了。可惜由於當時這個對撞機要關閉,以給後來的大型強子對撞機騰地方,觀測沒有繼續進行下去。


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