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上帝粒子和宇宙的构成

关于本文的内容介绍
我们的世界是由什么基本物质组成的?为什么各种物质具有质量?
质量产生之谜
这是物理学中的两个重大问题,早在几千年前,古人就曾经提出过类似的问题,来追问世界的本质。对于第一个问题,现代物理学家用各种粒子来做回答,宇宙存在着一些不可再分的基本粒子,正是这些基本粒子构成了宇宙万物。物理学家甚至还建立了一个“标准模型”,在这个模型中一共有62种基本粒子,它们彼此之间可以通过三种基本的作用力,也就是强力、弱力和电磁力,组合出各种复合粒子,进而组成物质世界。只要能通过科学设备找到这62种基本粒子,标准模型就能够被证明是描述宇宙的正确理论,第一个问题就完美解答了。
然而在建立标准模型的过程中,物理学家却遭遇到了一个困难:根据这个模型,基本粒子是不会有质量的。但是通过科学设备找到的基本粒子表明,几乎所有的基本粒子都是有质量的,除了光子,它没有静止质量,但是却有运动质量。
于是,要完美回答第一个问题,就要先回到第二个问题,也就是质量是怎么产生的问题。游泳池里响上帝粒子
1964年有个物理学家名叫彼得·希格斯,从前人的想法中吸取了一些见解,再添加上自己的创新,提出了一个观点:整个宇宙中弥散着一种能量场,这就是如今人们所说的“希格斯场”。他提出这个场,是因为当时没有人明白,为什么有些基本粒子质量很大,有些质量却很小,甚至没有质量。希格斯所设想的希格斯场,能够与基本粒子相互作用,从而赋予了粒子质量。一个粒子质量大,是因为它和希格斯场的相互作用多,而一个粒子如果没有质量,就说明它根本就不和希格斯场相互作用。
为了便于理解这个猜想,我们用水和在水中的游泳者来作比喻。水就相当于希格斯场,一只灵巧的流线型梭鱼受到水的阻力很小,可以在水中很自如地游动。这条梭鱼就好比是质量轻的粒子。而一个大胖子进入水中,就只能缓慢地向前游动,因为他受到水的阻力很大,他相当于质量很大的粒子。
我们熟悉的基本粒子中,质量最轻的就是光子。而基本粒子中质量最重的莫过于顶夸克,它的质量差不多和金原子的质量一样大,是光子的35万倍。按照希格斯的理论,顶夸克质量那么大,完全是因为它与希格斯场的相互作用更多。假如希格斯场不存在,这些粒子的质量就会统统为零。
这里必须说明的是,顶夸克不是因为体积大而获得了更多的质量,它其实并不比光子的体积大。因为根据物理学家的理论,顶夸克和电子的大小是完全相同的,它们的体积都是一一零。虽然这个现象多少有点违背我们的生活经验,但在基本粒子领域里,这并不奇怪。
既然整个宇宙是由基本粒子组成的,那么我们很容易就会问,希格斯场是由什么组成的?这个问题的答案很简单:希格斯粒子。为了理解希格斯场和希格斯粒子之间的关系,我们再用水来作比喻。当我们浸入水中游泳的时候,感觉水似乎是连续不断的物质,但其实水并非没有“漏洞”,我们知道,水分子的化学式是H20,游泳池里的水是由大量的H20分子组成的。就像大量的水分子构成了游泳池的水体一样,希格斯粒子就好像是水分子,大量的希格斯粒子也构成了希格斯场。
希格斯粒子是物理学家建立的标准模型中的最后一个粒子,找到了希格斯粒子,我们就揭开了物质具有质量的谜团,进而证明标准模型的正确性,完美回答世界的物质构成问题。所以,要了解整个宇宙的组成奥秘,希格斯粒子是关键,因此人们称呼它为“上帝粒子”,它是“上帝”创造世界的关键粒子。
超强柏器抓捕上帝粒子
接下来的任务就是寻找希格斯粒子了。让人烦恼的是,几十年中,物理学家已经把61种基本粒子“缉拿归案”,唯独关键的希格斯粒子与人们玩起了捉迷藏游戏,迟迟不肯露出真容。部分原因是希格斯粒子的质量约为质子的126倍,但是它并不稳定,会迅速衰变成更加稳定、质量更小的其他基本粒子,让人抓不住它。
物理学家需要更强大的设备来寻找上帝粒子。欧洲核子中心的大型强子对撞机是人类有史以来建造的最强大的粒子加速器,它的工作原理是将两束质子流以接近光速的速度迎头相撞,在质子们“分崩离析”的过程中,各种基本粒子也会被撞出来,其中包括希格斯粒子。不过由于希格斯粒子衰变速度太快,物理学家通过对衰变产物的分析,来间接推断强子对撞机里是否产生了希格斯粒子。
2012年7月,欧洲核子中心的物理学家终于在强子对撞机实验的产物中找到了质量和其他性质与希格斯粒子吻合的粒子,经过验证,他们认为这就是希格斯粒子,上帝粒子终于找到了。
物理学家还没抵达终点
如此重要的物理学成就当之无愧地获得了世界最著名的奖项。2013年诺贝尔物理学奖颁给了英国人彼得·希格斯和比利时人弗朗索瓦·恩格勒,以表彰他们对希格斯粒子所做的预测。
至于为什么是这两位物理学家获奖,还要追溯到1964年。在那一年,一共有三组人马对希格斯场理论的建立做出了贡献,希格斯是其中一组,恩格勒和罗伯特·布绕特是另一组,还有一个三人组在前两组的贡献基础上也做出了自己的学术贡献。根据诺贝尔奖的惯例,一般最多三人共享一个奖项,论贡献前两组更该获奖,而布绕特还没等到希格斯粒子被发现,就于2011年辞世,因此2013年度的诺贝尔物理学奖就由希格斯和恩格勒分享了。
找到了上帝粒子,并不意味着我们宇宙的全部奥秘都揭开了o因为物理学家建立的标准模型其实并不“完整”,它没有把宏观作用力即引力包含进来,更没有考虑占宇宙大部分质量的暗能量。如果未来标准模型始终无法把引力、暗能量“纳入麾下”,那么这个模型也只能算是部分解释了我们宇宙的构成,物理学家还需要寻找更加宏伟的模型来解释宇宙。
 
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