希格斯玻色子究竟是什么?为什么它会被称为“上帝粒子”?

今日快讯 2019-09-1076未知admin

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  原标题:希格斯玻色子究竟是什么?为什么它会被称为“上帝粒子”?

  2012年7月,物理学领域有了一个重大的发现,物理学家们终于解开了困扰他们40多年的谜团。当每个人都兴奋地握手庆祝时,一个老人哭了,这个人就是彼得•希格斯。他对一个新的基本粒子的预测,即标准物理模型中对基本粒子家族的必要补充,最终被证明是正确的。

  希格斯玻色子的发现尤其令人期待,因为它被吹捧为“上帝粒子”。但是为什么它有这么一个耸人听闻的昵称呢?

  如果说社交媒体教会了我们什么的话,那就是一个文化中的想法会以指数速度传播,但误解也是如此。不了解来龙去脉,就连喜剧也似乎变成悲剧。难道上帝粒子的发现最终证明了上帝确实存在?

  你在与物理学家交谈时说出 “上帝粒子”这个词时,如果他或她一脸苦相地反驳的话,不要感到惊讶。令物理学家懊恼的是,这个词现在已经不可避免地与粒子纠缠在一起了。对物理学家来说,这是一种不必要的夸张。彼得•希格斯更愿意把它称为物理学最想要的粒子。但是为什么我们如此迫切地想要找到它?

  标准模型中的基本粒子可以分为费米子和玻色子。费米子是构成物质的粒子,而玻色子则是传递物质之间作用力的粒子。在20世纪50年代末期,科学家证实物质和辐射可以同时表现出粒子和波的行为。这被称为波粒二象性。因此,每个粒子都与一个相应的场或粒子所“携带”的扰动相关联。

  例如,两个磁体之间的排斥和吸引力是电磁力,但你可能不知道这个磁场是由光子携带的,它的粒子模拟物。虽然我们可以从磁体的运动中探测到磁场,但对携带它的粒子却不能这样说。这是因为力量粒子或玻色子是无形的或虚拟的。

  标准模型描述了自然界四种基本力中的三种。按照力量顺序,他们可以列为,结合原子核并由胶子携带的强场,最常见的,由电子承载的电磁场,和致使β衰变及核聚变反应,由W和Z粒子携带的弱场。

  一个叫做引力子的假想粒子被认为携带着引力,这是第四种基本力,但是每一次尝试将其合并到模型中并完成这个谜题时,结果都失败了。对于物理学家来说,无法将一切都包含在一个整体中一直是挫败感的来源。

  物理学家渴望确定性,他们希望能够有预测的能力,并见证事件慢慢明朗。标准模型允许我们描述原子核千分之一大小的粒子的行为,但他们仍然不满意。

  在这些力量中,存在着明显的不对称。电磁学的范围是无限的,但弱相互作用力的范围不是。物理学家认为存在一种对称性,有一种比所有四种基本力更基础的力。他们认为这四种力量是从单一河流中分裂出来的一个三角洲的溪流。因此,所有不同的力量都是一种力量的表现,它是大爆炸后出现的第一个力量。

  虽然引力目前不予考虑,但我们希望能达到对称性,或者说把剩下的三种力合并成一个我们称之为大统一力(GUF)的力。然而,这样的对称性只能在巨大的能量或大统一能量中见证,大统一能量是宇宙大爆炸后产生的一种能量。

  为了探测GUF,我们需要一个像太阳系一样大的粒子加速器!所以,物理学家认为他们至少能做的就是把电磁力和弱力结合成“电弱力”。他们希望,在随后的几年里开发出来的粒子加速器能够强大到足以探测到“电弱力”。

  弱力没有像电磁力那样到处分散的原因是,弱力粒子与光子不同,它们很大。因为它们的质量使它们停滞不前,所以不会到处窜动。在60年代末,史蒂文•温伯格成功地将这两种理论结合起来,创造了电弱理论。他首次预测了W、Z粒子,并计算了它们的质量。16年后,欧洲原子核研究组织(CERN)成功地探测到它们并发现它们的质量大约是一个质子的100倍,这与温伯格最初预测的差距不太大。

  弱力粒子的发现是历史性的,但我们的研究还没有完成。只有能够解释是什么导致了不对称,是什么导致了大量的力粒子才能建立一个完整的电弱理论框架。

  彼得•希格斯提出了一个新的基本力场的存在,这是一种相互作用,它会在弱场粒子中注入质量。无处不在的力场最终被称为希格斯场,与它相关的粒子被称为希格斯玻色子。希格斯认为W和Z粒子会干扰这个场并产生质量,而光子会以不同的方式快速地穿过,不会产生任何质量。

  令人惊讶的是,希格斯场不仅导致产生力粒子的质量,还会产生物质粒子。虽然物质扰乱希格斯场的机制不同,但这意味着如果没有希格斯场,就没有质量,没有质量,质子就没有对抗运动,不会停止,聚集和形成物质,而是以光速穿过空间。没有它,我们就不会存在。所以,希格斯玻色子的发现确实非常重要。

  然而,如果没有证据,一个理论就是推测。希格斯玻色子是出了名的难以捉摸,探测希格斯场所需的能量比一般加速器所能提供的能量大得多。此外,更大的能量会带来更大的风险和成本。没有人能保证更大的加速器就会探测到它。如果所有的努力,高昂的费用和不可挽回的时间最终发现都毫无价值,那该怎么办?

  二十年过去了,物理学家们仍然一无所知。1993年,美国物理学家Leon Lederman和Dick Teresi写了一篇文章《上帝粒子:如果宇宙是答案,那问题是什么?》。有趣的是,最初的标题是《这令人讨厌的粒子》(The Goddamn Particle),反映了物理学家在近20年里无法找到它的巨大挫败感。然而,出版商不同意,之后作者把单词删减成“上帝”。结果这个名字就粘在上面了。就像一个有责任心的寄生虫,似乎不会很快离开。

  误释被曲解了,阴谋也随之而来。2005年大型强子对撞机(LHC)开始开发时,扑朔迷离的阴谋正四处流传。一些人认为物理学家打开了通往地狱的大门。

  物理学家通过研究在高速粒子碰撞中分散的碎片,发现了新的、更小的基本粒子。这类似于通过检查电视机从建筑物顶部扔下来摔成的碎片来研究其内部结构。2012年,人类有史以来建造的最强大的粒子加速器LHC,以接近光速的速度碰撞质子,最终发现了长久以来寻找的希格斯玻色子,原来它隐藏在内部。

  希格斯场的发现仅仅是个开始。我们推测,这个场的许多“版本”最终将不仅仅是对称建立,而是所谓的超对称,它是一个扩展的标准模型,有望填补剩余的空白。这也包括暗物质的构成,暗物质目前似乎比希格斯场更难以理解。

  不管是不是上帝粒子,这个发现是开创性的,也许是我们短暂历史上最重要的发现之一。我们的祖先带着棍子出发,但最重要的是,带着好奇心,沿着潮湿的砾石,追踪水斑找到溪流,爬过一个个悬崖,跟着溪流发现池塘,我们现在已经艰难地追踪到这四大河流。在这段时间里,我们已经锻造了一些工具,正如英国科幻作家Arthur Clarke所说,它们与魔法别无二致。很快,我们就会沿着河流到达最终的“大河”,把我们的木棍固定在它旁边的地面上,回顾我们史诗般的朝圣之旅。然后我们就可以停止好奇“如何做”,而开始思考“为什么”。返回搜狐,查看更多

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