讓我們看看物理學家是如何向一名歌手解釋上帝粒子的

話說兩人走進一家酒吧,準確的說是一家冰激凌吧。其中一位在歐洲核子研究中心(CERN)大型強子對撞機(LHC)工作的物理學家戴夫,另一位則是一個歌手,藍調歌手史蒂文。兩人坐在了一起。

戴夫:史蒂文,好久不見!

史蒂文點了一杯加了兩勺杏仁的巧克力冰激凌,戴夫點了一杯香草奶昔。

史蒂文:前兩天我在電視上看到關於大型強子對撞機的報道了,聽說你們用探測器發現了傻大個(bozo)?

戴夫:嗯...不是‘傻大個’,我們發現的是玻色子(boson),甚至可能是希格斯玻色子 (Higgs boson)。

戴夫:是一種粒子。

戴夫:話是這麼說,但這次的發現可能足以表示希格斯場是真實存在的!

戴夫:希格斯場!一個以彼得·希格斯以及其他對此理論做出貢獻的科學家命名的場。雖然叫‘場’,但你可沒法用來曬穀子。希格斯場是一個假設存在的、無形的力場,它存在於宇宙中的各個角落。

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英國物理學家彼得•希格斯 2013年與弗朗索瓦·恩格勒共同獲授諾貝爾物理學獎

史蒂文: 好吧。可如果它遍佈整個宇宙,為什麼我從來沒見過?這可是有點奇怪。

戴夫:其實也沒什麼好奇怪的。想想空氣,我們既看不到也聞不著,當然個別地方除外,不過通過尖端儀器--比如我們的身體—就可以檢測到它的存在。“不可見”僅僅是我們在證明事物存在過程中的一個小小挑戰。

戴夫:所以我們認為這種‘希格斯場’就在我們身邊,並且遍佈整個宇宙。希格斯場的特殊之處就在於它為基本粒子提供質量。

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戴夫:所謂基本粒子就是宇宙最基礎的組成結構,其內部不可繼續分割。

戴夫:其實原子是由更小的粒子構成的,分別是質子、中子和電子。電子是基本粒子,而中子和質子而是由另一種基本粒子夸克構成的。

史蒂文:感覺像是俄羅斯套娃一樣,什麼時候是個頭兒啊?

戴夫:說實話,我們也不知道。我們把現在所瞭解的概括成標準模型,標準模型中有兩種基本粒子--構成物質的費米子、傳遞作用力的玻色子。這些粒子可以按照一定的性質排序,比如它們的質量。我們可以得出它們的質量,卻不知道質量從何而來,也不知道它們為何會有質量。

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圖解:物理學的標準模型所涵蓋的基本粒子 前三列是費米子,上下又可分為夸克和輕子。第四列是規範玻色子,第五列則是希格斯玻色子。(圖片源於:維基百科)

史蒂文:那希格斯場為什麼可以解釋質量呢?

戴夫:當一個粒子穿過希格斯場時,會與場相互作用從而獲得質量。相互作用越頻繁,獲得的質量就越大。

史蒂文:我有點懂了。但這發現很重要麼?如果沒有希格斯場又會怎麼樣?

戴夫:如果希格斯場不存在,那整個宇宙就都不復存在了。那樣就沒有星星、沒有其它星球、沒有大氣,什麼都沒有了,甚至連你的冰激凌和手裡拿著的勺子都沒有啦。

史蒂文:哎呀!那太糟糕了。不過希格斯玻色子又是幹什麼的呢?

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戴夫:這麼說吧,你看到我奶昔裡的櫻桃了嗎?

史蒂文開玩笑說:你是要給我嗎?

戴夫:別激動!我就是拿它打個比方。

史蒂文搶著說: 你的意思是櫻桃就相當於希格斯玻色子?

戴夫:也不盡然。我們把奶昔看成希格斯場,櫻桃則是在希格斯場中穿行的粒子,而奶昔給了櫻桃質量。

史蒂文: 我懂了!所以奶昔裡的分子就好比希格斯玻色子。

戴夫:差不多,希格斯場中要產生希格斯玻色子是需要激發作用的。舉個例子:比如我把櫻桃扔進奶昔裡,你可以把這想象成向場中施加能量。

史蒂文:哦,那落在吧檯上的幾滴奶昔就是希格斯玻色子咯?

戴夫:你的認知越來越接近了,應該說濺起的水花才是希格斯玻色子。

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戴夫:量子力學的理論就是這麼指導我們的,實際上所有粒子都是從場中激發得到。

史蒂文:好吧!我有點明白你為什麼喜歡粒子物理了。聽上去的確挺炫,玄中帶炫!

戴夫:說玄也沒錯,的確和日常生活離得有些遠。希格斯玻色子是希格斯場的一種激發態,所以我們通過發現希格斯玻色子就可以證明了希格斯場的存在。

史蒂文:你們探測到玻色子證明了希格斯場的存在,現在應該大功告成了吧。粒子物理還有什麼未解之謎?

戴夫:其實,我們這才剛剛上路。這就和當初哥倫布以為自己發現了印度新航線差不多,他確實有新發現,但並不是他想要的。所以第一步,我們需要證明我們發現的就是希格斯玻色子。表面看沒什麼問題,不過我們需要進一步觀測其性質以最終確定。

戴夫:這需要更多數據。新發現的粒子只能穩定存在極短時間,它會迅速分解、衰變成為更穩定、質量更小的粒子,通過觀測這些更小的粒子我們就可以瞭解玻色子的性質了。

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圖解:在大型強子對撞機觀測到的因質子碰撞而產生的希格斯玻色子候選事件 超環面儀器:兩者最終都衰變成輕子,剩下兩個電子(綠色)和四個μ子(紅色)。緊湊μ子線圈:希格斯衰變為兩個迷人的夸克,形成射流(錐);Z衰減為電子(綠色) (圖片源於:超環面儀器 /緊湊μ子線圈/ 歐洲核子研究組織)

戴夫:標準模型預測了希格斯玻色子衰變為更輕、更小粒子的頻率與方式。我們要觀測粒子的這些性質是否符合標準模型或者其他理論模型。

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戴夫:那就更有意思了!科學只有這樣才能進步,如果有新模型能對觀測結果做出更好的解釋,那我們就會用其替代現有模型。

史蒂文:嗯!所以發現希格斯玻色子奠定了下一步探索的基礎,就好像哥倫布向西進發。

戴夫:正是如此,發現粒子僅僅是邁出了第一步!

1.Wikipedia百科全書

2.天文學名詞

3. Jiayu LIN- Jenny Yang

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