提到上帝粒子，想必大家不會(huì)太陌生，這個(gè)神奇的粒子一直勾動(dòng)著科學(xué)家們的心。就在2012年7月2日，美國(guó)能源部下屬的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)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(fā)布新聞稿表示，先前探測(cè)到的新粒子是希格斯玻色子。在2013年10月8日，比利時(shí)理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒和英國(guó)理論物理學(xué)家彼得·希格斯因希格斯玻色子的理論預(yù)言而獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，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，我們首先要明白什么是希格斯場(chǎng)~
什么是希格斯場(chǎng)呢？
在量子物理學(xué)中，任何物質(zhì)都被視為是量子場(chǎng)中振動(dòng)的組合。這些振動(dòng)被以“小包”的形式在場(chǎng)中傳遞，即所謂的“量子”，我們可以將其視作一種粒子。這里存在兩種不同的場(chǎng)：物質(zhì)場(chǎng)，其中包含的是物質(zhì)粒子；以及力場(chǎng)，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(chǎng)的振動(dòng)，通常這種場(chǎng)被物理學(xué)家們稱作“希格斯場(chǎng)”。
希格斯場(chǎng)示意圖
那么，希格斯玻色子又是什么呢？
希格斯玻色子：即上帝粒子，它是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種自旋為零的玻色子。在希格斯機(jī)制中，希格斯場(chǎng)引起自發(fā)對(duì)稱性破缺，并將質(zhì)量賦予規(guī)范傳播子和費(fèi)米子，希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的量子化激發(fā)，它通過(guò)自相互作用而獲得質(zhì)量。
希格斯玻色子在產(chǎn)生之后幾乎瞬間就會(huì)衰變成兩個(gè)光子，它們留下的路徑（圖中綠色），可以在這張來(lái)自CMS探測(cè)器的圖像中觀察到圖像。
來(lái)源：CERN
“
談?wù)摰较８袼共Ｉ雍鸵Γ芏嗳送鶗?huì)想到這個(gè)問題：
?引力對(duì)物體的作用與其質(zhì)量是成比例的，而希格斯場(chǎng)又是一切物體存在質(zhì)量的原因，那么希格斯玻色子理所應(yīng)當(dāng)和引力存在著密切的聯(lián)系……不是嗎？
這個(gè)猜想合情合理，然而——結(jié)果證實(shí)它是完全錯(cuò)誤的。問題在于，這個(gè)表述結(jié)合了17世紀(jì)的引力概念，很早之前已經(jīng)被修正過(guò)了，它是二十世紀(jì)末的一個(gè)過(guò)于簡(jiǎn)化的概念——各種各樣粒子的質(zhì)量從何而來(lái)。
首先，我想用紅色字體糾正一下上面那個(gè)問題中存在的幾點(diǎn)問題：
?由于引力對(duì)物體的作用與其質(zhì)量其能量和動(dòng)量的結(jié)合是成比例的，而希格斯場(chǎng)又是一切物體并不是所有的，而是除了希格斯玻色子本身外已知的基本粒子存在質(zhì)量的原因，那么希格斯玻色子理所應(yīng)當(dāng)和引力存在著密切的聯(lián)系……不是嗎？并不是
接下來(lái)我會(huì)為大家解釋這些問題。
星體的運(yùn)行離不開萬(wàn)有引力定律
當(dāng)我們?cè)趯W(xué)校第一次接觸到引力這個(gè)概念時(shí)，我們學(xué)習(xí)到的是萬(wàn)有引力定律：對(duì)于一個(gè)質(zhì)量為M1的物體，另一個(gè)質(zhì)量為M2的物體，它們之間的萬(wàn)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(xiàn)之前是正確的。事實(shí)證明，萬(wàn)有引力定律需要進(jìn)行修正：愛因斯坦的理論對(duì)該定律的大致表述是：對(duì)于兩個(gè)低速運(yùn)動(dòng)（其中一個(gè)物體的速度相對(duì)于另外一個(gè)遠(yuǎn)小于光速）的物體，它們擁有的能量分別是E1 和E2，它們之間的萬(wàn)有引力與E1 E2的乘積成正比。
那么這兩種表述，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?yàn)閻垡蛩固购退闹С终哒J(rèn)為，對(duì)于任何一個(gè)普通的物體，它們擁有的能量E和它們的動(dòng)量p和質(zhì)量M(有時(shí)候也叫“靜止質(zhì)量”，但是粒子物理學(xué)家往往稱之為‘質(zhì)量’)之間的關(guān)系是：
對(duì)于一個(gè)低速運(yùn)動(dòng)的物體，p ≈ Mv（v是物體的速度），因此pc ≈ Mvc，這個(gè)結(jié)果比Mc的平方小了很多，因此
由于行星，月亮以及人造衛(wèi)星之間運(yùn)動(dòng)的相對(duì)速度以及它們各自與太陽(yáng)的相對(duì)速度都遠(yuǎn)小于光速的0.1%，它們之間的引力正比于
由于c是一個(gè)常量，總的說(shuō)來(lái)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(gè)物體間的作用力正比于它們能量的乘積，也正比于它們質(zhì)量的乘積，因?yàn)閮烧弑旧砭褪浅烧鹊摹?br>
然而對(duì)于那些自身相對(duì)于另外一個(gè)以高速運(yùn)動(dòng)的物體，或者對(duì)于那些受到強(qiáng)引力拉動(dòng)的物體（如果），此時(shí)愛因斯坦的引力定律涉及到動(dòng)量和能量的復(fù)雜組合，在這種情況下，質(zhì)量并沒有明確的出現(xiàn)。這就是為什么愛因斯坦的引力理論對(duì)于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(zhì)量。（這也正是為什么引力波——它在時(shí)空中，像光一樣沒有質(zhì)量，可以由兩個(gè)相互環(huán)繞的物體產(chǎn)生。）簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，愛因斯坦的引力觀（現(xiàn)在已經(jīng)被實(shí)驗(yàn)很好的證實(shí)）和牛頓的引力觀有顯著的差別，尤其是在物體的能量和動(dòng)量而非質(zhì)量占據(jù)主要地位的情況下。對(duì)于所有的物體，不論它們是由什么構(gòu)成的，或者在你看來(lái)它們是如何運(yùn)動(dòng)的，擁有能量——因此宇宙中的一切物體對(duì)于其他物體都存在引力效應(yīng)。我們可以說(shuō)“引力是一種普遍存在的力”。
“希格斯場(chǎng)是宇宙中一切質(zhì)量的來(lái)源”這個(gè)觀點(diǎn)究竟是不是正確的呢？我們經(jīng)常會(huì)在出版物或者一些公眾文章中看到的這條論述，但它是錯(cuò)誤的。
那么正確的說(shuō)法是什么呢？下面是我們已知的基本粒子。其中沒有質(zhì)量的是：
? 光子，膠子，引力子(后者假定存在)
有質(zhì)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(zhì)量的
? 發(fā)現(xiàn)的質(zhì)量為125 GeV/c2的粒子(假設(shè)這是某種類型的希格斯玻色子)
現(xiàn)在我們已知的事實(shí)是W和Z粒子，夸克，帶電輕子和中微子必須從希格斯場(chǎng)中獲得能量，但也不排除它們有獲取質(zhì)量的其他方式。但這種說(shuō)法對(duì)于希格斯玻色子是不成立的。
基本粒子和相互作用的標(biāo)準(zhǔn)模型
所以，希格斯玻色子的質(zhì)量并不完全來(lái)自希格斯場(chǎng)！
這是LHC設(shè)備中ATLAS探測(cè)器得到了一幅圖像，圖中4條紅線可能是μ子，它們可能是短壽命并瞬間衰變消失的希格斯玻色子產(chǎn)生的。
那么它的質(zhì)量究竟來(lái)源于哪呢？
這就說(shuō)來(lái)話長(zhǎng)了?，F(xiàn)在我們可以一言以蔽之——希格斯玻色子的質(zhì)量沒有單一的，簡(jiǎn)單的，已知的來(lái)源，并且它存在一個(gè)奇怪的特性——它的質(zhì)量特別小，這也是被稱作等級(jí)問題的巨大難題的一個(gè)方面。
總之無(wú)論如何，希格斯場(chǎng)并非基本粒子的普遍質(zhì)量來(lái)源。希格斯玻色子本身可以獲取它的質(zhì)量，至少在別處可以獲取一部分質(zhì)量，并且這種情況不是唯一的。暗物質(zhì)也極有可能是由粒子構(gòu)成，這些也有可能從另一個(gè)來(lái)源獲得至少一部分質(zhì)量。大多數(shù)物理學(xué)家和天文學(xué)家相信暗物質(zhì)是宇宙的主要物質(zhì);它提供了我們所居住的銀河系的大部分質(zhì)量。而希格斯場(chǎng)提供的質(zhì)量可能很少。
其他物質(zhì)的質(zhì)量來(lái)源并非都是希格斯玻色子。一個(gè)原子的大部分質(zhì)量是它的原子核，而不是原子核外部的質(zhì)量較小的電子。原子核是由質(zhì)子和中子構(gòu)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(nèi)運(yùn)動(dòng)。同等的，質(zhì)子和中子的質(zhì)量應(yīng)歸功于這些能量，至于在“牢籠”內(nèi)部捕捉夸克等所需要的能量，則是由“牢籠”內(nèi)部夸克和反夸克的質(zhì)量提供的。所以質(zhì)子和中子質(zhì)量的主要來(lái)源并非希格斯場(chǎng)。因此地球的質(zhì)量，或者說(shuō)太陽(yáng)的質(zhì)量，會(huì)發(fā)生變化，但變化不會(huì)很大，如果沒有希格斯場(chǎng)…假設(shè)它們可以保持在一起，這將不適用于地球的情況。
原子結(jié)構(gòu)模型圖
黑洞是宇宙中最龐大的物體之一，處在大多數(shù)星系的中心，在原則上它可以完全由無(wú)質(zhì)量的物體所構(gòu)成。在理論上，你完全可以用光子來(lái)制造一個(gè)黑洞。在實(shí)際中，大多數(shù)黑洞都是由普通物質(zhì)構(gòu)成的，而普通物質(zhì)的質(zhì)量主要存在于原子核，正如我們剛剛提到的，這并不完全來(lái)自希格斯場(chǎng)。
無(wú)論你如何看待它，希格斯場(chǎng)并非宇宙中物質(zhì)質(zhì)量的普遍給予者:例如普通的原子物質(zhì)，暗物質(zhì)，或者黑洞。它們的質(zhì)量來(lái)源并非希格斯場(chǎng)。但對(duì)大多數(shù)已知的基本粒子來(lái)說(shuō)，確是如此——它對(duì)于確保原子的存在是至關(guān)重要的。但是如果沒有希格斯場(chǎng)，宇宙中仍然會(huì)有同樣有趣的引力物理學(xué)。但不會(huì)有任何原子，更不會(huì)存在任何研究它們的人。
神秘的黑洞
最后，你可以更專業(yè)地問，在物理學(xué)家研究的方程式中，引力和希格斯場(chǎng)之間是否存在數(shù)學(xué)聯(lián)系。答案是否定的。引力場(chǎng)的自旋為2，其被描述為空間和時(shí)間的一部分;它們與自然界中的所有粒子和場(chǎng)相互作用。而自旋為0的希格斯場(chǎng)，只與基本粒子和磁場(chǎng)直接相互作用，這些粒子也參與了電磁和弱核力。
所以，產(chǎn)生關(guān)于希格斯玻色子與引力有關(guān)的猜測(cè)對(duì)于非專業(yè)人士來(lái)說(shuō)是很正常的，但恐怕這種猜想是比較幼稚的，它源于我們對(duì)希格斯玻色子和引力兩者的誤解。
1. 希格斯場(chǎng)，它不是普遍存在的:它為除了希格斯玻色子本身，質(zhì)子和中子，暗物質(zhì)（很可能是）以及黑洞外的大多數(shù)已知基本粒子提供質(zhì)量；
2. 然而愛因斯坦的引力是普遍的，它與物體的能量和動(dòng)量有關(guān)，但非直接與質(zhì)量有關(guān)，而且大多數(shù)會(huì)吸引質(zhì)子和中子，暗物質(zhì)和黑洞，盡管它們的質(zhì)量不是完全來(lái)自于希格斯場(chǎng)。
這的確是事實(shí):盡管乍一看，引力和希格斯玻色子只存在很膚淺的關(guān)系。
盡管希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)最終填補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的最后一環(huán)，但標(biāo)準(zhǔn)模型本身卻并非揭開宇宙終極奧秘的最終一環(huán)
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