希格斯粒子(Higgs particle)与空间中的物体的质量的形成有关。有了质量,粒子才会结合为原子,有了原子,才会有分子,有了分子,才能有物体。因此,希格斯粒子被认为是一种形塑了世界万物的粒子,没有它,就没有人们所见的世界,可能这就是为什么它会被赞誉为上帝粒子(God particle)的原因。
上个世纪六十年代,英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)开始尝试研究物质拥有质量的根本原因。需要知道的是,质量不只简单地代表物体所含的物质的量,它的另一个意义在于物体获得加速度的难度。举个例子,一辆较重的大卡车要刹车或加速,肯定会比一辆较轻的小轿车困难得多,用的时间长,需要的能量也大。加速的难度越大,质量越大。
据说,希格斯在一次野外散步的时候突发奇想,认为空间就像水,水中的物体在运动时会遇到阻力,让运动变得困难,相应地,粒子穿行于空间中,也应该承受某种阻碍,使其需要有所付出才能获得加速度,在宏观世界中体现为质量。空间中的这种使物质获得质量的机制,被称作希格斯场(Higgs field)。
理论物理学家布莱恩·葛林(Brian Greene)曾经提到过一个很有意思的比喻:可以把希格斯场想象成狗仔队,把空间中的各种物质看作明星。狗仔队看见明星就会一拥上前,将其团团围住,而明星则必须要使劲往前挤才能逃走;明星挤得越费劲,与狗仔队的互动越多,受到的阻碍越大,当然也从侧面说明,他的名气越大。演员们的名气,就等价于物质的质量。由于演员们的名气有大有小,相应地,不同物质(基本粒子)的质量也各不相同。比如,光子的(静止)质量是零,因此光能以理论上空间中的最快速度运动。
后来,欧洲核子研究组织(CERN)在日内瓦建造了一座大型强子对撞机(LHC),科学家们开始尝试把粒子加速到接近光速的速度,希望能从空间中找到希格斯场中的粒子,也就是希格斯粒子,以此验证希格斯的理论。
2013年,通过对撞机实验,初步确认已经发现了希格斯粒子,定名为希格斯玻色子(Higgs Boson,粒子分为玻色子和费米子两类,它们的自旋特性不同),证明了希格斯场的存在,希格斯本人也因此荣获诺贝尔奖。
希格斯玻色子仅仅是基本粒子,比如电子等的质量的来源,虽然世界万物都由基本粒子构成,然而它却并不完全是物质的全部的质量的给予者。物体的绝大部分质量来自于胶子场中的能量,也就是胶子传递强相互作用的束缚能量,三个夸克依靠胶子传递强相互作用束缚在一起形成中子或者质子。根据公式 E=mc^2,能量与质量是等价的。
计算机模拟的希格斯玻色子的运作模型。
希格斯粒子的发现,应该算是人类探究空间的一个重大里程碑,因为它不仅证明了真空不空,而且还说明,空间不是一种虚无的东西,它拥有自己与生俱来的固定的特性;希格斯粒子被认为普遍存在于空间中,作用就是给运动的物质施加质量(加速的难度)。这同时也说明了,即使是人们一般认为的绝对真空,也能够对物质造成实在的影响。
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