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诗意的宇宙——希格斯场

诗意的宇宙——希格斯场

作者: 建东在线 | 来源:发表于2019-12-11 12:42 被阅读0次

    因为即便原子壳层中的电子及原子核中的夸克都是真实存在的,它们也并不占据空间,加速器也测不出它们的体积。物质的真实性状与我们体会到的全然不同,它们的组成成分没有固定的外形。基本粒子也不是小球,而是一种能态,它们就像真空中突然闪现的火光。

    我们可以把这些基本粒子想象成由非常细的铅笔笔尖在空间里不断轻点所画出的点,这些点不断移动,来来回回。而那些在我们的感受中有血有肉的物体,实际上就是这些虚空中用铅笔点出的游移的轮廓——就像是描画本上引导儿童连线的小小的数字。在这些舞动的数字之间还游走着其他一些粒子,因此,原子内各组成部分的联结就此形成了。在原子核与原子壳层的电子之间进行交换的是光子,也就是光的基本粒子。光子是纯粹的能量体,传递的是电磁力。

    费曼先生非常形象地描述了这种不同粒子之间的相互作用:当一个电子释放能量时,就会产生一个光子。这个光子会获得电子失去的那部分能量,随后,光子会向原子核移动,并传递这部分能量。当原子核接收了这部分能量,光子就消失了。不过,原子核本身也会释放能量,吐出一个光子,送到电子那里去。通过光子的相互交换,原子核和电子就彼此联结在了一起。这样的场景已经被转译成了物理学家手头司空见惯的计算式。

    通过交换光子,原子内部便形成了一种特定的阵型——就像足球场上一旦开球,就会立刻产生一种秩序。球队会开始排兵布阵,从而形成最佳的传球方式。光子在原子中的作用就像是绿茵场上的一颗足球——它决定了合适的间距以及整个传递过程的空间范围。它还通过电磁力的作用使原子聚合在一起,从而产生云、水滴和晶体。是光子创造了秩序。

    因此,我们就产生了幻觉,以为自己生活在一个由各种实在物体组成的世界里。由于这些本身并没有形态和体积的粒子彼此建立了联系,所以虚空就有了形状。由于这些幽灵般飘忽的对象之间的联结,我们感受到那把锤子和我们的大拇指都是立体的。此外,这种联结还使我们在被锤子砸到后产生了痛觉。由于铁锤内部的粒子之间以及手指内部的粒子之间都存在着强烈的联结,所以,铁锤里的虚空是无法轻易穿透大拇指内的真空的。

    如爱因斯坦所说,每一份能量都有相应的质量,因此,这些相互联结的幽灵般的粒子就有了质量。其中最强烈的联结存在于原子核中。在那里面,一些胶子(gluon)在夸克之间来回穿梭,它在原子核里的作用就像是联结原子核和电子的光子一样。在原子弹爆炸的过程中,胶子携带的巨大能量中的一部分被释放出来。而当我们举起一个物体,或大力将锤子砸向目标物时,我们所感受到的质量就类似于原子弹爆炸时释放的能量。但这种我们感受为质量的能量并不是自然存在的,它只有在粒子之间建立起联结以后才会产生。

    尽管粒子本身具有质量,这种质量比由上述联结产生的质量小很多。如果可以将组成铁锤的所有夸克和电子都上秤称重的话,它们加在一起的质量可能也只占百分之九。可即便铁锤里头这些粒子的质量很小,也还是不能小瞧了它们。因为这占比很小的质量非常重要:正是因为夸克和电子自己具有质量,所以它们才能彼此产生联结;正是因为自身有质量,这些粒子才会受到加速的阻力。否则,没有质量的夸克和电子将会以光的速度彼此擦肩而过,最终无法形成原子。

    但是没有体积的粒子为什么会有质量呢?物理学家花费了几十年的时间研究这个问题。直到2012年,人们借助日内瓦的粒子加速器才解开了这个谜题。所谓的真空之中并不是绝对的虚空。这种虚空中其实存在着一种叫作希格斯(Higgs)场的东西,这是以苏格兰物理学家希格斯的名字命名的。希格斯场中粒子的性质与一切我们熟知的事物都不相同,它能完全被光穿透,没有形状,无法直接被证明,但又无处不在。

    我们可以把希格斯场比作一片巨大无比的雪原。雪原上的行人每走一步,都一定能感受到当腿脚陷入雪中时雪原产生的阻力。同理,希格斯场以同样的方式阻碍着粒子的运动。它放慢了粒子的脚步。当日内瓦的物理学家向全世界公布他们的发现时,新闻里所提的并不是希格斯场的发现,而是“希格斯玻色子”的发现。希格斯玻色子就像是大雪里的片片雪花:与希格斯场不同的是,这存在于单调的广阔区域中的微小结构是能够被证实的。欧洲核子研究组织就已成功地证实了这一点。

    该项研究耗资超过100亿欧元,这值得吗?答案是肯定的。研究人员通过掌握希格斯玻色子的衰变特征和衰变道,最终发现了它,并证实了粒子理论家的理论是正确的,也同时证明了看不见的希格斯场是真实存在的。由此可知,物质粒子的内部虽然充满了虚空,但这些粒子还是能从希格斯场中获得它们的质量。因为只要夸克或电子要运动,就都得穿过雪原,而整个希格斯场会对运动的粒子产生阻力,放慢它们的速度,这种阻力会让我们以为,粒子是有质量的,但事实上,我们感受到的是真空中希格斯玻色子的黏滞作用。

    此外,希格斯玻色子还解释了为什么所有粒子的重量并不完全一致:希格斯场对一些粒子的阻力大,而对另一些粒子的阻力小。这就好比滑雪者可以快速地滑过雪原,穿靴子的徒步者却只能在过膝的雪地里深一脚浅一脚地缓行,而飞行的鸟儿则可以在雪原上空倏忽而过,根本不受任何牵绊。电子就像滑雪者,夸克就像徒步者,而光子就像天空中的鸟儿。电子在希格斯场中速度飞快,夸克比较慢,而光子在希格斯场中完全可以畅通无阻地穿行。故而,电子的质量小,夸克的质量大,光子则完全没有质量。但正是得益于希格斯场的这种性质,世界上才可能产生稳定的物质。不过,希格斯玻色子本身并非物质,而是真空的产物。

    这种奇特的希格斯场,是在宇宙大爆炸后的宇宙膨胀和冷却阶段形成的。在那之前,宇宙处在难以想象的高温之中,希格斯场也显得无限的轻柔,不会产生任何阻力。所有的粒子都能以光速飞行其间,所以它们既没有质量,也不存在彼此的联结,每一个粒子都是独来独往的。不过,就像水冷却后会变成雪花和冰块一样,希格斯场也慢慢变得黏稠。在这之后,根据希格斯场对不同粒子的不同阻力,基本粒子之间的差异就出现了。这种通过真空产生的阻力,我们称之为质量。正是因为这种阻力的存在,宇宙中才会产生各种形状各异的物质。正是这些成本高昂的实验告诉了我们:我们人类的存在得益于那虚空中的微妙变化。

    那么,这个世界是真实的吗?不管最终的答案是什么,这个世界的性质都与我们体会到的截然不同。我们确实是生活在一个“矩阵”之中。但是,我们所经历的假象并不是电影里无所不能的计算机创造出来的,而是人类自己迫不得已地创造了周围的幻象,为的是不至于在这个错综复杂、令人费解的世界之中迷失、彷徨。

    “为什么存在者存在,而无却不存在?”考虑一切都不存在的情况是毫无意义的。因为在这种情况下,人们一定默默地预设了那不在的东西其实是存在的。这样一来,这个定义本身就自相矛盾了。莱布尼茨所设想的无所不包的“无”,就好比是一个由独角兽守护着却不存在独角兽的宇宙。

    就像物质与我们设想的完全不同那样,无与我们的理解也不同。无并不是绝对真空的状态,而是一种无形的状态。无,是一个还未开演的舞台,是一个一切都有可能出现的空间。我们所经历的一切都是这个舞台上的一出戏——无中有序,一闪而过。这些有序的事物,我们称之为铁锤、大拇指、地球、天空、男人和女人。

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