物理学家解释,希格斯玻色子其实是一个简单而异常感人的爱情故事

物理学家解释,希格斯玻色子其实是一个简单而异常感人的爱情故事
2020年01月22日 10:41 新浪网 作者 天文在线

英国科学博物馆的一位参观者,用手机给一段视频拍下了一张照片。照片展示了2013年11月12日在英国伦敦举办的“对撞机”展会上展出的大型强子对撞机(LHC)的运作模式。展会于2013年11月13日向公众开放,参观者将感受到剧院级别的音像艺术装置,并参观到大型强子对撞机的部分工件。展览将深入位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究所粒子物理实验室的幕后,一探究竟。同时,展览还会涉及希格斯玻色子的发现,即上帝粒子,这一发现是科学家彼得·希格斯理论的现实成果。

物理学家解释,希格斯玻色子其实是一个简单而异常感人的爱情故事

图解:欧洲大型强子对撞机

你会如何向一个七岁的孩子解释希格斯玻色子粒子?

最初,粒子都是单独存在的,它们以光速运行且质量为零。而希格斯玻色子却有些许不同,它就像是个“媒人”,它可以同时与两种不同粒子进行“交谈”。这位希格斯玻色子先生会将A粒子先生介绍给B粒子小姐,AB粒子因而相遇相谈,一旦希格斯玻色子决定让这对粒子离开,它们便会走进婚姻殿堂。

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图解:一个希格斯玻色子从质子碰撞中爆发出来.

希格斯玻色子对这段姻缘进展并不满意,它认为这些粒子应该坐下来跳段舞。希格斯玻色子又决定将舞蹈永远持续下去,因此,它将自己散布至宇宙各处,以便确保AB粒子能够永久地一起舞蹈下去。

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图源:baidu

希格斯玻色子还可以让部分粒子结合得更加紧密。那些结合得最紧密的粒子并非会以光速离开,而是以最快的速度在它们的舞蹈中来回旋转,再减速并获得巨大质量。与希格斯玻色子“交谈”时间越少的粒子,舞蹈速度越慢,移动的速度越快,获得的质量也就越小。

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事实上,有很多粒子并没有任何“交谈对象”,因而也没有舞伴,它们一直以光速独自穿行在宇宙中。

时至今日,我们早已不再关注那些单独存在的粒子,而只将目光集中在成对粒子上,也就是说,对于电子,我们会研究电子先生和电子小姐。同样地,对于上夸克和下夸克,我们也会研究上夸克粒子对及下夸克粒子对。

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这三对粒子是我们已知的所有物体的基本组成粒子。两个下夸克和一个上夸克构成一个中子;一个中子和一个电子构成一个氢原子。

你会如何向一个七岁的孩子解释希格斯玻色子粒子?

如果是我,我会如何向一个七岁孩子解释希格斯玻色子呢?

(以下简称我和孩子)

孩子:“什么是希格斯玻色子?”

我:“你看,宇宙中的一切都是由原子构成。你、我、这把椅子、那扇窗户、空气、一部苹果手机甚至是水都是由原子构成,对不对?”

孩子:“原子都很小。”

我:“是的,非常小,比你的智商还要小。不过那些原子都是由更小的物质组成的。我们将这些粒子称为基本粒子,它们是整个宇宙中最小的物质,也就是它们组成了原子。”

孩子:“真的吗?我一直在好奇,原子是什么构成的?”

我:“我们已经发现了许多基本粒子,准确说来,我们已经发现了38种基本粒子。这些粒子中,有一种粒子就是希格斯玻色子。”

孩子:“所以,基本粒子是世上最小的物质,就是它们组成了原子,希格斯玻色子就是其中一种,对吗?”

我:“正是如此!”

孩子:“那这些基本粒子是怎么构成原子的呢?希格斯玻色子又有什么作用呢?”

我:“希格斯玻色子让物质拥有了质量,可能这对你来说有点复杂。不过,质量就像重量,希格斯玻色子让物质拥有了重量。”

孩子:“那质量和重量之间有什么区别吗?”

我:“你看这个塑料水杯和这个玻璃杯,它们大小相同,但玻璃杯却比塑料杯要重。原因就是,玻璃比塑料拥有更多的原子。”

孩子:“那原子的质量又从哪儿来呢?”

我:“原子是由大量电子和一个原子核构成,而原子核则由质子和中子组成。电子也是一种基本粒子,而质子和中子不属于基本粒子,但它们也是由三种基本粒子构成,我们把这种基本粒子称为夸克。原子的质量主要来源于其原子核,也就是质子和中子,所以我们可以立刻排除电子。而质子和中子的质量又来源于夸克。”

(我给孩子展示了一张图片)

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我:“你看,质子和中子都由三个夸克组成。”

孩子:“好吧。”

我:“夸克在穿过希格斯场时获得了质量。”

孩子:“希格斯场又是什么东西啊?”

我:“你还记得我提到的38个基本粒子吗?每个基本粒子周围都有一个场。”

孩子:“那是什么意思?”

我:“你知道小提琴的构造吗?”

孩子:“当然,我可是最优秀的小提琴手。”

我:“哇,真棒。那现在你可以将小提琴的四根弦想象为四个不同的场,当你不去触碰它,四个场就处于静止状态,四根弦也没有任何变化。当你拨动其中一根弦,琴弦会振动,振动的琴弦就像是处于这个场中的粒子。一个粒子可以视作其粒子场中的一次振动。所以照片中的那些夸克,其实就是夸克场中的振动。这也同样适用于基本粒子。比方说电子呢,其实就是电子场中所发生的振动。”

孩子:“原来是这样,那这和质量有什么关系呢?”

我:“对,关于这一点,希格斯玻色子就是希格斯玻色子场中的振动,夸克就是在这个场中获得了质量,从而让这个玻璃杯拥有的质量和重量超过塑料杯。”

孩子:“但怎么获得质量的呢?”

我:“你游过泳吗?”

孩子:“游过。”

我:“你在游泳时很难快速移动,这是因为,如果你试图快速游动,水流会阻碍你的前进。”

孩子:“没错。”

我:“希格斯场就是这样让物质拥有了质量。想象一下,你身在水下,以最快的速度游动,你周围的水就像是希格斯场,而你就像是一个基本粒子。水流就像粘液一样阻碍着你,你无法像在水上一样运动自如。物质从希格斯场获得质量的方式有点类似于此。水流质密,从中穿过需要更多的能量。希格斯场就如同水流,粒子必须很努力才能从中穿行其中。”

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孩子:“我现在明白了。”

我:“很好,现在我们再来简要概括一下,一切物质都由原子构成,原子又由基本粒子构成。原子的质量来源于质子和中子,这两种粒子是由三个名为夸克的基本粒子构成。夸克的质量从希格斯场中获得,它们就像是奋力从浓稠水流中穿行的游泳者。”

我:“好了,我现在要去打《堡垒之夜》。”

旁注:

事实上,我很清楚原子的质量绝大部分来源于原子核中质子和中子内部的强相互作用力(即胶子),但要对一个七岁孩子解释这个问题,还是简单一点为好。无论如何,他以后也会学习到这些知识。

参考资料

1.维基百科全书

3.林陌祺- forbes- Quora

翻译:天文志愿文章组-林陌祺

审核:天文志愿文章组-

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