Mary / Ian Butterworth, 英国伦敦帝国学院
Doris / Vigdor Teplitz, 美国达拉斯州德克萨斯市,南卫理公会大学
希格斯玻色子是一个假说中的粒子。如果它存在,我们就知道了赋予粒子以质量的物理机制。
物质是由分子组成,分子由原子组成。原子又是由电子云和原子核组成。电子云的尺寸有一厘米的百万分之一那么大,而原子核又是电子云的千分之一那么大。原子核由中子和质子组成。每一个中子或者质子的质量都是一个电子的两千倍。原子核为什么这么小?现在我们对这个问题有很多了解。但是,我们不明白这些粒子的质量的根源是什么。这些质量的数值和比例都是从何而来呢?如果我们对这个问题没有满意的回答,就不能说我们真正了解究竟是什么组成了物质。
彼得·希格斯建立了一个模型。在这个模型里面粒子的质量产生于一个美丽而复杂的级数(?)。他首先假设有一种粒子只有质量而没有其他属性,比如说,不携带电荷。这个粒子的存在还是不存在,就是区分“有物质”和“空的空间”这两种状态的关键。我们可以叫这种粒子H粒子。H粒子和其他粒子之间存在着相互作用。比如说,如果H粒子和电子互相接近,他们之间就有作用力产生。H属于一种叫“玻色子”的粒子。下面,我们要讲得更加精确,但是我们不会使用数学。然后我们还会用形象化的语言来进行解释。
量子物理描述基本粒子的产生和湮灭。根据量子物理,粒子从空间和时间中的“场”中某些地点产生,这符合我们在粒子加速器里面观察到的现象。描述H粒子的场的公式里面需要一套参数。希格斯发现,我们可以找到这么一套参数,从而使得在该场在最低能量状态之时(也就是空间为“空”之时),场并不为零。空间是空的,但是这个场居然不为零。这个发现太奇妙了。一个并非显而易见的结论是,所有粒子都可以通过和H粒子的互相作用得到质量。
根据这套数学公式,如果H粒子存在,那么所有和H粒子互相作用的粒子就有了质量。用形象化的话来解释是这样的:在最低能量的状态,也就是“空”的空间之中,存在着一些本身没有能量的H粒子。其他粒子和它们一相互作用就产生了质量。其实质量又可以理解为惯性,或者是对运动状态的改变的一种阻碍。我们移动物体的时候,H粒子就拉着它们不让他们动,于是惯性就产生了。
如果粒子质量是从“空”的空间里面的希格斯场的作用而产生,那么希格斯粒子必然存在。但是找不到希格斯粒子之前,我们不能确定到底是怎么回事。我们还有希格斯粒子的其他线索。举例来说,如果它存在,那么它在“统一”不同种类的力之中(译者注,大一统理论)也有作用。然而,我们相信,即使没有希格斯粒子,大自然也有产生这些现象的其他途径。事实上,证明希格斯粒子不存在,和证明它存在,在科学上都同样非常有价值。
粒子如何得到质量,不同种类的力之间的关系是什么,这些问题非常重要。在我们对物质组成和力的理解里面,他们是非常基础的问题。如果我们不能回答这些问题,在对物质的研究上我们就很难取得重要进展。
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