我们时常能看到的力是万有引力和磁场力。我们现在之所以站在地面上,地球为什么围着太阳转等,都因为万有引力的作用。磁场力也在存在于我们生活的方方面面,手机、电灯以及电磁炉等都是磁场力的作用。因此只要我们解开一种力的奥秘,都能够让我们的文明实现更高一阶的跨越。

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揭开上帝粒子就能解开宇宙奥秘吗?

除了重力与磁场力,其实我们宇宙当中还存在两种力,强力与弱力,如果要解释这两种力,就必须要提及“上帝粒子”。上帝粒子又称为希格斯玻色子,它是由彼得·希格斯和弗朗索瓦·恩格勒等在内的6位物理学家,在1964年提出的。

在他们提出这种粒子之后的48年,科学家们一直在寻找这种粒子,直到所有的科学家崩溃,著名诺贝尔物理学奖得主莱德曼,他在书中把这种粒子称为“该死的粒子”,英文就是Goddamn。当然这句粗话不能被传播,否则会教坏小朋友的,因此编辑就把词尾的damn去掉,简写成为God,这也是上帝粒子的由来。其实这和上帝没有半毛关系。

但是这名字也为这项科学的传播提供了便利,之前美国议会否决了建造超级加速器的计划,就因为“希格斯玻色子”这个名字太陌生了,而且还要花费100多亿美元。当有“上帝粒子”称呼之后,欧洲在通过加速器建造的时候,就顺利多了,大家觉得这和上帝有关系,就觉得这是一份神圣的事业,也就物超所值了。

什么是强力与弱力

强力与弱力不是外星人隔空取物,一个“响指”毁灭世界,它是我们时常所见的万有引力以及电磁力之外,宇宙当中普遍存在的另外两种力。

当物理科学来到20世纪,自从科学家们发现了原子的存在之后,就发现原子原来也不是世界的最小单元,原子还包括原子核和它周围的电子。原子核是由质子与中子组成的,中子不带电,质子带正电。

这么多带正电的质子挤在一起,物理老师不是说带同种电会相互排斥吗?为什么这些带正电的质子没有相互弹开呢?那么这其中肯定有一种不为我们所熟知的力,这种力比电磁力还要强,强到这些带电的质子都无法离开,科学家把这种未知强大的力称之为“强力”。

发现强力之后,科学家们又发现了另外一种力,它的强度比电磁力还要弱,它能够造成原子产生放射性。比如放射性元素镭,它的原子核就会不断放出射线,然后会裂变成为其他的原子,之所以会有这样的变化,科学家们把这种力称之为“弱力”。

于是科学家们发现,除了引力与电磁力以外,宇宙还存在着强力与弱力。前两种力不用说了,它们是我们人类文明走到今天的主要原因。看过《三体》的,或许对书中有一个情节印象深刻,那就是外星文明通过质子破坏人类的粒子对撞机,让我们无法发现宇宙当中强力与弱力,之后科学水平的差异比我们拿着枪对准原始人还要恐怖。我们甚至都没有见到敌人,整个地球就会被压成像锡箔纸一样的薄片。

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揭开上帝粒子就能解开宇宙奥秘吗?

科幻小说绝对不是耸人听闻,它是有科学根据的。没有了强力,质子根本不可能聚在原子堆里,我们现在的所有物质也不可能形成。至于弱力,我们现在太阳之所以持续燃烧,为地球生命提供源源不断的能量,所依赖的就是弱力。

太阳之所以一直燃烧是因为内部在产生核聚变,太阳中的质子聚在一起变成了氦原子核,同时会释放出能量。在这个过程中,两个质子都是带正电的,按道理说是很难撞在一起的,幸好有弱力的作用,一个质子会偶然变成中子,这样它就能够和质子相结合了,走出核聚变的第一步。

也是因为弱力非常之“弱”,才会让这种转变慢慢发生,太阳有了长达100多亿年的寿命,不至于“嗖一下”就烧完了。所以说,宇宙当中缺少任何一种力,这个世界都不会存在。

在我们宇宙当中,这些质子和中子组成了宇宙当中绝大部分的质量,原子的质量几乎都集中在原子核当中。如果不算上暗物质的话,我们宇宙的质量是由质子和中子组成的。

后来科学家们发现,这些质子与中子也不是最基本的物质,这些质子与中子是由一种叫做“夸克”基本粒子组成的。而且不论是质子还是中子,都是由3个不同夸克组成的。但是科学家们随后发现这些质子与中子质量之和,并不等于3个夸克的质量,而且仅占1%的质量。

这就令人匪夷所思了,那99%的质量从哪儿来的呢?来自于强力,这种强力是质子和中子99%质量的由来。根据爱因斯坦的质能方程E=mc^2,质量和能量是能够相互转换的。人们于是解决了99%质量问题,可是这1%质量如果按照科学家计算,压根就不应该存在,也就是说无论质子还是电子,它们的质量应该是0。

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上帝粒子

不要小看这1%的差异,很多科学的发现,都是因为很小的“误差”才得以发现的,比如我们的伦琴射线,按道理说它的发现就是一个意外,还有生物科学当中的青霉素等等。

那么为什么认为这些质子与电子等没有质量呢?科学家们认为我们所有的物理学都可以用一种理论来解释,不再是解释重力用牛顿力学,解释量子力学用爱因斯坦相对论,在这个理论框架里,只要设置不同的参数就可以解释自然界当中的不同力。

这套理论最大的致命缺陷就是,无法解释这些基本粒子有质量,科学家们认为各种力,其实就是某些粒子,扔来扔去造成的。比如电磁力是电子之间扔来扔去,而强力则是“胶子”扔来扔去,这些胶子像胶水一样,把夸克粘在一起。而弱力则是将W和Z玻色子扔来扔去。

既然大家的原理都差不多,只是对应的粒子不同而已,电磁力所扔的光子,是一种静质量为0的粒子;弱力所扔的玻色子,质量也应该是0。但是事实并非如此,在弱力中被扔来扔去的玻色子是有质量的,而且质量还不小。也正是这个原因,弱力没有办法传递的很远,它只有近距离才会发生作用,而不像电磁力一样,可以远距离传播。

难道是规范场理论出问题了吗?因此科学家们猜测,极有可能还有一种神秘的场,各种粒子与这个场发生作用,于是就产生了不同的质量,这个场就被称为“希格斯场”。

这个“希格斯场”为何对不同粒子还“态度”不一样呢?就好像一个大胖子,和一条小鱼,当面对“希格斯场”这个游泳池的时候,小鱼能够自由穿行,而大胖子则寸步难行。而静质量为0的光子就好比是一条小鱼,它可以自由穿梭。而电子和夸克就相当于不同的大胖子,当它穿越游泳池的时候就产生了“质量”,如果这个胖子越胖,那么他们在这个游泳池当中的“质量”就会越大。

不同的游泳池对不同的胖子阻力还是不一样的,于是人们把泳池当中的这些水称之为希格斯玻色子,也就是通常所说的“上帝粒子”,如果我们能够发现这些上帝粒子,就能够直接证明希格斯场的存在。这也是欧洲人建造大型粒子对撞机的原因。

20世纪60年代之后,科学家们提出了“对称性自发破缺”,当游泳池当中没有水的时候,可能这些胖子大家行走速度都是差不多的,当水池当中瞬间有了水,这些胖子就有了差异,人们把宇宙当中瞬间来水的时刻叫做对称性自发破缺。于是这些粒子开始区别对待,有些粒子可以和希格斯场发生反应,就被赋予了质量,有些粒子一直被冷淡对待。这就造成了各种基本粒子的不同。

也就是说在对称性自发破缺发生之前,电磁力和弱力实际上并没有区别,它们根本就是同一种东西。这也就第一次实现了,自然界当中的四种力,其中有两种其实一回事,只是由于希格斯场的对称性自发破缺,才变成了看起来不同的两种东西。

之后科学家们相信,宇宙实际上只有一种力,只是随着时间的流逝,才逐渐分化成为我们今天看上去的四种力。于是科学家们就有了终极目标,那就是找到那个可以统一所有力的理论,解答我们宇宙的终极奥秘。

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