微观粒子的质量,到底是从何而来?为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量,而光子、胶子的质量为零? 本文,将会通过希格斯机制与自发对称性破缺,来解读“上帝粒子”与微观质量的关系,以及在质能转换中,光子的作用与意义。 主题目录如下:
微观质量的来源 简单来说,微观质量,最根本的来源,是由“上帝粒子”产生的。 上帝粒子,又称希格斯粒子,或希格斯玻色子(Higgs boson)——它是标准模型里的一种基本粒子,也是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷色荷,极不稳定,生成后会立刻衰变。 那么,微观质量的产生过程,就是在希格斯场(Higgs Field)中,希格斯粒子从场的振动中被量子化激发(类似电磁场产生光子),通过自耦合而获得质量。然后,希格斯粒子再与基本粒子(规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子))耦合,从而让基本粒子也获得了质量。 量子化激发——根据量子场论,所有万物都是由一个或多个量子场制成,每一种基本粒子是其对应量子场的微小振动,就如同:光子是电磁场的微小振动,夸克是夸克场的微小振动,电子是电子场的微小振动,引力子是引力场的微小振动等等。 这里耦合可以理解为,希格斯粒子可以衰变成基本粒子,并且衰变成的基本粒子(即衰变产物),如果质量越大,说明希格斯粒子与这种基本粒子,耦合强度就越大——也就是说希格斯粒子越容易衰变成这种基本粒子。 耦合作用(Coupling)——是两个或多个物理量之间,产生了相互作用。这个相互作用,是物理上可以测量的效应,这个效应的强弱可以用耦合常数来表示。那么,力是相互作用,也就是耦合作用,于是力的强弱可以用耦合常数来表示。 耦合常数(Coupling Constant)——是量子论中,相互作用强度的一种度量。例如,电荷就正比与电磁力的耦合强度,而电磁力的耦合强度使用「精细结构常数」来表示。 精细结构常数——是一个数字,表示电子在第一玻尔轨道上,其运动速度和真空中光速的比值(近似为137.03599976)。 那么显然,在希格斯场中,基本粒子的耦合强度越大,希格斯粒子的衰变产物——也就是基本粒子,其质量就越大。这里耦合强度,可以理解为一种类似于电荷与色荷的东西,衰变概率会正比于耦合强度。 在此,有几点需要明确:
当然,在高能量条件下——如粒子加速器中,粒子也可以反过来,通过相互作用变成为希格斯粒子,而这就是在实验条件下,制造希格斯粒子的原理。接着,再通过研究希格斯粒子衰变成的粒子,就可以倒推出希格斯粒子的性质。 例如,希格斯粒子最早发现于2008年,当时人们观察到有一种新的粒子,可以衰变成两个光子——说明是玻色子;还可以衰变成W玻色子,并通过弱相互作用,继续衰变为四个轻子,即:电子、渺子和它们的中微子——说明希格斯场与玻色子相互作用;而这就证明了,这种新粒子就是——希格斯粒子。 那么,在质量为126GeV的情况下,根据理论计算,希格斯粒子会以一定的概率,衰变成为——双光子(0.2%,经过费米子圈或W玻色子圈)、正反W玻色子对(23.1%)、Z玻色子(2.9%)、正反τ子对(6%,属于轻子)、胶子(8.5%,经过夸克圈)、正反底夸克对(56.1%)。 而根据标准模型理论(Standard Model),宇宙空间中的各处都充满了希格斯场,而希格斯场源于——希格斯机制(Higgs Mechanism)应用了自发对称性破缺,才产生了质量。 自发对称性破缺 那到底什么是,自发对称性破缺呢? 自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)——是指某些物理系统,遵守自然规律的某种对称性,但是其系统本身却不具有这种对称性。 有一个简单的例子: 一个抛硬币系统,正反面是等概率的——这是自然规律的对称性,而一旦抛出硬币落地,正反面就确定了——此时系统本身的概率就不对称了。 那么,抛硬币系统,就是遵守自然规律的对称性,但系统本身运作却不具有这种对称性。 可见,自发对称性破缺——是确定性,从概率的对称性中,随机显现出来,形成不对称性的过程——这就像是一个特定的现实,从数量巨大的一系列的可能性中,随机选择拼凑而来,如同上帝掷骰子的过程一样。 事实上,无限次抛硬币的统计结果,正反面又会是对称的了。 由此可见,我们的世界——是对称中有不对称,不对称中有对称,这完全取决于整体与局部的相对视角,即:从不对称的局部,上升到整体就会对称,再继续上升到局部,就又会不对称,如此随着视角的上升——整体与局部的不断变化——而如此往复。 希格斯机制的作用过程 在标准模型理论下,希格斯机制(Higgs Mechanism)给出了希格斯场创造质量的过程: 在能量非常高的时候,宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子(类似光子)和一个希格斯场(类似电磁场)。 事实上,在量子力学里,真空并不是没有任何物质的空间,而是充满了场与虚粒子的。而虚粒子,会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置——产生可观测效应。 虚粒子——相对于实粒子,其无质量、无法直接观测到,但存在可观测效应,如卡西米尔效应。(注意,只要能够观测到,就是实粒子,而不是虚粒子) 关于场,理论上它是充满了整个宇宙的量,可以用数学上的一个函数描述——可见它并不是时空,是定义在时空上的函数。 而场有不可观测的时候,但由于量子涨落,它又会出现可以观测的时候——通过相互作用来呈现。所以,场充满了宇宙,是充满了可观测和不可观测状态的叠加状态,会随机的展现出一个状态。 量子涨落——是指在空间任意位置,能量的暂时变化,也称量子真空涨落。从海森堡的不确定性原理,可以推导出这结论。 那么,量子真空,就可以理解为——是场的能量最低的态,此时场是不可观测的,而可观测的状态,也就是有粒子的状态——称之为场的激发态。 因此,如果在希格斯场中,所有位置的虚粒子,都处在了最低能量态,那么空间就抵达了最低能量态,即量子真空态。 接着,试想希格斯场的能量性质和形式——就像一个墨西哥草帽——由希格斯势函数描述,那么在草帽的顶部能量(势能)最大——具有旋转对称性,而在草帽的底部能量(势能)最小——不具有旋转对称性。 于是希格斯场,在能量最低的时候,每一个最低能量态位置——都在草帽的底部,都不具有旋转对称性,此时有无数个可能的简并能量最低态,但在这无穷多个可能性中,只有一个最低能量状态会被随机到。 简并——是指对于一个物理体系处于一个能级,所对应的可能的状态和相应波函数,并不是唯一的。 而一旦最低能量态被随机到,希格斯场的旋转对称性被打破,就会造成——自发对称性破缺。 要知道,描述物理系统的方程,所具有的对称性——代表自然规律的对称性,是真空最低能量态不可能具有的,可最低能量态(只要时间足够长)就一定会被随机到,从而造成自发对称性破缺。 换句话说,就是存在无数个可能的量子真空态,但物理现实只能选择一个,从而让量子真空态的对称性破缺。 那么,自发对称性破缺,意味着什么呢?——从随机到确定,概率给出结果,可能性变成现实,虚幻从虚无中涌现。 于是,再接下来,希格斯粒子就从希格斯场的振动中,被量子化激发,通过自耦合产生。 量子化激发——根据量子场论,所有万物都是由一个或多个量子场制成,每一种基本粒子是其对应量子场的微小振动,就如同:光子是电磁场的微小振动,夸克是夸克场的微小振动,电子是电子场的微小振动,引力子是引力场的微小振动等等。 需要注意的是,电磁场与希格斯场使用相同的数学描述,但区别在于——电磁场可观测,希格斯场不可观测。 再然后,四种无质量的规范玻色子,其中一个继续保持无质量——就是光子,另外三个会与希格斯玻粒子耦合,产生了W和Z玻色子,即:W 、W-、Z0三个有质量的规范玻色子。 由此可见,规范玻色子——胶子和光子没有质量,是因为它们与希格斯粒子不耦合。 与此同时,无质量的费米子(夸克与轻子),也会在希格斯场中,与希格斯粒子通过汤川耦合(Yukawa's Interaction)获得质量。 并且,汤川耦合是不同于W和Z玻色子的耦合机制的(注意汤川耦合提出的时候,希格斯粒子还没被发现),而希格斯粒子的自耦合,又是不同于前两种的。 质量与希格斯场 综上可见,宇宙中的遍布的希格斯场——就像是“粘稠的浓汤”,把质量以概率(耦合强度)的形式,赋予其中的——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子),然后这些粒子复合构建了上层的一切物质。 也就是说,质量最根本的来源,是希格斯场源源不断——“用概率生成的”。 并且,这个概率越大(即耦合强度越大),质量就越大,概率越小质量就越小。显然,不同基本粒子的质量不同,就是因为与希格斯粒子的耦合概率(即耦合常数)不同。 那么,在标准模型里,如果温度足够高,物理系统的电弱对称性没有被打破,则所有基本粒子都不具有质量。 也就说,只有能量的高温系统,是不具有质量的——这就是大爆炸的时刻。 而如果温度低于一个临界值,希格斯场就会变得不稳定,随即发生跃迁至最低能量态(即量子力学真空态);接着,整个物理系统的连续对称性因此被自发打破,从而W和Z玻色子、费米子就会获得质量——这就是大爆炸之后的冷却时刻。 由此可见,高温是能量,低温是质量,从高温到低温的冷却过程——就是从能量到质量的转化过程。 重新审视——微观质量 我们可以看到,W和Z玻色子、夸克与轻子拥有最根本的“希格斯质量”,其中夸克参与四种力(强、弱、电、引)的互相作用,轻子参与了三种力(弱、电、引)的相互作用。 然后,粒子的衰变有——α衰变、β衰变、γ(伽马)衰变,其中:
而夸克只能通过弱力,来进行衰变,即味变。并且弱力,还是唯一能令宇称不守恒的相互作用——这是一种对称性破缺,同时质量也是诞生于一种对称性破缺。 宇称不守恒——是指在弱相互作用中,互为镜像的物质的运动不对称。 宇称守恒——是指在任何情况下,任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外,具有完全相同的性质。 由此可见,夸克和轻子的衰变——产生质量减少, 主要是因为弱力,其次一小部分是强力。而强力作用的衰变,主要是因为粒子的波粒二象性(不确定性原理)带来的量子隧道效应,这是微观粒子的内在秉性。 量子隧道效应——是基本的量子现象之一,即当微观粒子的总能量小于势垒高度时,该粒子仍能穿越这一势垒。因为量子不确定性,时间和能量为一组共轭量,在很短的时间中(即时间很确定),能量可以很不确定,从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。 接着,电弱统一理论表明——弱力和电磁力,是同一个互相作用的不同表现。其中弱力关联着W和Z玻色子,关联着质量减少,电磁力关联着光子,而光子又没有质量。那么,在这个统一的相互作用中,W和Z玻色子与光子,共同完成了质量的转化——从有到无。 于是我们看到,希格斯粒子带来的质量赋予了「W和Z玻色子、轻子、夸克」,然后「轻子和夸克」又与「W和Z玻色子」通过弱力,衰变为无质量的「光子」。 事实上,除了核衰变,核裂变与核聚变的过程,其实也都是质量转化为能量的过程。这其中:
但只要微观粒子质量减少,就一定会伴随着不同频率的光子产生,而光子无质量,其能量可由E=hv(h是普朗克常量,v是电磁波频率)计算。 至此,我们可以发现,其实是W和Z玻色子“剥夺”了「夸克与轻子」的质量——这就像是质量按照“某种概率”下的比例,在进行自发转化。 因为在希格斯场中,是W和Z玻色子——以耦合概率(即耦合常数)的形式,把本应该赋予给夸克与轻子的质量——“剥夺”,然后通过弱电相互作用(弱力与电磁力),转化成了光子,从而完成了——从质量到能量的转化路径。 所以,只要有弱力参与,那么粒子的质量就会转化为——光子所代表的能量。 最后,费米子构成了宏观物质的结构,如果费米子中的基本粒子——夸克与轻子,它们的质量消失(转化为光子),那么上层的一切物质结构,就都会一同消失。 质量与光子 显然的是,有质量就无法抵达光速,质量越小就越可以接近光速——如中微子,而没有质量就可以抵达光速——如光子。 现在我们知道,光子与胶子不和希格斯粒子耦合,所以没有质量,而其它费米子有质量,因为它们与希格斯粒子耦合。并且,微观粒子有弱力相互作用,就会减少质量,发射无质量的光子。 希格斯粒子,衰变为光子——需要经由费米子或W玻色子,衰变为胶子——需要经由夸克。 而关于光子,还有如下的观测事实:
另外,粒子具有对称性,即:每一种粒子都有一种反粒子,而反粒子构成了反物质,与正物质相对。 反粒子——是质量、寿命、自旋与对应粒子相同,但其它所有性质(如电荷)会尽可能的相反,即大小相同符号相反。 然后,正反粒子相遇就发生湮灭,发射出光子,即:质量转化成了能量。 而如果湮灭不完全(质量残留),则还会产生其它粒子——如介子。那么相反,两个高能光子碰撞时,则有可能产生一对新的正反粒子,即:能量也可以转化成质量。 那么,综上可见,光子承载的能量,即是质量转化的能量。而从质能方程中(E=mc^2),也能看出,质量与能量之间的关系纽带,就是光速。 |
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