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希格斯粒子如何塑造我們的世界

 成為亨特 2012-07-04

如果沒有希格斯粒子,世界將會完全不同!夸克和輕子之類的物質(zhì)基本粒子將沒有質(zhì)量。

 

如果沒有希格斯粒子,原子直徑就會有十幾厘米,甚至更大。

 

如果沒有希格斯粒子,世界將會完全不同!夸克和輕子之類的物質(zhì)基本粒子將沒有質(zhì)量。不過這并不意味著宇宙不包含質(zhì)量。從標準模型中得出的一個觀點認為,質(zhì)子和中子之類的粒子,其實是一類奇異物質(zhì)的典型代表。宏觀物質(zhì)的質(zhì)量幾乎全部來自于構(gòu)成該物質(zhì)的原子,質(zhì)子卻不同,構(gòu)成質(zhì)子的基本粒子總質(zhì)量還不到質(zhì)子質(zhì)量的1/10。(實際上,質(zhì)子中夸克的質(zhì)量連質(zhì)子質(zhì)量的2%都不到。)質(zhì)子的大部分質(zhì)量來自于將夸克約束在很小體積中的那部分能量(通過愛因斯坦質(zhì)能方程m=E/c2可以把能量換算為質(zhì)量)。中子也是如此。由于宇宙中的發(fā)光物質(zhì)主要是質(zhì)子和中子構(gòu)成的恒星,因此宇宙中幾乎所有的可見質(zhì)量都來源于禁錮夸克的能量。不過這種觀點的價值目前還沒有得到充分的認同。

也許有人認為,由于電荷本身攜帶有能量,帶正電的質(zhì)子應該比不帶電的中子更重一點。然而在現(xiàn)實世界中,中子卻比質(zhì)子稍重。這個重要的細節(jié),就必須用夸克擁有質(zhì)量來加以解釋。如果沒有希格斯粒子,夸克的質(zhì)量為零,質(zhì)子就會比中子更重,放射性β衰變的反應過程也會顛倒過來。在現(xiàn)實世界里,一個脫離原子核的中子,平均會在15分鐘內(nèi)衰變?yōu)橐粋€質(zhì)子、一個電子和一個反中微子(antineutrino)。如果夸克的質(zhì)量消失,自由質(zhì)子就會衰變?yōu)橐粋€中子、一個正電子和一個中微子。因此,氫原子將不復存在。最輕的“原子核”將是中子,而非質(zhì)子。

在標準模型中,希格斯粒子將電磁力與弱相互作用區(qū)別開來。如果沒有希格斯粒子,夸克和膠子之間的強相互作用將擔起這一“重任”。強相互作用把有顏色的夸克約束在沒有顏色的質(zhì)子之中,因此也可以區(qū)分電磁力和弱相互作用,給W和Z玻色子賦予較小的質(zhì)量,而讓光子質(zhì)量仍然為零。強相互作用不會給電子和夸克賦予任何質(zhì)量。在這種情況下,β衰變的速度將比現(xiàn)實世界快幾百萬倍。

在沒有希格斯粒子的宇宙里,一些輕原子核會在宇宙早期形成,并留存下來,但它們絕不會形成我們所熟悉的原子。原子的半徑與電子質(zhì)量成反比,如果電子質(zhì)量為零,現(xiàn)實世界中直徑不超過1納米的原子就會變得無窮大。即使其他效應給電子賦予了極小的質(zhì)量,原子也會變成一種“宏觀物體”。在一個連原子都如此巨大的世界里,化學過程將不可能發(fā)生,固體和液體之類的穩(wěn)定物質(zhì)狀態(tài)也將不可能存在。

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