上帝粒子是什么？上帝粒子有什么用？科学家说了，上帝粒子能毁灭宇宙！当然，现在科学界并不能完全证明上帝粒子的存在，又怎能毁灭宇宙呢？
“上帝粒子”是物理学上一种叫希格斯的粒子的俗称。这种粒子在理论上非常重要，所有构成物质的基本粒子都是靠它获得质量的。
2012年7月，欧洲核子中心的科学家宣布，他们在大型强子对撞机上发现了疑似希格斯的粒子。经过一年多的后续研究，现在他们越来越确信，新粒子就是物理学标准模型所预言的“上帝粒子”。譬如它的自旋、衰变行为都基本与理论预言相符。当然，更多的特征还有待验证，所以谨慎的科学家们至今还称其为“疑似希格斯粒子”。
遗憾的是，强子对撞机为了检修和提高能量，2013年关闭了，估计到2015年才能重启，这样一来，进一步的确认工作就要推迟到2015年之后了。这也意味着提出“上帝粒子”的理论家们，要想在今明两年获诺贝奖看来是没戏了（他们中有几位已经快奔九了）。这倒给诺贝奖委员会解决了一个难题，因为目前有资格获奖的人共有6位，可诺奖有个规定，一个奖项不能同时授予3个以上的人。要是再等上几年，时间就自然把这一难题给解决了——也许这种想法有点残忍。 不过这是玩笑话，你可不要当真，让我们还是来谈点严肃的事情。什么事情最严肃？当然是世界末日。好，咱们就从世界末日谈起，因为最近有物理学家声称，目前这个“疑似希格斯粒子”有可能预示着我们的宇宙将会毁灭！ 太吓人了吧！不要摧残我们的神经好不好？ 不是摧残大家的神经，是科学家的理论这样预言的，下面我们就简单介绍一下这一骇人的理论。
真空的两种状态
假如你有一块质地比较硬的塑料布，皱巴巴地晾在露天的院子里，一阵雨过后，你会发现，塑料布下陷的坑洼里，积满了水。坑洼深浅不一，中间因被凸起隔着，水不会聚到一处。但倘若一阵风吹来，塑料布晃了几下，那你就会看到，浅坑的积水会往低处的深坑里流。没了积水，浅坑就渐渐平复了。 上述现象用物理学家的话来说就是，浅坑处于亚稳定状态：从局部看，浅坑的能量（此处指势能）是最低的，但从全局看，却不是最低的，——深坑处才是能量最低，最稳定的。亚稳定状态倘若没受到扰动，会长久存在下去，但要是受到足够大的扰动，比如被风一吹，很可能就崩溃。此类例子还有山坡上的石头，要是不去动它，它蛮可以这样存在下去，但倘若受水流的冲击或者地震摇动，那它在山坡上就待不住了，必定滚到山谷去。 与此类似的是，早在1980年代，有科学家就提出，真空也可分为亚稳定和稳定状态。人们把处于亚稳定状态的真空叫“假真空”，而把处于稳定状态的真空叫“真真空”。 你也许会问：真空里不是什么都没有，按理始终是能量最低的，怎么还有稳定、亚稳定之分呢？ 这是因为，根据现代物理学的观点，“真空里什么都没有”这种看法是错的。事实上，真空里充斥着许多能量场，我们最熟悉的莫过于引力场，在浩瀚的宇宙中，无处不存在引力。我们生活的空间中，除了有尘埃、气体分子之外，还有看不见的电磁场。同理，根据物理学家的看法，与希格斯粒子有关的希格斯场也充斥在整个宇宙空间。以前，希格斯场只是理论上的猜测，但现在希格斯粒子找到了，也就证明了希格斯场的真实存在。 现代物理学还有一个观点，所有的场都存在一种量子，比如电磁场的量子是光子，引力场的量子是引力子，而希格斯场的量子是希格斯粒子……量子场有三种状态：稳定、不稳定和亚稳定。 考虑到量子场充斥真空，这样真空也就有了稳定、不稳定和亚稳定之分。不过因为不稳定的真空早就崩溃了，所以现实中能够存在的只剩下稳定和亚稳定两种状态，即真真空和假真空。两者的关系就好比塑料布上的深坑与浅坑。真真空当然任何时候都是“不倒翁”；而假真空呢，只有受到足够大的扰动时，才显出其“假”来，倘若没受扰动，也蛮可以一直存在下去。两种状态有时还真不好辨别。 所以尽管我们的宇宙自大爆炸以来已经存在了137亿年，但它处于稳定状态呢，还是亚稳定状态，这可谁也说不上。如果处于稳定状态，那么你好我好大家好，但要是处于亚稳定状态，那可就悬了。就像塑料布下陷的坑洼一样，如果我们的宇宙像深坑，那我们就不用担忧。但如果我们的宇宙是个浅坑呢，倘若一阵风吹来，塑料布晃了几下，我们的宇宙不就完蛋啦？
决定宇宙命运的两个因素 这个问题看来“悬”而又“玄”。悬是因为我们宇宙的命运“命悬一线”，“玄”是因为太玄乎：哪怕真有这么回事，但我们“身在此山中”，怎么能知道宇宙处于稳定还是亚稳定状态？ 物理学家还真是神通广大，他们居然可以通过物理学的标准模型来计算出来。但计算中需要涉及许多基本粒子的质量，其中有两个基本粒子的质量长久以来一直没弄清楚，一个是希格斯粒子的质量，另一个是顶夸克的质量，所以事情就耽搁下来了。现在好了，这两个质量都差不多弄清楚了。 根据物理学家的估算，要想保证我们的宇宙处于稳定状态，希格斯粒子的质量下限范围应该在123.8～135.0 GeV（GeV即10亿电子伏，质子的静止质量是0.938 GeV）。也就是说，只要希格斯粒子的质量高于这个下限，那么宇宙就是稳定的。下限本来应该是一个确定的值，但因为迄今顶夸克的质量测得还不够精确，所以现在只能给出一个大致的范围。而2012年测得的希格斯粒子质量在125～127 GeV之间，两者很接近，所以事情看来有些不妙。 由此看来，宇宙究竟处于何种状态，这个问题至今依然悬而未定，还有待于测量出顶夸克的精确质量，才能定下为保证宇宙稳定所需的希格斯粒子质量下限。打个比方，一旦物理学家说下限是124 GeV，而希格斯粒子的质量在125～127 GeV之间，高于这个下限，那么我们就可以放心地说，宇宙处于稳定态；但如果下限是129 GeV，而现在希格斯粒子的质量低于这个下限，那宇宙就处于亚稳定态了。 所以，为了预言宇宙的命运，物理学家接下来还要做两项工作：一是精确测量顶夸克的质量，另一项是精确测量希格斯粒子的质量（精度要达到1%）。
宇宙末日会怎样来临？ 大家好像都对世界末日感兴趣——这种好奇心会要人命的！为了满足大家的好奇心，那我们就不妨来想像一下，倘若宇宙处于亚稳定状态，它会怎样毁灭。 设想宇宙某处的假真空受到扰动，变成了真真空，于是一个真真空泡泡就产生了。这个泡泡比周围假真空的能量更低，所以它将不断蚕食周围的空间，就像多米诺骨牌倒下一样。但这个连锁反应将以光速蔓延，直到整个宇宙都转变为稳定态为止。 这真是一个名副其实的“乾坤大挪移”。在这过程中，我们的宇宙从能量较高的亚稳定态转变为能量最低的稳定态，要释放出大量的能量。此外，所有的东西，从原子、分子到恒星、星系，都要统统毁灭，然后在稳定态的新宇宙中重新组合。我们知道，宇宙有好几种可能的毁灭方式，而这种毁灭比起别的方式来，更致命、更彻底。 比如，根据天文观测，宇宙在加速膨胀（这是2011年获得诺贝尔奖的成果），未来很可能面临“大撕裂”的结局：先是星系团被撕裂成单个的星系，然后星系撕裂成恒星……直到分子撕裂成原子，原子撕裂成亚原子。但不管怎么说，在这种毁灭中，基本粒子不会再被撕裂成别的什么了，统治宇宙的基本规律，比如像真空中的光速、引力常数等基本物理学常数，也不会发生变化。但宇宙要是从亚稳定态演变到稳定态，那就完全不同了，那将是一次彻底的重新洗牌。在稳定态的宇宙里，连基本粒子和基本物理学规律，甚至时空维数都可能完全迥异于亚稳定态的宇宙……而且这种毁灭会在什么时候发生，最先在什么地方开始，原则上都是不确定的，或许现在在某个遥远的地方就已经开始了。 那么，触发宇宙以这种方式毁灭的扰动可能是什么呢？理论上，任何高能粒子的产生都可能是一种扰动——这是目前我们唯一能想像到的一种可能。但从“宇宙中每时每刻都在产生大量高能粒子，而它却已经稳稳当当地存在了137亿年”这一点来说，由高能粒子来触发宇宙毁灭的概率还是非常非常之低的。一些人担心地球上的高能加速器，例如欧洲大型强子对撞机，会触发毁灭，就像前些年有人担心对撞机会造出吞噬地球的微型黑洞一样。其实这种担心是多余的。因为目前对撞机上产生的粒子能量最高只达8万亿电子伏的量级，即使升级之后也只达13万亿电子伏，而宇宙中目前观察到的粒子，能量最高的是人工产生粒子的10万倍。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，人类至少要在150年之后。 至于其他会触动宇宙毁灭的因素，我们目前就不得而知了。
对宇宙认识有限 我们一口气把最坏的事情讲完了，现在该来讲点愉快的事情了。 上述的讨论是建立在物理学家的计算基础之上的，现在不妨反过来问一句：他们的计算可靠么？大家可以宽点心的是，计算其实也不见得完全可靠。 原因是，他们的计算是以物理学的标准模型为基础的。这个模型认为，自然界的基本粒子只有61种：第一类是组成物质的粒子，包括夸克、轻子（如电子）以及它们的反粒子。其中夸克18种，轻子6种，加上它们的反粒子共48种；第二类是传递相互作用的粒子，包括传递电磁力的光子、传递强核力的胶子等；第三类是让基本粒子获得质量的粒子，即希格斯粒子。 但是大自然中的基本粒子真的只有这么多？或者说，标准模型已经把所有基本粒子“一网打尽”了么？如果没有，那么单单根据这些粒子来计算宇宙到底处于稳定还是亚稳定态，得出的结论就是大可怀疑的。 虽然迄今还没有实验证据表明物理学的标准模型存在漏洞，但至少自然界已经出现它所解释不了的一些事情，这就意味着它还远非尽善尽美。 第一件事情是暗物质的存在，这种物质占宇宙物质总质量的大约85%，但与已知的由基本粒子组成的普通物质完全不同。譬如说，暗物质跟普通物质没有电磁力和强核力作用，最多只存在引力和弱核力作用。组成暗物质的粒子是什么呢？虽然这迄今是个谜，但可以肯定，它不在标准模型的61种基本粒子之列。 第二件事件是，实验证明，中微子有微小的质量，而标准模型中中微子是没有质量的。 第三件事情是，为什么自然界最弱的两种基本作用力——弱核力和引力——强度相差那么大？比如在原子核尺寸的距离上，前者是后者的1032倍。而在其他三种基本作用力，即强核力、弱核力和电磁力之间，强度在量级上却没有相差这么大。这就是所谓基本作用力的“等级问题”，也是标准模型目前还解释不了的。 为了解决这些难题，物理学家渴望突破标准模型，在各种新提出的理论中，希望最大的是超对称理论。
超对称粒子存在吗？ 在粒子物理学上，物理学家把粒子按自旋分成两大类：一类是自旋为整数的粒子，叫玻色子，传递基本作用力的粒子和希格斯粒子都是玻色子。另一类是自旋为半整数的粒子，叫费米子，组成物质的粒子，如夸克、质子、电子等等都是费米子。 为什么要这样分呢？因为玻色子和费米子在过“集体生活”的时候，表现是很不一样的。我们知道，在微观世界里，粒子可以处于不同的状态，物理学上是用一系列量子数来标识这些状态的。比如说在原子核外运动的电子，首先所处的轨道可能不同，用轨道量子数来标识这些轨道；其次，可能自旋朝向不同，所以又用自旋量子数来标识自旋朝向……这就好比说我们用学校、年级、班级甚至座位等一系列特征来标识一名学生一样，学校、年级、班级和座位就相当于标识一名学生的“量子数”。 对于费米子来说，它们在任何时候都不会有两个处于同一个状态；而对于玻色子呢，它们却喜欢不分彼此地共处一态。打个比喻。假如用一系列挂着不同门牌号的房间来代表粒子的不同状态。现在要安排一群粒子住进去。如果是玻色子，它们就倾向于同住在一起，所以你会发现，最后它们全挤在了一个房间。而要是费米子呢，则倾向于每人各占一个房间，哪怕你一开始是让它们同住在一起的，最后也要各自分开。 超对称理论认为，每一种粒子都有其超对称伙伴，玻色子的超对称伙伴是费米子，费米子的超对称伙伴是玻色子。这里的“超对称”是玻色子和费米子一一对应的意思。比如说，电子是费米子，它的超对称伙伴“超电子”应该是玻色子；希格斯粒子是玻色子，它的超对称伙伴“超希格斯子”应该是费米子……如此等等。当然，这些超对称粒子至今一个都没发现。但超对称理论认为，可能这些超对称粒子质量都太大，需要在能量更高的粒子加速器上才能产生。这也是这次强子对撞机要升级的原因，升级完之后，最重要的一个目标就是寻找这些大个头的超对称粒子。 超对称理论据称可以解释弱核力和引力为何强度相差悬殊的问题，此外，超对称粒子也是暗物质粒子的理想候选者。 如果超对称粒子真的存在，那么基本粒子大家族的成员就翻了一倍。这些粒子肯定也与“宇宙处在稳定态还是亚稳定态”这个问题密切相关。所以，哪怕目前的计算说我们的宇宙处于亚稳定态，它迟早有一天要毁灭，但超对称粒子一出现，说不定这个结论就翻盘了。 那么，现在我们就有双重的理由乐观了。 首先，目前顶夸克和希格斯粒子的精确质量都还待定，预言宇宙将要毁灭还为时尚早。 其次，哪怕这两个质量精确测量出来了，而且计算结果表明，我们的宇宙的确处于危险的亚稳定态，但这也还不能盖棺论定，只要实验证明超对称粒子存在，那这个结论就依然有被推翻的可能。
顶夸克 标准模型认为，像质子、中子之类比较重的粒子是由3个夸克组成的。夸克分上、下、粲、奇、底、顶6种。顶夸克最重，所以最难也是最后发现。它衰变很快，只存在十万亿亿分之一秒，和构成质子的夸克不一样，它的质量很大，相当于质子静止质量的171倍。
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发表于 2015-5-29 01:45:49
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