希格斯场如果突然消失,电子已经被希格斯场赋予的质量是不是也会同时消失,网友突然消失的原因

文章 3个月前 admin
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Q1:光子为什么不会被希格斯场赋予质量

为什么某些基本粒子带有质量,而某些基本粒子质量为零?根据希格斯机制,基本粒子是因为与遍布于宇宙的希格斯场耦合而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动,是希格斯场存在的明确证据,就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。根据量子场论,所有万物都是由量子场形成或组成,而每一种基本粒子则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。在规范场论里,为了满足局域规范不变性,必须设定规范玻色子的质量为零。由于希格斯场的真空期望值不等于零,造成自发对称性破缺,因此规范玻色子会获得质量,同时生成一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子,而希格斯玻色子则是伴随着希格斯场的粒子,是希格斯场的振动。通过选择适当的规范,戈德斯通玻色子会被抵销,只存留带质量希格斯玻色子与带质量规范矢量场。标准模型中的希格斯机制,就解释粒子质量而言,只是把问题转移去解释一种假想的出让质量的粒子(希格斯玻色子)的性质。粒子找到了,性质测量了, 但本质上只是标准模型的输入数据,弦理论并不能解释它们。或者说,由于点粒子是一种理想化描述,标准模型虽然能解释许多现象,但解释不了基本粒子的属性,因为真实世界的基本粒子是有空间大小的。

Q2:物质的质量是希格斯场赋予的,只要让希格斯场失效就能超光速飞行了

场是在无法从微观角度解释物体之间的相互作用时提出的概念。现在希格斯玻色子已经被证实,希格斯场的效应可以看作是希格斯玻色子的效应。

Q3:没有希格斯场的存在,人类随便一跑就是光速吗?

希格斯场是一个神奇的存在。没有它,我们的世界会是什么样子?粒子物理中有一种特殊的理论,认为希格斯场在真空中扩散,给基本粒子赋予质量,包括WZ玻色子、电子、夸克等粒子。如果是这样,当希格斯场消失时,粒子只能以光速运动。当然,太空中的希格斯场无处不在,不会消失。当你看手机的时候,你的眼睛正在穿过希格斯场:光子不与希格斯场相互作用,但仍然以光速传播。希格斯场其实很奇怪。希格斯场无处不在,它会与粒子相互作用,赋予粒子质量,这将导致粒子在太空中以超过光速的速度飞行——例如电子。但是粒子会在没有阻力的情况下继续运动:根据牛顿定律,在没有外力的情况下,粒子会保持匀速直线运动。如果我们意识到粒子的能量决定了它的速度,我们就可以得到这个谜的部分解。因为希格斯场是真空的最低能态,粒子和希格斯场之间没有能量交换,所以粒子会保持匀速运动。而速度相对于希格斯场的绝对值是无法测量的。就像超导和磁性一样,这些最低能态只能在足够低的温度下存在。充满希格斯粒子的真空也是在足够低的温度下存在的最低能量状态,这个“低”意味着10摄氏度!10摄氏度以上,理论上认为宇宙的基态不包括希格斯场。BIGBANG之后的万亿分之一秒,宇宙的温度高于这个值,希格斯场充满了真空,给了基本粒子质量。就像电磁场中的波纹产生光子的量子包一样,希格斯场产生希格斯玻色子。在鸡和蛋理论下,希格斯玻色子本身感知扩散的希格斯场,因此具有质量。根据希格斯理论,希格斯玻色子的质量非常大,大约是氢原子质量的1000倍。根据量子测不准原理,虚希格斯玻色子在真空中内外波动。如果我们精确地测量真空对粒子(如电子)的影响以及力载体W和Z玻色子的性质,我们会发现它们都受到了虚希格斯玻色子的影响。当所有这些研究成果总结起来,就会发现希格斯玻色子似乎比之前想象的要轻,或许只有氢原子质量的150倍。在CERN,有一个27公里长的磁环,可以约束高速质子。当高速质子相互碰撞时,就会创造出一个适合玻色子产生的环境。这个加速器被称为大型强子对撞机(LHC),经过十年的艰苦建设,于2007年建成。这个实验可能需要几个月的时间才能完成,之后需要几年的时间对数据进行分析和提炼。它将继续为我们揭示这个神粒子的奥秘。希格斯玻色子被称为上帝粒子并不夸张,因为它赋予基本粒子以质量。假设没有希格斯玻色子,那么电子、原子、分子都大到宏观世界没有质量,那么我们抬起脚的时候真的比光还快。这个假设的前提是我们的世界还活着!

Q4:希格斯玻色子看不见的能量场,为何能赋予我们质量?

如果把物质分割得越来越小,最终,你会得到构成物质的分子或者原子。但这些东西还能进一步分解成电子和原子核。而原子核又可以继续被分割成构成它们的质子和中子。它们的内部则是夸克。到了这一步,你就已经抵达了标准模型(我们当前的粒子物理学理论)之中,我们视为是基本的那一层面。不管你一开始分割的是什么物质,到了这个地步,你都会得到一大堆夸克和一大堆电子之类的粒子。夸克事实上还可以分成6种:构成质子和中子的是较轻的上夸克和下夸克,另外还有较重的奇夸克、粲夸克、底夸克和顶夸克。电子则属于另外6种粒子构成的另一个家族,即轻子:包括电子的两种质量更重的“表亲”——μ子和τ子,以及与它们一一对应的3种几乎没有质量的中微子。所有这12种物质粒子,被统称为“费米子”,都各自拥有一种与它们完全相同、只是电荷相反的反物质粒子。就是这样了。物质不可能再分割到比这些基本粒子更小了。破缺的对称在标准模型之中,构成物质的费米子通过作用力发生相互作用,而作用力是由另一大类被称为“玻色子”的粒子传递的。以电磁力为例,是它使得原子能够形成,驱动电流在我们的电器中奔腾,而传递电磁力的玻色子则是光子。光子与物质的相互作用取决于电荷的多寡:电子(携带1个负电荷)感受到的电磁力,就要强于夸克(携带-⅓或者+⅔个电荷)。不带电荷的中微子,根本感受不到电磁力。如此简洁的基本粒子组合,与实验事实完美吻合,但其中隐藏着一个令人费解的难题。所有这些物质粒子都有一个属性,被称为“质量”——这是一种抗拒被移来移去的属性。不同粒子的质量各不相同,从质量最轻的电子中微子到质量最重的顶夸克,跨越超过11个数量级之多。这些质量来自何方,为什么又如此千差万别呢?夸克还拥有各自的“色荷”,被称为胶子的粒子依据色荷产生强核力。这种力要比电磁力强得多,但奇怪的是,胶子本身也携带色荷,因而会彼此粘黏在一起。于是,我们从未见到过夸克和胶子以游离态的形式自由自在地漫游,只能在质子和中子之类的粒子内部才能看到它们——强核力的作用范围也不会超出亚原子尺度的范畴。至于标准模型中的第三种作用力,弱核力的强度相当弱,但如果没有它,驱动太阳和其他恒星的放射性衰变就不会发生。这种力之所以微弱,大约是因为携带这种力的粒子——W玻色子和Z玻色子——质量几乎是质子的100倍。创造出这样的粒子需要大量能量。

Q5:所以强核力所赋予物质的质量和由希格斯场阐释的部分是相互独立的对吧?

图中+-号代表不可分割的最小正负电磁信息单位-量子比特(qubit)(名物理学家约翰.惠勒John Wheeler曾有句名言:万物源于比特 It from bit量子信息研究兴盛后,此概念升华为,万物源于量子比特)注:位元即比特

Q6:希格斯场的强度会不会发生变化?

我们小时候最擅长的就是搞破坏,拆家里的收音机、手表,看看里面都有啥!拆不下来东西我们也有一万种方法弄坏这些东西,总之没啥能阻止我们的好奇心,即使是事后会挨一顿暴揍。所以今天我们就在大尺度上搞一件惊天动地的事:从赋予基本粒子质量的希格斯场和创造宇宙超高能量来尝试一下毁灭整个宇宙!是不是想想都有些兴奋。那我们先从地球说起在宇宙中对于一个中等大小的物质团块地球来说,宇宙有许多种自然的方法来毁灭地球。如果我们让地球足够接近一个恒星或者大黑洞,地球就会被撕裂和吞噬。如果地球离一颗超新星太近,不仅表面会被烤焦,而且整个世界可能会在超新星爆炸的方向被炸成很小的碎片。或者,你是那种动手能力很强的人,你可以把一颗反物质小行星运到地球的核心,物质/反物质湮灭产生的能量,足以把整个星球炸成一堆分离的碎石。这只不过是一颗行星而已,要知道在宇宙中至少有数千亿个星系,每个星系中就有数十亿到上万亿颗恒星和行星。如果我们想毁灭一切呢?希格斯场可能处在亚稳定状态关于希格斯场如何赋予基本粒子质量,大家可以通过头条APP搜索「宇宙质量的起源」,里面有很多详细的解读!斯蒂芬·霍金之前提出了一种设想,即希格斯场(负责给宇宙中所有基本粒子提供静止质量的场)可能处在一个不稳定的状态,会自发地从目前的亚稳态过渡到真正的基态,并在此过程中宇宙有可能会被摧毁。这是怎么回事呢?我们先来解释一下希格斯场是如何工作的。想象一下,在一个山峰的山顶上有一个小球,这个小球向任何方向移动任何距离都会滚下山顶。也就是说小球从山顶上开始往下滚动的时候,方向是完全随机的,所以落在哪个山谷也完全是随机的。开始滚动的任何方向都会让小球落到一个山谷里,但在某些方向上,小球所处的山谷海拔比其他的地方或低或高。除非小球一步到位直接滚到了最低点的山谷(基态),不过这种情况发生的概率非常低,就像你从山上扔个小球,能滚到山低的几率也很低,肯定会被卡在半山腰的某处。有一种潜在的可能性描述了希格斯场看起来就像上图中这个上峦起伏的照片,希格斯场和我们观察的粒子质量,目前就处在其中一个亚稳态山谷:一个海拔值低于周边地区,但在总体状态中不是最低的值,也就是说没有在绝对最低的山谷(没有在基态)。在下图中,一个滚下山坡的小球,它会随机一直稳定的停在任何地方,因为这是一个经典的宏观系统。但希格斯场以及整个宇宙是一个量子系统,这意味着,在任何给定的时间,宇宙中希格斯场的值都有可能通过量子隧道效应进入一个更低、更稳定的山谷。这就是霍金所描述的情况,尽管这种情况发生的概率非常非常小,但也是有可能发生的,如果这就是我们宇宙的样子,以上描述的情况就可以在任何给定的时间内发生。这种情况真的能描述我们的宇宙吗?如果这条通往低能量状态的转变发生了,我们的宇宙会发生什么?宇宙真的会被摧毁吗?或者说转变发生的变化可以让宇宙保持完整,只是和以前略有不同?首先,关于希格斯场目前处于亚稳态的说法很有争议。虽然我们最好的理论表明玻色子在能量超过10^11 GeV (GeV是将电子从静止加速到10亿伏特所需的能量)时可能会变得不稳定,但这些都是基于对玻色子的质量测量,如Z 玻色子、w玻色子以及顶夸克,这些玻色子仍然有很大的不确定性。在测量的不确定性中,希格斯玻色子被证明可能是稳定的,这意味着希格斯场可能已经处于谷底了。此外,我们有充分的理由相信渐近安全理论准确的描述了引力,因此也预测了希格斯玻色子的质量是一个完全稳定的值,并且与我们的观测一致。如果是这样的话,那么希格斯粒子就不是亚稳态,霍金设想的整个问题就没有意义。第二,如果希格斯场确实处在亚稳定状态,并且在宇宙中的某个地方已经过渡到了更稳定的状态,会发生什么?首先这种情况应该不会发生在地球上,或者是我们的高能粒子对撞机里,而很可能发生在超新星、活跃的星系核心或超大质量黑洞附近。因为这些区域都是宇宙中能量最高的地方(大约是10^10 GeV或更高),很有可能会经历量子隧穿效应。相比之下,LHC获得的最高能量只有10^4 GeV左右,这意味着在希格斯场的强度在地球上发生转变的几率要低得多。如果这种转变发生了,物理定律就会立即改变,粒子的质量、相互作用的强度和原子的大小等性质也会在希格斯场达到较低值的瞬间发生变化。此外,这种转变会以光速向外传播,希格斯场的低值将开始接管整个宇宙。这对我们来说既有好处也有坏处。坏处是:我们永远无法提前预见这种转变的到来;因为宇宙中所有可观测到的信号传播速度都不会快于光在真空中的传播速度,所以如果希格斯场强度的转变以光速传播,那么在转变覆盖我们之前,我们无法提前接收到任何信号。好处是:因为宇宙正在加速膨胀,这意味着(97%的可观测宇宙)以光速传播的信号永远不会到达地球。所以即使这种转变已经发生在宇宙的某个地方,也不太可能影响到我们。最后,如果宇宙只是亚稳态向稳定态发生了轻微的转变,那么物理定律的变化,原子的大小等等,可能变化也会非常小,小到只有通过实验手段才能检验到,并不会破坏、影响任何东西,这种轻微的变化只是赋予了基本粒子略微不同的性质而已。所以尽管这可能是一种毁灭宇宙的方式,但可能性很小很小,即使它真的发生了,也可能不会影响到我们。创造宇宙最高能量,重启宇宙暴涨阶段如果我们想毁灭宇宙,最明智的选择是依靠宇宙膨胀,我们知道宇宙之所以存在,唯一的原因就是因为宇宙暴涨并没有一直持续。如果我们能创造一个新的暴涨时期,随之而来的宇宙超高速膨胀,以及空间本身不可思议的强大能量,不仅会把星系,而且会把太阳系、人、细胞、分子、甚至单个原子撕裂。那我们要怎样才能重新启动宇宙暴涨呢?暴涨是在我们的宇宙充满物质和辐射之前存在的状态,也就是在大爆炸之前。大爆炸时所有的物质和辐射能量都来自某个阶段,而暴涨理论告诉我们热大爆炸的状态来自于空间本身固有的能量。现在空间本身的固有能量比暴涨时期小了10^31倍。所以,如果我们能够再次获得宇宙初始时期的超高能量(这种能量远远高于宇宙中任何已知的能量来源),我们或许能够恢复宇宙的暴涨状态,摧毁宇宙中的一切。所需要做的就是用10^15到10^19 GeV之间的能量来制造超高能量的碰撞。虽然这在目前的技术条件下是无法实现,但在理论中我们可以创造出这样的能量 。因为我们知道如何在一个环形加速器中以相反的方向加速粒子/反粒子,而且还知道,磁场越大,环形跑道的半径越大,粒子的运动速度越快,获得的能量就越高。费米实验室的加速器实现了每个粒子约10^3 GeV的能量,在此原理下,粒子-反粒子碰撞过程中释放了2×10^3 GeV的能量,而LHC每个粒子约为7×10^3 GeV,每次碰撞释放1.4×10^4 GeV的能量。所以如果我们想要达到每个粒子10^19 ev的能量,就需要建造一台和LHC完全一样的机器,但需要一个半径为5.9×10^14千米的环形跑道。这个跑道的大小相当于地球绕太阳公转轨道的400万倍。这就是一台可以毁灭宇宙的粒子加速器,其释放的能量足以和宇宙暴涨时期相媲美!

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