“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。
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