2012年7月，歐洲核子中心的科學(xué)家宣布，他們在大型強子對撞機上發(fā)現了疑似希格斯的粒子。經(jīng)過(guò)一年多的后續研究，現在他們越來(lái)越確信，新粒子就是物理學(xué)標準模型所預言的“上帝粒子”。譬如它的自旋、衰變行為都基本與理論預言相符。當然，更多的特征還有待驗證，所以謹慎的科學(xué)家們至今還稱(chēng)其為“疑似希格斯粒子”。
遺憾的是，強子對撞機為了檢修和提高能量，2013年關(guān)閉了，估計到2015年才能重啟，這樣一來(lái)，進(jìn)一步的確認工作就要推遲到2015年之后了。這也意味著(zhù)提出“上帝粒子”的理論家們，要想在今明兩年獲諾貝獎看來(lái)是沒(méi)戲了（他們中有幾位已經(jīng)快奔九了）。這倒給諾貝獎委員會(huì )解決了一個(gè)難題，因為目前有資格獲獎的人共有6位，可諾獎?dòng)袀€(gè)規定，一個(gè)獎項不能同時(shí)授予3個(gè)以上的人。要是再等上幾年，時(shí)間就自然把這一難題給解決了——也許這種想法有點(diǎn)殘忍。
不過(guò)這是玩笑話(huà)，你可不要當真，讓我們還是來(lái)談點(diǎn)嚴肅的事情。什么事情最嚴肅？當然是世界末日。好，咱們就從世界末日談起，因為最近有物理學(xué)家聲稱(chēng)，目前這個(gè)“疑似希格斯粒子”有可能預示著(zhù)我們的宇宙將會(huì )毀滅！
太嚇人了吧！不要摧殘我們的神經(jīng)好不好？
不是摧殘大家的神經(jīng)，是科學(xué)家的理論這樣預言的，下面我們就簡(jiǎn)單介紹一下這一駭人的理論。
真空的兩種狀態(tài)
假如你有一塊質(zhì)地比較硬的塑料布，皺巴巴地晾在露天的院子里，一陣雨過(guò)后，你會(huì )發(fā)現，塑料布下陷的坑洼里，積滿(mǎn)了水?？油萆顪\不一，中間因被凸起隔著(zhù)，水不會(huì )聚到一處。但倘若一陣風(fēng)吹來(lái)，塑料布晃了幾下，那你就會(huì )看到，淺坑的積水會(huì )往低處的深坑里流。沒(méi)了積水，淺坑就漸漸平復了。
上述現象用物理學(xué)家的話(huà)來(lái)說(shuō)就是，淺坑處于亞穩定狀態(tài)：從局部看，淺坑的能量（此處指勢能）是最低的，但從全局看，卻不是最低的，——深坑處才是能量最低，最穩定的。亞穩定狀態(tài)倘若沒(méi)受到擾動(dòng)，會(huì )長(cháng)久存在下去，但要是受到足夠大的擾動(dòng)，比如被風(fēng)一吹，很可能就崩潰。此類(lèi)例子還有山坡上的石頭，要是不去動(dòng)它，它蠻可以這樣存在下去，但倘若受水流的沖擊或者地震搖動(dòng)，那它在山坡上就待不住了，必定滾到山谷去。
與此類(lèi)似的是，早在1980年代，有科學(xué)家就提出，真空也可分為亞穩定和穩定狀態(tài)。人們把處于亞穩定狀態(tài)的真空叫“假真空”，而把處于穩定狀態(tài)的真空叫“真真空”。
你也許會(huì )問(wèn)：真空里不是什么都沒(méi)有，按理始終是能量最低的，怎么還有穩定、亞穩定之分呢？
這是因為，根據現代物理學(xué)的觀(guān)點(diǎn)，“真空里什么都沒(méi)有”這種看法是錯的。事實(shí)上，真空里充斥著(zhù)許多能量場(chǎng)，我們最熟悉的莫過(guò)于引力場(chǎng)，在浩瀚的宇宙中，無(wú)處不存在引力。我們生活的空間中，除了有塵埃、氣體分子之外，還有看不見(jiàn)的電磁場(chǎng)。同理，根據物理學(xué)家的看法，與希格斯粒子有關(guān)的希格斯場(chǎng)也充斥在整個(gè)宇宙空間。以前，希格斯場(chǎng)只是理論上的猜測，但現在希格斯粒子找到了，也就證明了希格斯場(chǎng)的真實(shí)存在。
現代物理學(xué)還有一個(gè)觀(guān)點(diǎn)，所有的場(chǎng)都存在一種量子，比如電磁場(chǎng)的量子是光子，引力場(chǎng)的量子是引力子，而希格斯場(chǎng)的量子是希格斯粒子……量子場(chǎng)有三種狀態(tài)：穩定、不穩定和亞穩定。
考慮到量子場(chǎng)充斥真空，這樣真空也就有了穩定、不穩定和亞穩定之分。不過(guò)因為不穩定的真空早就崩潰了，所以現實(shí)中能夠存在的只剩下穩定和亞穩定兩種狀態(tài)，即真真空和假真空。兩者的關(guān)系就好比塑料布上的深坑與淺坑。真真空當然任何時(shí)候都是“不倒翁”；而假真空呢，只有受到足夠大的擾動(dòng)時(shí)，才顯出其“假”來(lái)，倘若沒(méi)受擾動(dòng)，也蠻可以一直存在下去。兩種狀態(tài)有時(shí)還真不好辨別。
所以盡管我們的宇宙自大爆炸以來(lái)已經(jīng)存在了137億年，但它處于穩定狀態(tài)呢，還是亞穩定狀態(tài)，這可誰(shuí)也說(shuō)不上。如果處于穩定狀態(tài)，那么你好我好大家好，但要是處于亞穩定狀態(tài)，那可就懸了。就像塑料布下陷的坑洼一樣，如果我們的宇宙像深坑，那我們就不用擔憂(yōu)。但如果我們的宇宙是個(gè)淺坑呢，倘若一陣風(fēng)吹來(lái)，塑料布晃了幾下，我們的宇宙不就完蛋啦？
決定宇宙命運的兩個(gè)因素
這個(gè)問(wèn)題看來(lái)“懸”而又“玄”。懸是因為我們宇宙的命運“命懸一線(xiàn)”，“玄”是因為太玄乎：哪怕真有這么回事，但我們“身在此山中”，怎么能知道宇宙處于穩定還是亞穩定狀態(tài)？
物理學(xué)家還真是神通廣大，他們居然可以通過(guò)物理學(xué)的標準模型來(lái)計算出來(lái)。但計算中需要涉及許多基本粒子的質(zhì)量，其中有兩個(gè)基本粒子的質(zhì)量長(cháng)久以來(lái)一直沒(méi)弄清楚，一個(gè)是希格斯粒子的質(zhì)量，另一個(gè)是頂夸克的質(zhì)量，所以事情就耽擱下來(lái)了?，F在好了，這兩個(gè)質(zhì)量都差不多弄清楚了。
根據物理學(xué)家的估算，要想保證我們的宇宙處于穩定狀態(tài)，希格斯粒子的質(zhì)量下限范圍應該在123.8～135.0 GeV（GeV即10億電子伏，質(zhì)子的靜止質(zhì)量是0.938 GeV）。也就是說(shuō)，只要希格斯粒子的質(zhì)量高于這個(gè)下限，那么宇宙就是穩定的。下限本來(lái)應該是一個(gè)確定的值，但因為迄今頂夸克的質(zhì)量測得還不夠精確，所以現在只能給出一個(gè)大致的范圍。而2012年測得的希格斯粒子質(zhì)量在125～127 GeV之間，兩者很接近，所以事情看來(lái)有些不妙。
由此看來(lái)，宇宙究竟處于何種狀態(tài)，這個(gè)問(wèn)題至今依然懸而未定，還有待于測量出頂夸克的精確質(zhì)量，才能定下為保證宇宙穩定所需的希格斯粒子質(zhì)量下限。打個(gè)比方，一旦物理學(xué)家說(shuō)下限是124 GeV，而希格斯粒子的質(zhì)量在125～127 GeV之間，高于這個(gè)下限，那么我們就可以放心地說(shuō)，宇宙處于穩定態(tài)；但如果下限是129 GeV，而現在希格斯粒子的質(zhì)量低于這個(gè)下限，那宇宙就處于亞穩定態(tài)了。
所以，為了預言宇宙的命運，物理學(xué)家接下來(lái)還要做兩項工作：一是精確測量頂夸克的質(zhì)量，另一項是精確測量希格斯粒子的質(zhì)量（精度要達到1%）。
宇宙末日會(huì )怎樣來(lái)臨？
大家好像都對世界末日感興趣——這種好奇心會(huì )要人命的！為了滿(mǎn)足大家的好奇心，那我們就不妨來(lái)想像一下，倘若宇宙處于亞穩定狀態(tài)，它會(huì )怎樣毀滅。
設想宇宙某處的假真空受到擾動(dòng)，變成了真真空，于是一個(gè)真真空泡泡就產(chǎn)生了。這個(gè)泡泡比周?chē)僬婵盏哪芰扛?，所以它將不斷蠶食周?chē)目臻g，就像多米諾骨牌倒下一樣。但這個(gè)連鎖反應將以光速蔓延，直到整個(gè)宇宙都轉變?yōu)榉€定態(tài)為止。
這真是一個(gè)名副其實(shí)的“乾坤大挪移”。在這過(guò)程中，我們的宇宙從能量較高的亞穩定態(tài)轉變?yōu)槟芰孔畹偷姆€定態(tài)，要釋放出大量的能量。此外，所有的東西，從原子、分子到恒星、星系，都要統統毀滅，然后在穩定態(tài)的新宇宙中重新組合。我們知道，宇宙有好幾種可能的毀滅方式，而這種毀滅比起別的方式來(lái)，更致命、更徹底。
比如，根據天文觀(guān)測，宇宙在加速膨脹（這是2011年獲得諾貝爾獎的成果），未來(lái)很可能面臨“大撕裂”的結局：先是星系團被撕裂成單個(gè)的星系，然后星系撕裂成恒星……直到分子撕裂成原子，原子撕裂成亞原子。但不管怎么說(shuō)，在這種毀滅中，基本粒子不會(huì )再被撕裂成別的什么了，統治宇宙的基本規律，比如像真空中的光速、引力常數等基本物理學(xué)常數，也不會(huì )發(fā)生變化。但宇宙要是從亞穩定態(tài)演變到穩定態(tài)，那就完全不同了，那將是一次徹底的重新洗牌。在穩定態(tài)的宇宙里，連基本粒子和基本物理學(xué)規律，甚至時(shí)空維數都可能完全迥異于亞穩定態(tài)的宇宙……而且這種毀滅會(huì )在什么時(shí)候發(fā)生，最先在什么地方開(kāi)始，原則上都是不確定的，或許現在在某個(gè)遙遠的地方就已經(jīng)開(kāi)始了。
那么，觸發(fā)宇宙以這種方式毀滅的擾動(dòng)可能是什么呢？理論上，任何高能粒子的產(chǎn)生都可能是一種擾動(dòng)——這是目前我們唯一能想像到的一種可能。但從“宇宙中每時(shí)每刻都在產(chǎn)生大量高能粒子，而它卻已經(jīng)穩穩當當地存在了137億年”這一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，由高能粒子來(lái)觸發(fā)宇宙毀滅的概率還是非常非常之低的。一些人擔心地球上的高能加速器，例如歐洲大型強子對撞機，會(huì )觸發(fā)毀滅，就像前些年有人擔心對撞機會(huì )造出吞噬地球的微型黑洞一樣。其實(shí)這種擔心是多余的。因為目前對撞機上產(chǎn)生的粒子能量最高只達8萬(wàn)億電子伏的量級，即使升級之后也只達13萬(wàn)億電子伏，而宇宙中目前觀(guān)察到的粒子，能量最高的是人工產(chǎn)生粒子的10萬(wàn)倍。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，人類(lèi)至少要在150年之后。
至于其他會(huì )觸動(dòng)宇宙毀滅的因素，我們目前就不得而知了。
對宇宙認識有限
我們一口氣把最壞的事情講完了，現在該來(lái)講點(diǎn)愉快的事情了。
上述的討論是建立在物理學(xué)家的計算基礎之上的，現在不妨反過(guò)來(lái)問(wèn)一句：他們的計算可靠么？大家可以寬點(diǎn)心的是，計算其實(shí)也不見(jiàn)得完全可靠。
原因是，他們的計算是以物理學(xué)的標準模型為基礎的。這個(gè)模型認為，自然界的基本粒子只有61種：第一類(lèi)是組成物質(zhì)的粒子，包括夸克、輕子（如電子）以及它們的反粒子。其中夸克18種，輕子6種，加上它們的反粒子共48種；第二類(lèi)是傳遞相互作用的粒子，包括傳遞電磁力的光子、傳遞強核力的膠子等；第三類(lèi)是讓基本粒子獲得質(zhì)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這么多？或者說(shuō)，標準模型已經(jīng)把所有基本粒子“一網(wǎng)打盡”了么？如果沒(méi)有，那么單單根據這些粒子來(lái)計算宇宙到底處于穩定還是亞穩定態(tài)，得出的結論就是大可懷疑的。
雖然迄今還沒(méi)有實(shí)驗證據表明物理學(xué)的標準模型存在漏洞，但至少自然界已經(jīng)出現它所解釋不了的一些事情，這就意味著(zhù)它還遠非盡善盡美。
第一件事情是暗物質(zhì)的存在，這種物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的大約85%，但與已知的由基本粒子組成的普通物質(zhì)完全不同。譬如說(shuō)，暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)沒(méi)有電磁力和強核力作用，最多只存在引力和弱核力作用。組成暗物質(zhì)的粒子是什么呢？雖然這迄今是個(gè)謎，但可以肯定，它不在標準模型的61種基本粒子之列。
第二件事件是，實(shí)驗證明，中微子有微小的質(zhì)量，而標準模型中中微子是沒(méi)有質(zhì)量的。
第三件事情是，為什么自然界最弱的兩種基本作用力——弱核力和引力——強度相差那么大？比如在原子核尺寸的距離上，前者是后者的1032倍。而在其他三種基本作用力，即強核力、弱核力和電磁力之間，強度在量級上卻沒(méi)有相差這么大。這就是所謂基本作用力的“等級問(wèn)題”，也是標準模型目前還解釋不了的。
為了解決這些難題，物理學(xué)家渴望突破標準模型，在各種新提出的理論中，希望最大的是超對稱(chēng)理論。
超對稱(chēng)粒子存在嗎？
在粒子物理學(xué)上，物理學(xué)家把粒子按自旋分成兩大類(lèi)：一類(lèi)是自旋為整數的粒子，叫玻色子，傳遞基本作用力的粒子和希格斯粒子都是玻色子。另一類(lèi)是自旋為半整數的粒子，叫費米子，組成物質(zhì)的粒子，如夸克、質(zhì)子、電子等等都是費米子。
為什么要這樣分呢？因為玻色子和費米子在過(guò)“集體生活”的時(shí)候，表現是很不一樣的。我們知道，在微觀(guān)世界里，粒子可以處于不同的狀態(tài)，物理學(xué)上是用一系列量子數來(lái)標識這些狀態(tài)的。比如說(shuō)在原子核外運動(dòng)的電子，首先所處的軌道可能不同，用軌道量子數來(lái)標識這些軌道；其次，可能自旋朝向不同，所以又用自旋量子數來(lái)標識自旋朝向……這就好比說(shuō)我們用學(xué)校、年級、班級甚至座位等一系列特征來(lái)標識一名學(xué)生一樣，學(xué)校、年級、班級和座位就相當于標識一名學(xué)生的“量子數”。
對于費米子來(lái)說(shuō)，它們在任何時(shí)候都不會(huì )有兩個(gè)處于同一個(gè)狀態(tài)；而對于玻色子呢，它們卻喜歡不分彼此地共處一態(tài)。打個(gè)比喻。假如用一系列掛著(zhù)不同門(mén)牌號的房間來(lái)代表粒子的不同狀態(tài)?，F在要安排一群粒子住進(jìn)去。如果是玻色子，它們就傾向于同住在一起，所以你會(huì )發(fā)現，最后它們全擠在了一個(gè)房間。而要是費米子呢，則傾向于每人各占一個(gè)房間，哪怕你一開(kāi)始是讓它們同住在一起的，最后也要各自分開(kāi)。
超對稱(chēng)理論認為，每一種粒子都有其超對稱(chēng)伙伴，玻色子的超對稱(chēng)伙伴是費米子，費米子的超對稱(chēng)伙伴是玻色子。這里的“超對稱(chēng)”是玻色子和費米子一一對應的意思。比如說(shuō)，電子是費米子，它的超對稱(chēng)伙伴“超電子”應該是玻色子；希格斯粒子是玻色子，它的超對稱(chēng)伙伴“超希格斯子”應該是費米子……如此等等。當然，這些超對稱(chēng)粒子至今一個(gè)都沒(méi)發(fā)現。但超對稱(chēng)理論認為，可能這些超對稱(chēng)粒子質(zhì)量都太大，需要在能量更高的粒子加速器上才能產(chǎn)生。這也是這次強子對撞機要升級的原因，升級完之后，最重要的一個(gè)目標就是尋找這些大個(gè)頭的超對稱(chēng)粒子。
超對稱(chēng)理論據稱(chēng)可以解釋弱核力和引力為何強度相差懸殊的問(wèn)題，此外，超對稱(chēng)粒子也是暗物質(zhì)粒子的理想候選者。
如果超對稱(chēng)粒子真的存在，那么基本粒子大家族的成員就翻了一倍。這些粒子肯定也與“宇宙處在穩定態(tài)還是亞穩定態(tài)”這個(gè)問(wèn)題密切相關(guān)。所以，哪怕目前的計算說(shuō)我們的宇宙處于亞穩定態(tài)，它遲早有一天要毀滅，但超對稱(chēng)粒子一出現，說(shuō)不定這個(gè)結論就翻盤(pán)了。
那么，現在我們就有雙重的理由樂(lè )觀(guān)了。
首先，目前頂夸克和希格斯粒子的精確質(zhì)量都還待定，預言宇宙將要毀滅還為時(shí)尚早。
其次，哪怕這兩個(gè)質(zhì)量精確測量出來(lái)了，而且計算結果表明，我們的宇宙的確處于危險的亞穩定態(tài)，但這也還不能蓋棺論定，只要實(shí)驗證明超對稱(chēng)粒子存在，那這個(gè)結論就依然有被推翻的可能。
頂夸克
標準模型認為，像質(zhì)子、中子之類(lèi)比較重的粒子是由3個(gè)夸克組成的?？淇朔稚?、下、粲、奇、底、頂6種。頂夸克最重，所以最難也是最后發(fā)現。它衰變很快，只存在十萬(wàn)億億分之一秒，和構成質(zhì)子的夸克不一樣，它的質(zhì)量很大，相當于質(zhì)子靜止質(zhì)量的171倍。
| 上帝粒子或能解釋宇宙暴漲和暗能量 上帝粒子不僅決定宇宙未來(lái)的命運，甚至可能影響到我們對宇宙很多方面的認識。 眾所周知，我們的宇宙肇始于137億年前的一場(chǎng)大爆炸，這一點(diǎn)在今天已經(jīng)沒(méi)有異議。但單純的大爆炸還解釋不了以下兩個(gè)問(wèn)題。 第一是，早期的宇宙密度必定非常大，引力非常強，那為什么這么強的引力阻止不了宇宙進(jìn)一步的膨脹呢？ 第二是，為什么今天的宇宙看起來(lái)如此均勻？近些年來(lái)，天文學(xué)家通過(guò)觀(guān)測證實(shí)，宇宙物質(zhì)的分布是非常均勻的?？墒窃谠缙诘奈⒂^(guān)宇宙中，物質(zhì)難免會(huì )有漲落，造成這一點(diǎn)跟那一點(diǎn)在密度上的微小差異。這一差異經(jīng)過(guò)后續的宇宙膨脹，就會(huì )被千百倍地放大。經(jīng)過(guò)這樣放大之后，要想在“成年”宇宙中保持物質(zhì)均勻分布幾乎就不可能了。這個(gè)道理就好比說(shuō)，從一個(gè)成年人身上取走一個(gè)細胞，對他不會(huì )有任何影響，但要是在受精卵分裂階段取走一個(gè)細胞，那就可能被放大成身體的重大缺陷或畸形。 為解決這些問(wèn)題，1980年代宇宙學(xué)家提出暴漲說(shuō)。這個(gè)學(xué)說(shuō)的大致內容是：宇宙在大爆炸發(fā)生后不到10-35秒，即發(fā)生了一場(chǎng)急劇的膨脹，在不到10-33秒的時(shí)間內，體積膨脹了1078倍，這就是所謂的暴漲期。暴漲把宇宙在不同點(diǎn)可能有的一切差異都給抹平了。經(jīng)過(guò)暴漲之后，宇宙才又漸漸恢復為正常的膨脹。 至于是什么東西讓宇宙暴漲的，宇宙學(xué)家一時(shí)可說(shuō)不上，他們只是含糊地假設存在這么一種暴漲場(chǎng)。這種場(chǎng)是一種斥力場(chǎng)，所以能夠抵消引力場(chǎng)，推動(dòng)宇宙急劇膨脹。 現在再回頭看粒子物理學(xué)方面。正文中提到，標準模型把所有基本粒子歸為三類(lèi)。其中第二類(lèi)是基本作用力的傳遞粒子，如光子、膠子等（因標準模型還沒(méi)有把引力統一進(jìn)來(lái)，所以不含引力子）。第三類(lèi)則是希格斯粒子。第二、第三類(lèi)粒子都是玻色子。 這樣的分法是有點(diǎn)奇怪的。你瞧，除希格斯粒子外，每一種玻色子都對應自然界中的一種基本相互作用力，而希格斯粒子雖也是玻色子，卻沒(méi)有一種基本作用力與之對應。希格斯場(chǎng)好像在基本粒子獲得質(zhì)量的那一刻起了一下作用，此后就度假去了，再也看不到它還發(fā)揮了什么影響。這好像不符合大自然物盡其用的一貫作風(fēng)。 所以，最近有科學(xué)家提出，推動(dòng)宇宙暴漲的可能就是希格斯場(chǎng)。如今充斥宇宙空間的希格斯場(chǎng)，在宇宙還很小的時(shí)候，其能量密度必定是非常大的。如果再假設它是一種斥力場(chǎng)，或許就可解釋宇宙為何會(huì )暴漲。 此外，上世紀末天文學(xué)家發(fā)現，我們的宇宙在加速膨脹。為了解釋這一現象，他們設想一種“暗能量”是幕后黑手。暗能量表現為排斥力，它部分抵消了引力，從而推動(dòng)宇宙加速膨脹。那么我們也不妨猜測，暗能量會(huì )不會(huì )就是希格斯場(chǎng)呢？ 這一切當然很讓人感興趣，但目前都還只是猜測。相信在未來(lái)歲月，隨著(zhù)物理學(xué)家對上帝粒子的深入研究，對其性質(zhì)有了更多的了解之后，答案自然會(huì )水落石出。 |
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