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费米子?玻色子?希格斯玻色子?它们和四个基本力之间是啥关系?

在看一些科普文章时,我们经常会遇到一些物理学名词或术语,比如费米子、玻色子、希格斯玻色子、四个基本作用力等等。如果是没有了解过粒子物理学的同学肯定会头晕。今天我们就来把它们说清楚。

费米子、玻色子、希格斯玻色子在物理学上统称为“粒子”。它们是构成我们这个世界物质不可或缺的主要成分。

物质是由原子构成的

要理解这些“粒子”,我们得先从物质是由什么构成说起。

在古希腊时代,许多的智者们已经开始认真的思考,我们这个世界上的物质到底是由什么组成的?比如泰勒斯就认为,组成物质的基本元素是水,而亚里士多德则认为万物都是由四种基本物质以不同的组合形式构成的——它们是土、气、火和水。

亚里士多德

最早提出物质是由原子构成的是留基伯和德谟克里特斯。虽然当时还是猜想,但是原子这一概念的提出,可说是人类了解物质了解这个世界的一大创举。物理学家理查德.费曼曾经说过:如果让他选择一句话来概括现代科学中最重要的发现,他会选“世界是由原子组成的”这句话。

2000多年过去了,直到19世纪,科学家们通过实验的确发现很多熟悉的物质都有一种可以识别的最小组成单元,按照古希腊人的传统,他们还是称这些最小单元为原子。

可是后来发现,原子并不是物质不可分割的最小单元。20世纪30年代,先是有科学家发现了电子,之后通过撞击原子核发现了质子和中子。汤姆逊和卢瑟福,玻尔等人根据对原子核和电子性质的理解,他们建立起了各种不同的原子结构的模型:原子核由质子和中子构成,它的周周环绕着有规则运动的电子。

电子到底是如何围绕着原子核在转的?这个曾经掀起了不小的争论。最后海森堡根据不确定性原理得出了最终的模型:电子是没有规则运动的,它似云一样围绕着原子核转动。

在20世纪30年代末,物理学家在研究从外太空向地球倾泻的粒子流时,又发现了一种叫μ子的基本粒子——除了比电子重200倍左右,它们的性质是一样的。

接着20世纪50年代中期,物理学家雷恩和柯万又发现了基本粒子—中微子。

如果至此科学家们就一锤定音止步不前了,那他们就不叫做科学家了。他们就是想知道,质子、中子还能不能再分?电子还能不能再分?他们采取的办法就是:撞它!撞它!(不是盘它)

1968年,斯坦福直线加速器中心的实验家们利用强大的技术力量探索了物质的微观层次,发现质子和中子确实并不是最基本的,它们分别是由三个夸克组成。

物理学们就是这样凭着先进的科学技术,用更快更强的对撞机去撞击物质的碎片,不断得出新的“粒子”。

组成物质的基本粒子—费米子

至此,组成物质的基本粒子已经发现的有:6种夸克(上夸克,下夸克,顶夸克,底夸克,粲夸克);6种轻子(电子,电子中微子,μ子,μ中微子,τ子,τ中微子)。

中微子、μ子、τ子都是一些来无影去无踪的粒子,我们一般都很少注意到它们,熟悉的轻子主要只是电子。就如中微子,它很少与其他物质发生相互作用,能穿透几百亿千米厚的铅,而运动几乎不受影响,它们可以随意的穿越你我的身体,穿越地球飞向遥远的宇宙,而不留任何痕迹。

这6种夸克和6种轻子是物质组成的基础单元,它们目前是不能再分割了,也不能相容、不能叠加在一起,它们只能像乐高积木一样堆积成各种各样的物质。这6种夸克和6种轻子就称做费米子。在量子力学上,费米子角动量的自旋量子数为半奇数整数倍的粒子,遵守泡利不相容原理。由意大利物理学家费米而得名。

力的信使粒子—玻色子

有了费米子,就可以组成物质了吗?还是不可以。就像做房子一样,有了砖块、瓦块还是不能堆成房子,还得有水泥等各种粘合剂才能把房间堆得牢固结实。费米子之间得有一种相互作用力,让它们结合在一起。

过去100来年间,物理学家们通过无数次的实验验证发现,我们宇宙间的万物之间的相互作用无非就是这四个基本作用力:引力,电磁力,强核力和弱核力。

电磁力是我们身边最常见的力,如电话沟通,电视信号,各种电子产品,太阳的热,日常生活中的摩擦力等都存在电磁力。电磁力是由电磁场产生的影响力。光子是电磁场的基本组成,我们可以将它看作电磁力的传递者。传递力的媒介光子,也称为电磁力的信使粒子。

强核力和弱核力是原子和亚原子中的力,所以是大家最不容易理解的力。强核力是让夸克,质子,中子结合在一起的力,它传输力的信使粒子是胶子。弱核力是物质放射性衰变的力,它传递力的粒子是w玻色子和z玻色子。

引力则是宏观上物体之间的相互作用力。地球有了引力,我们才能站稳在地球上;太阳有了引力,地球和其他行星才能绕着太阳旋转。我们身边的物体和物体之间也有引力,只是小质量物体间的引力太小了,几乎感觉不到。

光子、胶子和w、z玻色子,这些在费米子之间传递力的粒子统称做:规范玻色子。在量子力学上,玻色子是指自旋为整数的粒子,不遵守泡利不相容原理。由印度物理学家玻色而得名。

以上的粒子有点多,我们再总结一下:不可再分,不能相容的6种夸克和6种轻子统称做费米子,它们是构成物质的主要基础。光子是电磁力的信使粒子;胶子是强核力的信使粒子;w玻色子和z玻色子是弱核力的信使粒子。这种在费米子间传递力的粒子,如光子,胶子,w、z玻色子称为规范玻色子。

这些传输力的粒子,已经在20世纪70年代末80年代初由德国和瑞士的加速器实验证实和发现。物理学们把这些粒子总结成一个粒子物理的标准模型,如下图:

关于引力,也有科学家认为,应该存在一个引力子,但是至今实验上没有发现引力子。引力也至今还没有列入粒子物理标准模型中。

四种基本作用力中,引力是最微弱的。电磁斥力比引力强百亿亿亿亿亿(10^42)倍。强核力比电磁力强100倍,而比弱核力强10万倍。

希格斯玻色子

故事至此,是否就可以结束了?小心的同学这时肯定会发现,在粒子物理标准模型的最右边还有一个希格斯玻色子。我们之所以把希格斯玻色子放到最后,是因为它是至今最后一个发现的粒子,也因为它实在是太重要了!

如果我们把费米子和规范玻色子比喻成一个个“棋子”,那希格希玻色子就是它们的“棋盘”。没有棋盘,棋怎么下呀?

希格斯玻色子的发现,起源于一个问题,就是玻色子中有些粒子有质量,有些就没有,如w、z玻色子有质量,而光子却没有质量。而这些有质量粒子的质量又是如何来的?物理学家们于是假设,在这些粒子中应该有一个“场”,是这个场赋予了这些粒子的质量。

“场”的概念是很多现代物理学的理论框架。我们之前说过电磁场,引力也有引力场,强核力和弱核力也有它们的力场。场还可以应用于物质,叫物质场。

除了力场、物质场,那么赋予这些粒子的质量的“场”,应该算是第3种场了,这是一个怎么样的场呢?我们这里简单的说一下它的机制。

1964年,苏格兰物理学家彼得.希格斯和其他科学家先后发表了相关论文,论文表明,假若将局部规范不变性理论与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起,则规范玻色子必然会获得质量。后来,科学家们又得出结论,这种自发对称性破缺的机制还会让费米子也获得质量。

这个机制后来就叫做希格斯机制,而假设的这个“场”也称作希格斯场。

希格斯场充满着整个宇宙,在宇宙大爆炸刚开始时,温度极其的高,当时的温度对场的影响和温度对物质的影响是一样的。温度越高,场的值就会变化得越猛烈。而随着宇宙渐渐膨胀,温度也渐渐降低,场的波动也慢慢平息下来,当时的场值总体上也趋近于零。

然而,宇宙的温度继续降低到足够低时,希格斯场又会在整个空间中凝聚成一个特别的非零场值。这种希格斯场的非零场值也是一种对称性自发破缺。

如果希格斯场的值不为零值,而宇宙中的基本粒子与无所不在的希格斯场之间存在着相互作用,基本粒子在对抗自身速度的改变中就获得了质量。如果基本粒子与希格斯场的相互作用很小,那它就具有很小的质量,如果相互作用很大就具有很大的质量,如果没有相互作用则没有质量。如光子,它可以完全不受影响的穿行于希格斯场之中,所以它没有质量。

假如希格斯机制是正确的, 基本粒子因与希格斯场耦合而获得质量。那么希格斯场就应该像其它力场一样存在着玻色子。比利时物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国物理学家彼得·希格斯描述了粒子物理学的标准模型,他们同时也预测了基本粒子——希格斯玻色子的存在。

于是科学家们就开始找。 如欧洲核子研究组织在瑞士建成了大型强子对撞机(LHC),它是全世界最先进的粒子加速器。它的主要研究目标之一就是证实希格斯玻色子是否存在。

大型强子对撞机(LHC)

最后希格斯玻色子真的被发现了!

2012年7月, 欧洲核子研究中心运行的大型强子对撞机通过实验终于发现了希格斯玻色子。希格斯玻色子也成为了粒子物理标准模型的最后一块拼图。它被称做“上帝粒子”。

大型强子对撞机发现的上帝粒子

目前,四个基本作用了,除了引力,物理学家们已经在理论上统一了其中三种力。电磁力和弱核力的统一已经在实验上得到了证实。大统一理论,也是物理学家们孜孜以求的目标,如果哪个物理学家最终统一了四个基本作用力,那他的名字将与牛顿、爱因斯坦等人的名字并驾齐驱,名留千古。

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来自:YspBweGtb  > 科学
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