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希格斯玻色子的發現,與仍待破解的質量謎題──《這世界難捉摸》

大家都覺得很重要,但希格斯玻色子到底是什麼?

2012 年粒子物理學家正式宣佈發現希格斯玻色子,這件事馬上變成國際頭條,《紐約時報》寫道「希格斯玻色子的發現,代表科學的進步,能對現代文明提供最好的解決方案。」每個人都像發現大秘寶一樣興奮,不過清楚知道自己在興奮什麼的人應該不多……不信的話我們先來做個小測驗好了!

希格斯小測驗

一、在「希格斯玻色子」這個名字用來命名粒子之前,它最為人所知的是:

  1. 兒童最愛的電視小丑
  2. 中情局最危險的間諜代碼
  3. 在「星際大戰」中,天行者路克的兒時玩伴
  4. 你朋友在「龍與地下城」中的角色

二、對或錯:如果直接吞下去,希格斯玻色子比超火辣口味「奇多」更容易上癮。

三、對或錯:希格斯玻色子是希格斯和玻色這兩位理論家所預測的粒子。

看完文章後在附註中核對你的答案,看看你知道多少:)註1

2012年,希格斯玻色子宣布被發現。上圖為希格斯玻色子通過衰變為強子噴流的質子與電子的碰撞形成這樣的景象。圖/Lucas Taylor / CERN@wikipedia

認真來說,找到希格斯玻色子是科學的一大勝利。它給了我們一個最佳展現,那就是:尋找模式是了解宇宙的良好方針。

希格斯玻色子可能存在的想法,來自於研究傳遞作用力的粒子模式,以及關於它們質量的問題,這些粒子是光子、W玻色子和 Z玻色子。物理學家問:「為什麼它們其中的光子沒有質量,但是其他粒子(W及Z)的質量非常大?」就一個我們稱為質量的標籤來說,這種有些力場粒子質量是零,但有些不是零的特殊情況,實在是太奇怪、太莫名其妙了。

希格斯和其他幾位粒子物理學家關注了這個問題一段時間,就決定這樣找出答案:把質量做出來吧。

真的,他們就是這樣做的!如果你再添加一個粒子(希格斯玻色子)和它的場(希格斯場)到方程式裡,那麼把質量視為粒子標籤(以及某些粒子為何有更多質量)的想法,就開始有了意義。

大致說來,這個理論可以如此陳述:

希格斯場可以想像成一個瀰漫整個宇宙的場。它可以做其他場不能做的事:既非吸引力也非排斥力,而是讓粒子寸步難行或是速度減緩。希格斯場能讓粒子達到與擁有慣性質量般的相同效果。

希格斯場與粒子之間的交互作用愈多,粒子看起來擁有的慣性(或是質量)就愈大。這進一步暗示,粒子與希格斯場交互作用所產生的慣性,就是粒子的質量。這就是粒子「擁有質量」的定義。

一些粒子非常強烈的感覺到希格斯場,代表它們需要很大的力量來加速或減速:這些粒子有很大的質量。其他粒子幾乎感覺不到希格斯場,所以它們只需要很小的力量來加速或減速:這些粒子幾乎沒有質量。

讓我們花點時間思考一下。希格斯場的發明,是一個典範轉移的見解,同時也是一個明顯無趣的聲明。

希格斯場是一個典範轉移, 因為它給了你對於「質量是什麼?」這個問題,一個全新的思考方式,這是不得了的成就。但是,希格斯場的論述也是沒什麼大用的,一旦你接受了粒子質量不過是神祕的量子標籤,而不是粒子的內含物。

事實上, 它沒有解決最重要的問題:「為什麼粒子有不同的質量?」 所有的理論都是把一個問題變成另一個不同的問題:「為什麼所有物質粒子對希格斯場的感覺都不一樣?」

根據希格斯理論,物質粒子的質量大小並沒有特別的理由。質量大小就好像是隨機選擇一樣,也可以有完全不同的數值。即使你改變質量,也不會打破任何理論,現有的物理定律仍然照樣運行。

希格斯理論確實解釋了為什麼作用力粒子(光子、W 和 Z)具有現有的質量,但是不能通盤解釋物質粒子為什麼具有不同質量(為什麼有些與希格斯場交互作用多,而有些卻很少)。質量大小可能有種模式,但是到目前為止,最好的宇宙理論只將物質粒子的質量列為任意數目。

重力質量

我們來到了有關質量奧祕的最後一片拼圖。

當我們之前思考如何測量某物的質量時,你很可能也想到了一個不同於發泡膠子彈玩具槍的精確方法:何不用磅秤!

磅秤能測量物體的重量,也就是測量地球對物體施加的重力拉力。這與質量密切相關,因為擁有更多的質量,受到地球的拉力愈大。在一個粒子的情況下,你也可以把重力質量看成「重力荷」。當兩個粒子有電荷時,它們彼此感覺到電力,電力與電荷成正比。以同樣的方式,當兩個粒子具有質量時,它們感受到與自身質量成比例的重力吸引力。

奇怪的是,重力只有吸引力。

兩種質量是一樣的嗎?

重力質量與我們前幾頁談論的慣性質量相同嗎?可以說是,也可以說不是。

說它不是,因為我們所謂的「重力質量」,似乎決定了施加在物體上的重力,而且我們使用不同於慣性質量的技術(磅秤)來測量它註2

說它是,因為我們可以用兩種方式來測量質量,到目前為止,我們從未觀察到物體的重力質量和慣性質量之間的差異。

這多麼令人匪夷所思。沒有真正的直觀原因有說明,兩種質量應該一樣。它們其中一個(慣性質量)是描述如何抵抗運動,另一個(重力質量)是描述有多想被重力拉動。

以我們現在的物理學架構來看,我們不知道為何如此。我們只是假設兩種質量是一樣的,而這個等效性假設,是愛因斯坦廣義相對論的核心。廣義相對論用非常不同的方式看待重力。它不是把重力視為:作用於附著在粒子和能量背後的任意「荷」,而是把重力描繪為質量和能量周圍時空的彎曲或扭曲。

所以,愛因斯坦的理論讓兩種質量的聯繫更加自然,不過它還是沒有告訴我們「為什麼是這樣」。除了相對論之外,我們的粒子物理學理論把重力質量和慣性質量視為不同的概念,但實驗上我們看到,它們是一樣的。這非常強烈的表明,兩種質量有極深刻的聯結。

  • 註1:如果你真的試圖回答任何一個問題,代表你應該有好好閱讀這一章,但還是一頭霧水,對吧?這就是作者想要表達的感覺XD
  • 註2:這是牛頓的重力觀。往後,我們會學到廣義相對論的版本,在廣義相對論裡,重力不是作用力,把重力視為質量造成的時空扭曲會更加合理。

 

 

本文摘自《這世界難捉摸:霍金也想懂的95%未知宇宙》,遠見天下文化出版。

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