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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》

天下文化_96
・2018/04/28 ・2894字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 535 ・七年級

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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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・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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被吸進黑洞會怎樣?黑洞和一般的洞,哪裡不一樣?——《宇宙大哉問》
天下文化_96
・2022/09/24 ・2414字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/豪爾赫.陳、丹尼爾.懷森
  • 譯者/徐士傑、葉尚倫

如果我被吸進黑洞會怎麼樣?

很多人似乎都有這個疑問。

如果路上突然出現一個黑洞,會發生什麼事?圖/天下文化提供

「進入黑洞後會發生什麼事呢?」在許多科學書籍中都有提到,也是我們聽眾和讀者經常提出的問題。但是為什麼大家對這問題特別有興趣呢?難道公園裡處處都是黑洞?或是有人計畫在黑洞附近野餐,但又擔心放任他們的孩子在旁邊跑來跑去會發生問題?

可能不是。這個問題的吸睛度與實際上會不會發生無關,而是源自我們對迷人太空物體的基本好奇心。眾人皆知,黑洞是神祕莫測的奇怪空間區域,是時空結構中與宇宙實體完全脫節的「空洞」,任何東西都無法逃脫。

不過,掉入黑洞是什麼感覺呢?一定會死嗎?和掉進普通洞裡的感覺有什麼不同?你會在洞內發現宇宙深處的祕密,還是看到時空在你的眼皮子底下伸展開來?在黑洞裡面,眼睛(或大腦)能正常發揮功能嗎?

只有一種方法可以找到答案,那就是跳進黑洞。所以抓起你的野餐墊,和你的孩子說聲再見(也許是永別),然後牢牢抓緊,因為我們即將深入黑洞公園展開終極冒險。

讓我們跳進黑洞尋找答案吧!圖/天下文化提供

接近黑洞

當你接近黑洞時,注意到的第一件事可能是,黑洞確實看起來就像「黑色的洞」。黑洞是絕對黑色,本身完全不發射或反射光線,任何擊中黑洞的光都會被困在裡面。所以當你觀察黑洞時,眼睛看不到任何光子,大腦會將其解釋為黑色。

黑洞也是個不折不扣的洞。你可以將黑洞視為空間球體,任何進入黑洞的東西都會永遠留在裡面。這是因為已經留在黑洞內的東西所造成的重力效應:質量在黑洞中被壓縮得十分密集,進而產生巨大的重力影響。

為什麼?因為離有質量的東西愈近,重力愈強,而質量被壓縮代表你可以十分靠近質量中心。質量很大的東西通常分布得相當分散。以地球為例,地球質量大約與一公分寬(大約一個彈珠大小)的黑洞等同大小。如果你與這個黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣,都是 1g。

如果你與黑洞距離一個地球半徑長,感受到的重力就如同站在地球表面一樣。圖/天下文化提供

但是當你分別接近兩者中心時,會發生截然不同的狀況。當你愈靠近地球中心點,愈感覺不到地球重力。那是因為地球圍繞著你,把你平均的往各個方向拉。相反的,當你離黑洞愈近,感受到的重力愈大,因為整個地球質量近在咫尺的作用在你身上。這就是黑洞強大的威力,超緊緻質量對周圍事物立即產生巨大影響。

當你離地球中心越近,就越感受不到重力,但當你離黑洞中心愈近,感受到的重力卻越大。圖/天下文化提供

真正緊緻的質量會在自身周圍產生極大重力,並且在一定距離處,把空間扭曲到連光都無法逃脫(請記住,重力不僅會拉動物體,還會扭曲空間)。光不能逃脫的臨界點稱為「事件視界」,在「某種程度」上,事件視界定義了黑洞從何處開始,以此距離為半徑的黑色球體則稱為黑洞。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。如果你把地球壓縮得足夠小,會得到一個彈珠大小的黑洞,因為在大約一公分距離內,光再也無法逃脫。但是如果你再壓縮更多質量,黑洞半徑就會更大。例如,你把太陽壓縮變小,空間扭曲程度更高,事件視界更遠,大約發生在距離中心點三公里處,因此黑洞寬度約六公里。質量愈大,黑洞愈大。

黑洞的大小會隨著擠進多少質量而發生變化。圖/天下文化提供

其實,黑洞的大小並沒有理論限制。在太空中我們已探測到的黑洞寬度,最小約有二十公里,最大可達數百億公里。實際上,黑洞形成的限制只有周圍環繞物質的多寡,以及所允許的形成時間。

當你接近黑洞時,可能會注意到的第二件事是,黑洞通常不孤單寂寞。有時你會看到周圍東西掉進黑洞。或者更準確的說,你會看到東西在黑洞周圍旋轉等待落入。

這種東西稱為「吸積盤」,是由氣體、塵埃和其他物質組成。這些物質沒有被直接吸入黑洞,而是在軌道上盤旋等待、螺旋進入黑洞。這景象對於小黑洞而言,可能不是那麼令人印象深刻,但如果是超大質量黑洞,確實值得一看。氣體和塵埃以超高速度飛來飛去,產生非常強烈的純粹摩擦力,導致物質被撕裂,釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。這些類恆星(或稱類星體)的亮度,有時比單個星系中所有恆星的亮度總和還要高數千倍。

超大質量黑洞能釋放出許多能量,創造出宇宙中最強大的光源。圖/天下文化提供

幸運的是,並不是所有黑洞,甚至是超大質量黑洞,都會形成類星體(或耀星體,就此而言,像是吃了類固醇的類星體)。大多數時候,吸積盤並沒有合適的東西或條件來創造如此戲劇化的場景。這也算是一樁美事,否則的話,你一靠近活動劇烈的類星體,可能會讓你在瞥見黑洞之前就氣化了。希望你選擇落入的黑洞周圍有個漂亮的、相對平靜的吸積盤,讓你有機會接近並好好欣賞。

——本文摘自《宇宙大哉問:20個困惑人類的問題與解答》,2022 年 8 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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