這是我大學教授郭西川老師貼在他FB分享給大家的,

本人物理學得不怎麼樣,

貼在這純粹當備份用, 不要問我相關問題  >.<

 

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我讀交大資訊系時的同學問我什麼是「上帝的粒子」。雖然我是由資訊界逃亡到物理界的逃兵,可是高能物理說實在話我也懂得不多,所以只能用很初淺的方式來回答我的同學。身為彰師大物理系的老師,我順便也把我整理的文章po在這裡,希望也能對本系的同學有所幫助,讓同學瞭解物理科學的博大精深與理論物理的優美,不要只把眼光侷限於考上研究所,猛背考古題卻從不抬頭看看這年代物理學已發展到何種境界。

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上帝粒子 (1)

Dear 基正:

我的專長不是粒子物理,不過既然你問起「上帝粒子」這個熱門話題,我就把我知道的一些皮毛告訴你。如果有專家看到這段po文,發現我有說錯的地方,請不吝指正。
「上帝粒子」(The God Particle)一詞來自美國物理學家、1988年諾貝爾物理獎得主Leon Lederman 的科普著作, “The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question” 一書。後來媒體也沿用了這一稱呼,常常將希格斯玻色子(Higgs bosons)稱作是「上帝粒子」。這一稱呼引起了大眾對於希格斯玻色子的關注和興趣。不過許多物理學家卻不喜歡這一稱呼,因為其強烈的宗教意味常常誤導一般人,以為只要發現它就能解破宇宙的終極密秘,或是一舉解決宗教與科學間的矛盾。其實Lederman說他以「上帝粒子」為希格斯玻色子命名,是因為這尚未被發現的基本粒子,在我們理解物質基本結構的過程當中扮演著極為關鍵的角色。 不過他也開玩笑地補充說另一個原因是出版商不讓他把這粒子稱作「該死的粒子」(Goddamn Particle)。其實,「該死的粒子」一詞更能顯示尋找希格斯玻色子的困難及其重要性。這也是為什麼CERN一宣布發現希格斯粒子的證據,在物理學界會產生這麼大的撼動。
希格斯粒子的種要性在那裡?因為它能幫助物理學家解釋為什物質會有質量。你一定會想,當然有質量的東西才能叫物質。物理學家吃飽太閒,問這種無聊的問題幹麼?….

 
上帝粒子 (2)

講到「質量」這個物理量,我們必須先交代一些概念。首先,對高能物理學來說,質量就是能量的同義字,因為在相對論極限下質量與能量可以互換,E=mc^2。所以如果物理學家跟你說,電子沒有體積 (理想的質點)但是質量不為零,你就要接受這樣的觀點。事實上,物理學界普遍接受的一個基本教義是,基本粒子的質量、電荷、自旋等都是內稟的性質,都是造物主創造宇宙時所賦予這些粒子的特性。
為什麼有些基本粒子具有質量,而有些基本粒子的質量為零?英國物理學家Peter Higgs提出所謂的Higgs機制來解釋這問題。以下我直接跳過那些深奧的物理學名詞,先舉一個生活中的例子,之後再依據這個例子中的情境來對照Higgs機制中的物理概念。現在讓我們想像在一間大廳中, 塞滿了一大羣記者,所有人均勻的分布在各角落,彼此靜靜的交談。忽然Steve Jobs(假設他還沒死)帶著一個牛皮紙信封走進來。這自然引起一陣騷動,而在他行經的路逕上,一定吸引圍著一大團記者跟著他一起移動,因為大家都想知道他手中的牛皮紙信封中是不是放著iphone X。擁擠的人羣使得Jobs花很長的時間才穿過大廳,感覺上他好像是一個體重700公斤的大胖子寸步難行。過30分鐘後,Bill Gates也走進來,當然也引起一陣騷動,只不過比起Jobs,包圍Gates的記者人數就少多了。Gates大約花了Jobs 三分之一的時間就穿過大廳,感覺上他的體重就只有200多公斤。再過30分鐘後,有一個謠言傳進來說MS即將破產(本人超痛恨MS,能逮到這個機會修理微軟自然不會手軟),這時所有記者都圍攏起來開始gossip……
 
上帝粒子 (3)

現在回來看Higgs機制。Higgs假設有一種純量場(又稱為Higgs場)充斥在宇宙之間,當基本粒子在Higgs場的背景中運動時,它們與Higgs場之間的交互作用會使得它們等效獲得質量。這種現象基本上就是固態物理中所說的電子等效質量的物理機制。某種程度上,Higgs場可看做是一團糖漿,會黏著於尚未帶有質量的基本粒子。當這些粒子通過Higgs場的時候,會變成帶質量粒子。而這相互作用的附產品就是Higgs粒子。請注意Higgs粒子與Higgs場的差別;前者是後者的場量子激發態,它通過自相互作用而獲得質量。
所以在前面的舉例中,記者羣就是Higgs場,Jobs是質量比較大的基本粒子,因為他跟記者之間有比較強的交互作用。而Gates是質量比較小的基本粒子,因為記者對他比較沒什麼期待。最後那羣圍攏起來開始八卦的記者羣就是Higgs粒子。他們為了要彼此耳語交換小道消息,所以要靠得很近。這一團人可以在充滿人的大廳中移動,所以基本上也具有質量。
Higgs粒子的存在是Higgs機制的必然後果,是粒子物理學長久以來鎖定尋找的對象。標準模型預言了62種基本粒子的存在,這些粒子基本都已被實驗所證實,Higgs粒子是最後一種未被發現的基本粒子。假若實驗證實Higgs粒子的存在,則標準模型就大勢底定功德圓滿。當然這也意含著高能物理界在近期內又有機會再獲得諾貝爾獎的桂冠。
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    Bear180 發表在 痞客邦 留言(1) 人氣()