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標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論:宇宙萬物的質(zhì)量來自哪里?

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【標(biāo)準(zhǔn)模型與大統(tǒng)一理論:中篇】

如果我問你,你身體的質(zhì)量來自哪里?

你可能有點懵,你下意識可能會回答到,我自身就有質(zhì)量。

那你自身固有的質(zhì)量又來自哪里?

當(dāng)然,這就要從微觀層面入手,人體的質(zhì)量來自于構(gòu)成人體的所有原子的質(zhì)量之和。

原子由核外電子和原子核構(gòu)成。而原子核又由質(zhì)子和中子構(gòu)成,質(zhì)子和中子的質(zhì)量差不多是一樣的,但卻是電子質(zhì)量的1836倍。所以原子質(zhì)量的99.9%都來自原子核。

而原子核中的質(zhì)子和中子又由夸克構(gòu)成,而大部分人會認(rèn)為質(zhì)子或中子的質(zhì)量來自內(nèi)部夸克質(zhì)量之和,其實這種看法是錯的。

以質(zhì)子舉例,質(zhì)子含有兩個上夸克和一個下夸克,而這三個夸克加一起能量只有9.4Mev,而質(zhì)子總能量為938Mev,

所以夸克質(zhì)量之和只占據(jù)質(zhì)子質(zhì)量的1%,其他99%的質(zhì)量則來自于膠子產(chǎn)生強力的結(jié)合能。至于這種結(jié)合能產(chǎn)生的額外質(zhì)量到底是怎么來的,文章接下來會講。

而對于夸克自身,它的質(zhì)量則來自希格斯機制!

在我往期的視頻中,我經(jīng)常說基本粒子本質(zhì)上就是波,這條波可以延伸到宇宙各個角落,波上有個波包,波包在哪,我們就說粒子在哪。但是波包的概念也是比較傳統(tǒng)的說法。

按照量子場論的說法,波的概念被量子場取代。每一種基本粒子本質(zhì)上都是自己的量子場,比如,光子場(電磁場),電子場,夸克場

粒子只是自身量子場的激發(fā),電子場激發(fā)電子,光子場激發(fā)的光子,夸克場激發(fā)的夸克。

標(biāo)準(zhǔn)模型中所有的基本粒子都是自己對應(yīng)的量子場,這種場彌漫整個宇宙,一般情況下,這些量子場處于基態(tài),也就是能量最低狀態(tài),由于能量的缺少,并不會激發(fā)出有質(zhì)量的粒子。

但要注意,處于基態(tài)的量子場中會不斷產(chǎn)生正反虛粒子對,這些粒子對的能量是從真空中借的,很快就會湮滅,并將能量還給真空。這就是量子漲落,雖然每種量子場中不斷產(chǎn)生虛粒子對,但很快就會湮滅,最后量子場的真空期望能還是為0。

所以不要被量子場中的量子漲落迷惑了,量子漲落這種白嫖的能量并沒有什么卵用。

量子場要想在不白嫖的情況下,就能激發(fā)出粒子,就得獲取能量。

這種能量必須從非真空的外界攝入,也就是和其他量子場相互作用。

而大部分粒子會和希格斯場相互作用,也就是由希格斯場提供能量,比如夸克場與希格斯場作用后,會吸收能量,從而激發(fā)出夸克,但是要注意,這種吸收能量的數(shù)值是間隔的,并不是連續(xù)的,也就是說夸克場和希格斯場作用的時候,吸收的能量只能是激發(fā)整數(shù)個夸克所需的能量,假設(shè)一個夸克的能量為A,那夸克場吸收的能量只能是1A,2A,3A, 不可能存在0.5A,1.68A這種能量值。

因為量子場激發(fā)的粒子都是基本粒子,每一種基本粒子的能量都是一種基本單位,如果存在非整數(shù)的能量值,那么這種所謂的“基本粒子”就是一定還存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

正是由于夸克場和希格斯場作用,所以才獲得了能量,而能量又等價于質(zhì)量,所以夸克就擁有了質(zhì)量。但是并不是所有基本粒子都會和希格斯場作用。比如光子場,膠子場就沒有和希格斯場相互作用,所以它們的沒有固有質(zhì)量。

而關(guān)于希格斯機制為什么會賦予基本粒子質(zhì)量,則暗示著大統(tǒng)一理論的線索。

剛才已經(jīng)講過了,粒子只是各自量子場的激發(fā),雖然量子場會產(chǎn)生量子漲落好像創(chuàng)造了能量,但是這是無效能量。

如果測量某個量子場所有可能出現(xiàn)的能量值,最后得出的真空期望值就為0,所以每一種量子場的期望值起初都為0,你可以直白理解成量子場起初的能量都為0,期望值為0就意味著,量子場要激發(fā)出有靜止質(zhì)量的粒子,就需要和其他量子場作用獲取能量。

而如果所有量子場的期望值都為0,那量子場就無法從任何其他量子場中獲取能量。

就好像這61種基本粒子都是窮鬼,如果要想借錢花(激發(fā)有質(zhì)量粒子),必須傍一個大款才行。這時候希格斯場就發(fā)揮這個大款的作用。

那為什么希格斯場就可以擁有能量?它的能量哪來的?

希格斯場自帶能量就要求希格斯場的期望不能為0。而量子場的真空期望值是否為0則取決于對稱性是否破缺。

在微觀世界,對稱性是很抽象的概念,而這東西本質(zhì)上也無法用二維圖像呈現(xiàn)出來。比如強力的su3對稱性涉及8個維度,這根本就無法科普。

一般情況下,科普視頻中的對稱性都是找一些對稱性圖案比喻。

但要注意,這種科普絕對不是真實情況,比如生活中三原色合成白色也是一種對稱性。對稱性嚴(yán)格來說,就是物理屬性遵守一種還原和合成的一致性。

這種抽象概念無法具象呈現(xiàn),所以視頻中的圖案比喻也是妥協(xié)后的無奈之舉。

所以接下來講到的對稱性,自己大概想想就是那么回事就行了,絕對不是動畫演繹的那樣,千萬不要對號入座。

對于基本粒子內(nèi)在的對稱性而言,可以想象幾乎所有基本粒子都處于圖形中間,這是符合對稱性的。

而只有希格斯粒子會掉落到一旁,這就導(dǎo)致希格斯場的對稱性自發(fā)遭到破壞,類似于結(jié)構(gòu)決定性質(zhì)。對稱性的結(jié)構(gòu)一旦遭到破壞,那么在性質(zhì)上就導(dǎo)致希格斯場的期望值不為0,這就導(dǎo)致希格斯場擁有能量。所以其他量子場再和希格斯場作用的時候就會獲得能量,能量又等價于質(zhì)量,從而激發(fā)出有質(zhì)量的粒子。

而光子場由于沒和希格斯場作用,所以光子沒有獲得質(zhì)量,那么光子場(電磁場)就不需要借助外部能量,就可以肆無忌憚的激發(fā)出光子,所以光子的激發(fā)成本為0。

講到這里,就剛好科普一下超導(dǎo)現(xiàn)象。

我們知道電子在線路運動會產(chǎn)生能量損耗。

這種損耗主要有兩種

第一種就是電阻,這個可以通過極低溫解決。

而另一種能量損耗就是電磁場會激發(fā)出光子,輻射部分能量。

對于第二種能量損耗來說,假設(shè)存在一種可以讓光子被類似希格斯場的機制賦予質(zhì)量,那電磁場就不會肆無忌憚激發(fā)光子了,因為光子一旦擁有了靜質(zhì)量,激發(fā)的門檻就存在了,在某些情況下,電磁場就不會向外輻射能量了。

而賦予光子質(zhì)量的場就是庫珀玻色場,這也就是BCS超導(dǎo)理論研究的范疇了!

【未完待續(xù):明天更新第三篇!】

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