村山齐老师科普讲座——神之粒子, 然后呢?

欢仔258 2013-10-09 13:33

这是村山齐2013.9.10在台湾大学的科普演讲
与大师有约科普讲座─神之粒子, 然后呢?


「宇宙由什么组成的?」
「宇宙有个起点吗?」
「宇宙最终会结束吗?」
「我们从哪里来?」
这些问题听起来或许有些稚气,但仔细回想,我们多久没有甩去人世间的一切烦忧,静静地望着夜里的苍穹,被那些镶嵌在黑幕上的繁星所感动;又多久没有感谢太阳每天不停息地从东方升起,它带我们温暖,它滋养着我们的大地;我们更有多久没有激情于世界的美丽,并用全身的力量高亢地吟咏着存在的自己,然后去探究那些小时候会问的问题。村山教授就象是一个小男孩,淘气地在物理世界里面玩耍,四处敲着大自然的门,好奇地探究大到天文小到基本粒子的宇宙。而整场演讲,就如同一个小孩子在跟伙伴们分享着他在野外捡来的岩石,和他那些探险的故事。
关于宇宙和我们诞生的问题听起来很难,千年来有多少的哲学家绞尽脑汁,花了一辈子的时间想要解答这些问题。透过他们一代一代的努力,再配合近四百年来不断进步的观察仪器和实验技术,我们终于能够窥看这世界一部分的模样,尽管我们不确定我们所走的这条路是不是对的,尽管我们不知道在所知的世界里面到底还存在着多少未知。我们巴不得有一台哆啦A梦的时光机,能够穿越时空,一窥宇宙是怎么诞生,以及宇宙是怎么结束。但你可能不知道,现在物理学家们已经在用「时光机」来观察宇宙了。
第一种「时光机」就是所谓的望远镜。无论是哪种波段、哪种口径大小的望远镜,都是透过接收来自远方的光,来观察那些离我们太遥远、肉眼看不见的星体。而狭义相对论告诉我们光速是一个定值,所以当我们看得越远,其实也就看得越早。因此,现在我们看到的仙女座大星系其实是230万年前的仙女座大星系,而里面如果有生命不知已经过了多少个寒暑,同样地,如果现在于仙女座的他们朝我们地球瞧瞧,铁定看不到人类,取而代之的是许多人猿,穿梭在丛林、莽原之间。如果我们用更高分辨率的望远镜拍摄离我们133亿光年远的宇宙,并试着不断放大影像,我们甚至可以见到星系正在形成的模样。可是当我们继续朝更远方看去的时候,我们发现四周笼罩着一道墙,它是一切光学望远镜的极限,物理学家们称之为「宇宙微波背景辐射」(Cosmic Microwave Background, CMB)。那个时候宇宙才38万岁,相较于现在宇宙的年纪,就好比地球上的15分钟之于1年,只不过是个刚出生的婴儿罢了。而比微波背景辐射更早些的宇宙,内部非常的热,充满着氢的游离气体,也就是常听到的电浆。光子在里面行走可说是窒碍难行,使得物理学家们想看到更早期宇宙的决心也受到了阻碍。

宇宙微波背景辐射(WMAP累积九年的资料)(来源:维基共享资源)


于是乎,第二种「时光机」派上用场了,那就是我们的加速器。大家可能对加速器感到很陌生,觉得它离我们日常生活很遥远,但事实上在日本许多大医院里面都有加速器,它们会产生电磁辐射,可以用来检验或是杀死癌细胞。其实我们可以仔细看看周遭,会发现其实那些比较旧的映像管电视和家家必备的微波炉里面,都具有简易的加速器,它们被用来形成影像和加热食物,而物理学家们所用的加速器只是比一般的加速器规模更庞大、元件更复杂、能量更巨大而已。物理学家利用加速器加速粒子,产生高能量的对撞,模拟宇宙更早期的样子,我们因而了解到宇宙刚形成的几分钟后,约有四分之一的质子会形成氦核,这和其他的观测结果吻合得很好。而这些氢与氦再经过后来许多大质量恒星的燃烧,核反应成其它重要的元素:碳、氮、氧等,之后大质量恒星燃烧殆尽,并在大爆炸的过程中释放出这些基本元素,最终变成了我们身体的一部分,其实我们都是「星之子」!
藉由各方面的观测,结合了天文的观测和地面上的加速器实验,我们逐渐拼凑出宇宙的基本图像,物理学家称之为「标准模型」(Standard Model)。这项理论在许多方面都和实验吻合的很好,但也引发出许多的问题。你可能不知道,即便在深夜,每秒钟还是都有约一百兆个来自太阳的微中子穿越你的身体,而你根本毫无感觉,原因是微中子只参与弱交互作用,而不参与一般熟悉的电磁交互作用。弱交互作用(Weak force)顾名思义就是一种很微弱的作用力,和其他电磁力、强交互作用、重力等合起来被称为自然界的四大作用力。它所能作用的距离很短,只有在十亿分之一个奈米内反应才会发生,不象是电磁场在地球各处都可以看到指南针因为地磁而转向。物理学家觉得很奇怪,为什么同样是基本的作用力,而弱作用力却弱这么多呢?

现在的标准模型,里面有夸克(quark)、轻子(lepton)和传递作用力的规范玻色子(gauge boson),其中最右边的希格斯玻色子(Higgs boson)是新发现的粒子。(来源:维基共享资源)


有洞见的物理学家们提出新的粒子来解决这个谜题,这个粒子后来被称为「希格斯玻色子」(Higgs boson),而整个宇宙都瀰漫着希格斯玻色子,形成所谓的「希格斯场」(Higgs field)。在宇宙刚诞生的时候,世界非常滚烫,四处充满着不安分的希格斯玻色子,就好比火山口刚喷发出来的水蒸气分子一般,到处飞来飞去、非常混乱。在这个时候,所有的粒子,包含那些传递弱交互作用的粒子,都不会受到希格斯玻色子的影响,它们跟传递电磁交互作用的光子一样,畅行无阻地以光速运动,这时弱作用力和电磁力是一样强的。不过世界很快就冷却了下来,在温度达的时候,奇怪的事情发生了:希格斯玻色子就如同结冰的冰块一般,井然有序地排列,好像被冻结住了,并赋予了许多粒子质量,使得他们减速下来,也让那些传递弱交互作用的粒子不再横行,因而弱交互作用被减弱了许多,尽管如此,光子并没有受到希格斯玻色子的影响而携带质量,它们仍以光速行走。而这就是为什么弱作用力比电磁力弱很多的原因,它同时也解释了电子为什么甘愿被原子核所束缚,形成原子:一旦和希格斯玻色子的交互作用被关掉,所有的电子都会以光速远离你我的身体,相信这不会是我们所乐见的。
你或许会问说,既然希格斯玻色子这么重要,那为什么我们感受不到它呢?这是因为希格斯场就象是空气一般,我们早就习惯它的存在了,平常也就不会注意它,不过只要空气一旦受到扰动,我们的皮肤就能感觉到风,同样的道理,如果我们能够从冻结的希格斯场用力敲出希格斯玻色子,我们或许就能够观察到它。于是,物理学家们在欧洲建立了「大强子对撞机」(Large Hadron Collider, LHC),把质子束加速到接近光速对撞,试着寻找希格斯玻色子的踪迹──标准模型的最后一片拼图。令人兴奋地,在去年(公元2012年)的七月四号,两大侦测器──紧凑缈子线圈(Compact Muon Solenoid, CMS)和超环面仪器(A Toroidal LHC Apparatus, Atlas)──的团队各自宣布发现了新的粒子,而进一步的研究发现这个新的粒子和理论所预测的希格斯玻色子在许多性质上都非常相似(比方说自旋为零),几乎可以说它就是希格斯玻色子。

紧凑缈子线圈(Compact Muon Solenoid,简称CMS)


超环面仪器(A Toroidal LHC Apparatus, Atlas)。(来源:维基共享资源)


然而物里并没有因此而停歇,我们仍有许多问题尚待解决:会不会希格斯玻色子之所以自旋为零,只是因为它在其他的维度里面旋转?希格斯玻色子有没有可能其实不是基本粒子?希格斯玻色子会不会还有兄弟姊妹?希格斯玻色子是不是有机会和暗物质作用?我们希望能用更多的方式来研究希格斯玻色子,研究宇宙当初是怎么被结冻,研究宇宙更早期的模样。为此有许多的物理学家已经在规画20年后的加速器ILC(International Linear Collider),它和大强子对撞机不一样的地方在于,前者使用电子和正子(电子的反粒子,携带正电)对撞,而后者使用的则是质子跟质子,因为质子是很复杂的复合粒子,相撞后根本是一团混乱,但电子和正子都是基本粒子,研究起来就容易多了。除此之外,村山教授还参与了SUMIRE计划,他们利用Subaru望远镜来观察星空,形成的影像可达三亿画素,它比哈伯太空望远镜(Hubble Space Telescope)更广角,效率更高,省下了更多的时间。



或许物理学家唯有透过地面上的实验和天文观测的不断地相比较,以及各方面的努力,才能够逐步了解宇宙的样貌,才能够回答「宇宙由什么组成的?」「宇宙有个起点吗?」「宇宙最终会结束吗?」「我们从哪里来?」等的根本问题。

感谢@0.618 同学辛苦转来的视频:
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来源:台湾国科会高瞻自然科学教学资源平台
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=44453#more-44453

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