2012年7月，歐洲核子中心的科學(xué)家宣布，他們在大型強(qiáng)子對撞機(jī)上發(fā)現(xiàn)了疑似希格斯的粒子。經(jīng)過一年多的后續(xù)研究，現(xiàn)在他們越來越確信，新粒子就是物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的“上帝粒子”。譬如它的自旋、衰變行為都基本與理論預(yù)言相符。當(dāng)然，更多的特征還有待驗證，所以謹(jǐn)慎的科學(xué)家們至今還稱其為“疑似希格斯粒子”。
遺憾的是，強(qiáng)子對撞機(jī)為了檢修和提高能量，2013年關(guān)閉了，估計到2015年才能重啟，這樣一來，進(jìn)一步的確認(rèn)工作就要推遲到2015年之后了。這也意味著提出“上帝粒子”的理論家們，要想在今明兩年獲諾貝獎看來是沒戲了（他們中有幾位已經(jīng)快奔九了）。這倒給諾貝獎委員會解決了一個難題，因為目前有資格獲獎的人共有6位，可諾獎有個規(guī)定，一個獎項不能同時授予3個以上的人。要是再等上幾年，時間就自然把這一難題給解決了——也許這種想法有點殘忍。
不過這是玩笑話，你可不要當(dāng)真，讓我們還是來談點嚴(yán)肅的事情。什么事情最嚴(yán)肅？當(dāng)然是世界末日。好，咱們就從世界末日談起，因為最近有物理學(xué)家聲稱，目前這個“疑似希格斯粒子”有可能預(yù)示著我們的宇宙將會毀滅！
太嚇人了吧！不要摧殘我們的神經(jīng)好不好？
不是摧殘大家的神經(jīng)，是科學(xué)家的理論這樣預(yù)言的，下面我們就簡單介紹一下這一駭人的理論。
真空的兩種狀態(tài)
假如你有一塊質(zhì)地比較硬的塑料布，皺巴巴地晾在露天的院子里，一陣雨過后，你會發(fā)現(xiàn)，塑料布下陷的坑洼里，積滿了水?？油萆顪\不一，中間因被凸起隔著，水不會聚到一處。但倘若一陣風(fēng)吹來，塑料布晃了幾下，那你就會看到，淺坑的積水會往低處的深坑里流。沒了積水，淺坑就漸漸平復(fù)了。
上述現(xiàn)象用物理學(xué)家的話來說就是，淺坑處于亞穩(wěn)定狀態(tài)：從局部看，淺坑的能量（此處指勢能）是最低的，但從全局看，卻不是最低的，——深坑處才是能量最低，最穩(wěn)定的。亞穩(wěn)定狀態(tài)倘若沒受到擾動，會長久存在下去，但要是受到足夠大的擾動，比如被風(fēng)一吹，很可能就崩潰。此類例子還有山坡上的石頭，要是不去動它，它蠻可以這樣存在下去，但倘若受水流的沖擊或者地震搖動，那它在山坡上就待不住了，必定滾到山谷去。
與此類似的是，早在1980年代，有科學(xué)家就提出，真空也可分為亞穩(wěn)定和穩(wěn)定狀態(tài)。人們把處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的真空叫“假真空”，而把處于穩(wěn)定狀態(tài)的真空叫“真真空”。
你也許會問：真空里不是什么都沒有，按理始終是能量最低的，怎么還有穩(wěn)定、亞穩(wěn)定之分呢？
這是因為，根據(jù)現(xiàn)代物理學(xué)的觀點，“真空里什么都沒有”這種看法是錯的。事實上，真空里充斥著許多能量場，我們最熟悉的莫過于引力場，在浩瀚的宇宙中，無處不存在引力。我們生活的空間中，除了有塵埃、氣體分子之外，還有看不見的電磁場。同理，根據(jù)物理學(xué)家的看法，與希格斯粒子有關(guān)的希格斯場也充斥在整個宇宙空間。以前，希格斯場只是理論上的猜測，但現(xiàn)在希格斯粒子找到了，也就證明了希格斯場的真實存在。
現(xiàn)代物理學(xué)還有一個觀點，所有的場都存在一種量子，比如電磁場的量子是光子，引力場的量子是引力子，而希格斯場的量子是希格斯粒子……量子場有三種狀態(tài)：穩(wěn)定、不穩(wěn)定和亞穩(wěn)定。
考慮到量子場充斥真空，這樣真空也就有了穩(wěn)定、不穩(wěn)定和亞穩(wěn)定之分。不過因為不穩(wěn)定的真空早就崩潰了，所以現(xiàn)實中能夠存在的只剩下穩(wěn)定和亞穩(wěn)定兩種狀態(tài)，即真真空和假真空。兩者的關(guān)系就好比塑料布上的深坑與淺坑。真真空當(dāng)然任何時候都是“不倒翁”；而假真空呢，只有受到足夠大的擾動時，才顯出其“假”來，倘若沒受擾動，也蠻可以一直存在下去。兩種狀態(tài)有時還真不好辨別。
所以盡管我們的宇宙自大爆炸以來已經(jīng)存在了137億年，但它處于穩(wěn)定狀態(tài)呢，還是亞穩(wěn)定狀態(tài)，這可誰也說不上。如果處于穩(wěn)定狀態(tài)，那么你好我好大家好，但要是處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，那可就懸了。就像塑料布下陷的坑洼一樣，如果我們的宇宙像深坑，那我們就不用擔(dān)憂。但如果我們的宇宙是個淺坑呢，倘若一陣風(fēng)吹來，塑料布晃了幾下，我們的宇宙不就完蛋啦？
決定宇宙命運(yùn)的兩個因素
這個問題看來“懸”而又“玄”。懸是因為我們宇宙的命運(yùn)“命懸一線”，“玄”是因為太玄乎：哪怕真有這么回事，但我們“身在此山中”，怎么能知道宇宙處于穩(wěn)定還是亞穩(wěn)定狀態(tài)？
物理學(xué)家還真是神通廣大，他們居然可以通過物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型來計算出來。但計算中需要涉及許多基本粒子的質(zhì)量，其中有兩個基本粒子的質(zhì)量長久以來一直沒弄清楚，一個是希格斯粒子的質(zhì)量，另一個是頂夸克的質(zhì)量，所以事情就耽擱下來了。現(xiàn)在好了，這兩個質(zhì)量都差不多弄清楚了。
根據(jù)物理學(xué)家的估算，要想保證我們的宇宙處于穩(wěn)定狀態(tài)，希格斯粒子的質(zhì)量下限范圍應(yīng)該在123.8～135.0 GeV（GeV即10億電子伏，質(zhì)子的靜止質(zhì)量是0.938 GeV）。也就是說，只要希格斯粒子的質(zhì)量高于這個下限，那么宇宙就是穩(wěn)定的。下限本來應(yīng)該是一個確定的值，但因為迄今頂夸克的質(zhì)量測得還不夠精確，所以現(xiàn)在只能給出一個大致的范圍。而2012年測得的希格斯粒子質(zhì)量在125～127 GeV之間，兩者很接近，所以事情看來有些不妙。
由此看來，宇宙究竟處于何種狀態(tài)，這個問題至今依然懸而未定，還有待于測量出頂夸克的精確質(zhì)量，才能定下為保證宇宙穩(wěn)定所需的希格斯粒子質(zhì)量下限。打個比方，一旦物理學(xué)家說下限是124 GeV，而希格斯粒子的質(zhì)量在125～127 GeV之間，高于這個下限，那么我們就可以放心地說，宇宙處于穩(wěn)定態(tài)；但如果下限是129 GeV，而現(xiàn)在希格斯粒子的質(zhì)量低于這個下限，那宇宙就處于亞穩(wěn)定態(tài)了。
所以，為了預(yù)言宇宙的命運(yùn)，物理學(xué)家接下來還要做兩項工作：一是精確測量頂夸克的質(zhì)量，另一項是精確測量希格斯粒子的質(zhì)量（精度要達(dá)到1%）。
宇宙末日會怎樣來臨？
大家好像都對世界末日感興趣——這種好奇心會要人命的！為了滿足大家的好奇心，那我們就不妨來想像一下，倘若宇宙處于亞穩(wěn)定狀態(tài)，它會怎樣毀滅。
設(shè)想宇宙某處的假真空受到擾動，變成了真真空，于是一個真真空泡泡就產(chǎn)生了。這個泡泡比周圍假真空的能量更低，所以它將不斷蠶食周圍的空間，就像多米諾骨牌倒下一樣。但這個連鎖反應(yīng)將以光速蔓延，直到整個宇宙都轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定態(tài)為止。
這真是一個名副其實的“乾坤大挪移”。在這過程中，我們的宇宙從能量較高的亞穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰孔畹偷姆€(wěn)定態(tài)，要釋放出大量的能量。此外，所有的東西，從原子、分子到恒星、星系，都要統(tǒng)統(tǒng)毀滅，然后在穩(wěn)定態(tài)的新宇宙中重新組合。我們知道，宇宙有好幾種可能的毀滅方式，而這種毀滅比起別的方式來，更致命、更徹底。
比如，根據(jù)天文觀測，宇宙在加速膨脹（這是2011年獲得諾貝爾獎的成果），未來很可能面臨“大撕裂”的結(jié)局：先是星系團(tuán)被撕裂成單個的星系，然后星系撕裂成恒星……直到分子撕裂成原子，原子撕裂成亞原子。但不管怎么說，在這種毀滅中，基本粒子不會再被撕裂成別的什么了，統(tǒng)治宇宙的基本規(guī)律，比如像真空中的光速、引力常數(shù)等基本物理學(xué)常數(shù)，也不會發(fā)生變化。但宇宙要是從亞穩(wěn)定態(tài)演變到穩(wěn)定態(tài)，那就完全不同了，那將是一次徹底的重新洗牌。在穩(wěn)定態(tài)的宇宙里，連基本粒子和基本物理學(xué)規(guī)律，甚至?xí)r空維數(shù)都可能完全迥異于亞穩(wěn)定態(tài)的宇宙……而且這種毀滅會在什么時候發(fā)生，最先在什么地方開始，原則上都是不確定的，或許現(xiàn)在在某個遙遠(yuǎn)的地方就已經(jīng)開始了。
那么，觸發(fā)宇宙以這種方式毀滅的擾動可能是什么呢？理論上，任何高能粒子的產(chǎn)生都可能是一種擾動——這是目前我們唯一能想像到的一種可能。但從“宇宙中每時每刻都在產(chǎn)生大量高能粒子，而它卻已經(jīng)穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)卮嬖诹?37億年”這一點來說，由高能粒子來觸發(fā)宇宙毀滅的概率還是非常非常之低的。一些人擔(dān)心地球上的高能加速器，例如歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)，會觸發(fā)毀滅，就像前些年有人擔(dān)心對撞機(jī)會造出吞噬地球的微型黑洞一樣。其實這種擔(dān)心是多余的。因為目前對撞機(jī)上產(chǎn)生的粒子能量最高只達(dá)8萬億電子伏的量級，即使升級之后也只達(dá)13萬億電子伏，而宇宙中目前觀察到的粒子，能量最高的是人工產(chǎn)生粒子的10萬倍。要想在加速器上制造出如此高能的粒子，人類至少要在150年之后。
至于其他會觸動宇宙毀滅的因素，我們目前就不得而知了。
對宇宙認(rèn)識有限
我們一口氣把最壞的事情講完了，現(xiàn)在該來講點愉快的事情了。
上述的討論是建立在物理學(xué)家的計算基礎(chǔ)之上的，現(xiàn)在不妨反過來問一句：他們的計算可靠么？大家可以寬點心的是，計算其實也不見得完全可靠。
原因是，他們的計算是以物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型為基礎(chǔ)的。這個模型認(rèn)為，自然界的基本粒子只有61種：第一類是組成物質(zhì)的粒子，包括夸克、輕子（如電子）以及它們的反粒子。其中夸克18種，輕子6種，加上它們的反粒子共48種；第二類是傳遞相互作用的粒子，包括傳遞電磁力的光子、傳遞強(qiáng)核力的膠子等；第三類是讓基本粒子獲得質(zhì)量的粒子，即希格斯粒子。
但是大自然中的基本粒子真的只有這么多？或者說，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)把所有基本粒子“一網(wǎng)打盡”了么？如果沒有，那么單單根據(jù)這些粒子來計算宇宙到底處于穩(wěn)定還是亞穩(wěn)定態(tài)，得出的結(jié)論就是大可懷疑的。
雖然迄今還沒有實驗證據(jù)表明物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型存在漏洞，但至少自然界已經(jīng)出現(xiàn)它所解釋不了的一些事情，這就意味著它還遠(yuǎn)非盡善盡美。
第一件事情是暗物質(zhì)的存在，這種物質(zhì)占宇宙物質(zhì)總質(zhì)量的大約85%，但與已知的由基本粒子組成的普通物質(zhì)完全不同。譬如說，暗物質(zhì)跟普通物質(zhì)沒有電磁力和強(qiáng)核力作用，最多只存在引力和弱核力作用。組成暗物質(zhì)的粒子是什么呢？雖然這迄今是個謎，但可以肯定，它不在標(biāo)準(zhǔn)模型的61種基本粒子之列。
第二件事件是，實驗證明，中微子有微小的質(zhì)量，而標(biāo)準(zhǔn)模型中中微子是沒有質(zhì)量的。
第三件事情是，為什么自然界最弱的兩種基本作用力——弱核力和引力——強(qiáng)度相差那么大？比如在原子核尺寸的距離上，前者是后者的1032倍。而在其他三種基本作用力，即強(qiáng)核力、弱核力和電磁力之間，強(qiáng)度在量級上卻沒有相差這么大。這就是所謂基本作用力的“等級問題”，也是標(biāo)準(zhǔn)模型目前還解釋不了的。
為了解決這些難題，物理學(xué)家渴望突破標(biāo)準(zhǔn)模型，在各種新提出的理論中，希望最大的是超對稱理論。
超對稱粒子存在嗎？
在粒子物理學(xué)上，物理學(xué)家把粒子按自旋分成兩大類：一類是自旋為整數(shù)的粒子，叫玻色子，傳遞基本作用力的粒子和希格斯粒子都是玻色子。另一類是自旋為半整數(shù)的粒子，叫費(fèi)米子，組成物質(zhì)的粒子，如夸克、質(zhì)子、電子等等都是費(fèi)米子。
為什么要這樣分呢？因為玻色子和費(fèi)米子在過“集體生活”的時候，表現(xiàn)是很不一樣的。我們知道，在微觀世界里，粒子可以處于不同的狀態(tài)，物理學(xué)上是用一系列量子數(shù)來標(biāo)識這些狀態(tài)的。比如說在原子核外運(yùn)動的電子，首先所處的軌道可能不同，用軌道量子數(shù)來標(biāo)識這些軌道；其次，可能自旋朝向不同，所以又用自旋量子數(shù)來標(biāo)識自旋朝向……這就好比說我們用學(xué)校、年級、班級甚至座位等一系列特征來標(biāo)識一名學(xué)生一樣，學(xué)校、年級、班級和座位就相當(dāng)于標(biāo)識一名學(xué)生的“量子數(shù)”。
對于費(fèi)米子來說，它們在任何時候都不會有兩個處于同一個狀態(tài)；而對于玻色子呢，它們卻喜歡不分彼此地共處一態(tài)。打個比喻。假如用一系列掛著不同門牌號的房間來代表粒子的不同狀態(tài)。現(xiàn)在要安排一群粒子住進(jìn)去。如果是玻色子，它們就傾向于同住在一起，所以你會發(fā)現(xiàn)，最后它們?nèi)珨D在了一個房間。而要是費(fèi)米子呢，則傾向于每人各占一個房間，哪怕你一開始是讓它們同住在一起的，最后也要各自分開。
超對稱理論認(rèn)為，每一種粒子都有其超對稱伙伴，玻色子的超對稱伙伴是費(fèi)米子，費(fèi)米子的超對稱伙伴是玻色子。這里的“超對稱”是玻色子和費(fèi)米子一一對應(yīng)的意思。比如說，電子是費(fèi)米子，它的超對稱伙伴“超電子”應(yīng)該是玻色子；希格斯粒子是玻色子，它的超對稱伙伴“超希格斯子”應(yīng)該是費(fèi)米子……如此等等。當(dāng)然，這些超對稱粒子至今一個都沒發(fā)現(xiàn)。但超對稱理論認(rèn)為，可能這些超對稱粒子質(zhì)量都太大，需要在能量更高的粒子加速器上才能產(chǎn)生。這也是這次強(qiáng)子對撞機(jī)要升級的原因，升級完之后，最重要的一個目標(biāo)就是尋找這些大個頭的超對稱粒子。
超對稱理論據(jù)稱可以解釋弱核力和引力為何強(qiáng)度相差懸殊的問題，此外，超對稱粒子也是暗物質(zhì)粒子的理想候選者。
如果超對稱粒子真的存在，那么基本粒子大家族的成員就翻了一倍。這些粒子肯定也與“宇宙處在穩(wěn)定態(tài)還是亞穩(wěn)定態(tài)”這個問題密切相關(guān)。所以，哪怕目前的計算說我們的宇宙處于亞穩(wěn)定態(tài)，它遲早有一天要毀滅，但超對稱粒子一出現(xiàn)，說不定這個結(jié)論就翻盤了。
那么，現(xiàn)在我們就有雙重的理由樂觀了。
首先，目前頂夸克和希格斯粒子的精確質(zhì)量都還待定，預(yù)言宇宙將要毀滅還為時尚早。
其次，哪怕這兩個質(zhì)量精確測量出來了，而且計算結(jié)果表明，我們的宇宙的確處于危險的亞穩(wěn)定態(tài)，但這也還不能蓋棺論定，只要實驗證明超對稱粒子存在，那這個結(jié)論就依然有被推翻的可能。
頂夸克
標(biāo)準(zhǔn)模型認(rèn)為，像質(zhì)子、中子之類比較重的粒子是由3個夸克組成的?？淇朔稚?、下、粲、奇、底、頂6種。頂夸克最重，所以最難也是最后發(fā)現(xiàn)。它衰變很快，只存在十萬億億分之一秒，和構(gòu)成質(zhì)子的夸克不一樣，它的質(zhì)量很大，相當(dāng)于質(zhì)子靜止質(zhì)量的171倍。
| 上帝粒子或能解釋宇宙暴漲和暗能量 上帝粒子不僅決定宇宙未來的命運(yùn)，甚至可能影響到我們對宇宙很多方面的認(rèn)識。 眾所周知，我們的宇宙肇始于137億年前的一場大爆炸，這一點在今天已經(jīng)沒有異議。但單純的大爆炸還解釋不了以下兩個問題。 第一是，早期的宇宙密度必定非常大，引力非常強(qiáng)，那為什么這么強(qiáng)的引力阻止不了宇宙進(jìn)一步的膨脹呢？ 第二是，為什么今天的宇宙看起來如此均勻？近些年來，天文學(xué)家通過觀測證實，宇宙物質(zhì)的分布是非常均勻的?？墒窃谠缙诘奈⒂^宇宙中，物質(zhì)難免會有漲落，造成這一點跟那一點在密度上的微小差異。這一差異經(jīng)過后續(xù)的宇宙膨脹，就會被千百倍地放大。經(jīng)過這樣放大之后，要想在“成年”宇宙中保持物質(zhì)均勻分布幾乎就不可能了。這個道理就好比說，從一個成年人身上取走一個細(xì)胞，對他不會有任何影響，但要是在受精卵分裂階段取走一個細(xì)胞，那就可能被放大成身體的重大缺陷或畸形。 為解決這些問題，1980年代宇宙學(xué)家提出暴漲說。這個學(xué)說的大致內(nèi)容是：宇宙在大爆炸發(fā)生后不到10-35秒，即發(fā)生了一場急劇的膨脹，在不到10-33秒的時間內(nèi)，體積膨脹了1078倍，這就是所謂的暴漲期。暴漲把宇宙在不同點可能有的一切差異都給抹平了。經(jīng)過暴漲之后，宇宙才又漸漸恢復(fù)為正常的膨脹。 至于是什么東西讓宇宙暴漲的，宇宙學(xué)家一時可說不上，他們只是含糊地假設(shè)存在這么一種暴漲場。這種場是一種斥力場，所以能夠抵消引力場，推動宇宙急劇膨脹。 現(xiàn)在再回頭看粒子物理學(xué)方面。正文中提到，標(biāo)準(zhǔn)模型把所有基本粒子歸為三類。其中第二類是基本作用力的傳遞粒子，如光子、膠子等（因標(biāo)準(zhǔn)模型還沒有把引力統(tǒng)一進(jìn)來，所以不含引力子）。第三類則是希格斯粒子。第二、第三類粒子都是玻色子。 這樣的分法是有點奇怪的。你瞧，除希格斯粒子外，每一種玻色子都對應(yīng)自然界中的一種基本相互作用力，而希格斯粒子雖也是玻色子，卻沒有一種基本作用力與之對應(yīng)。希格斯場好像在基本粒子獲得質(zhì)量的那一刻起了一下作用，此后就度假去了，再也看不到它還發(fā)揮了什么影響。這好像不符合大自然物盡其用的一貫作風(fēng)。 所以，最近有科學(xué)家提出，推動宇宙暴漲的可能就是希格斯場。如今充斥宇宙空間的希格斯場，在宇宙還很小的時候，其能量密度必定是非常大的。如果再假設(shè)它是一種斥力場，或許就可解釋宇宙為何會暴漲。 此外，上世紀(jì)末天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)，我們的宇宙在加速膨脹。為了解釋這一現(xiàn)象，他們設(shè)想一種“暗能量”是幕后黑手。暗能量表現(xiàn)為排斥力，它部分抵消了引力，從而推動宇宙加速膨脹。那么我們也不妨猜測，暗能量會不會就是希格斯場呢？ 這一切當(dāng)然很讓人感興趣，但目前都還只是猜測。相信在未來歲月，隨著物理學(xué)家對上帝粒子的深入研究，對其性質(zhì)有了更多的了解之后，答案自然會水落石出。 |
