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希格斯场(没有希格斯场的存在,人类随便一跑就是光速吗?)

1、没有希格斯场的存在,人类随便一跑就是光速吗?

希格斯场一种神奇的存在,如果没有它,我们的世界将会怎样呢?

粒子物理中有一个特别的理论,认为希格斯场弥漫在真空中并且赋予基本粒子以质量,包括W&Z波色子、电子、夸克以及其他粒子。如果确实如此,那么当希格斯场消失后粒子就只能以光速运动。当然,空间内的希格斯场是无处不在不会消失的。当你正在看手机时,你的目光正在穿过希格斯场:光子没有和希格斯场发生作用,依旧按光速传播。希格斯场实际上非常奇特。

希格斯场无所不在,会和粒子发生作用从而赋予粒子以质量,这种质量会导致粒子在空间中的飞行速度小于光速—比如电子。但是粒子会继续无阻力运动:根据牛顿定律,没有外力作用时粒子会保持匀速直线运动。如果我们意识到粒子的能量决定其速度,那么就能得这个谜团的部分解答;因为希格斯场是真空的最低能量状态,所以粒子和希格斯场之间无法进行能量交换,因此粒子也会保持速度不变。

而相对于希格斯场的速度的绝对值也是不可能被测定的。就像超导性和磁性这些最低能态只能存在于足够低温的条件下,充满希格斯的真空也是一种在足够“低”温度下存在的最低能态,而这个“低”代表10摄氏度!在10摄氏度以上,理论上认为宇宙的基态不包括希格斯场。在宇宙大爆炸发生后的万亿分之一秒,宇宙温度高于这个值,而希格斯场从这时开始才充满真空,并赋予基本粒子以质量。

就像电磁场中发生涟漪产生量子包一光子,希格斯场会产生希格斯波色子。在鸡和蛋理论下,希格斯波色子本身会感知到弥漫的希格斯场从而具有质量。希格斯理论认为,希格斯波色子质量非常大,约为氢原子质量的1000倍。根据量子测不准原理,虚拟的希格斯波色子在真空中做内外波动,如果精确测量真空对于粒子(比如电子)的影响以及力载体W和Z波色子的性质,就会发现它们都会受到虚拟的希格斯波色子的影响。将所有这些研究结果汇总,会发现希格斯波色子似乎比之前想象的要轻,也许只有氢原子质量的150倍。

在CERN欧洲核子研究组织有一条磁性环长达27千米,可以约束高速质子,当高速质子相互对撞会产生一种适宜波色子生成的环境。这个加速器称为“大型强子对撞机(LHC),经过十年的艰苦建设于2007年完成。这个实验可能需要数月来完成,而之后的数据分析和提炼更需要数年,它将继续为我们揭示这个上帝粒子的神秘面纱。

希格斯波色子被称为上帝粒子一点不为过,因为它赋予了基本粒子的质量,假设没有希格斯波色子的存在,那么电子,原子,分子大到宏观世界都不存在质量,那我们真是一抬脚就超光速,这个假设的前提是我们的世界还依然健在!

2、希格斯场或希格斯玻色子是不稳定还是亚稳态的?

希格斯玻色子才是不稳定的。虽然是基本粒子,但它仍会衰变成更简单的粒子。它在1964年的PRL对称破缺论文中被提出,并于2012年在LHC中被发现。希格斯玻色子是标准模型的一部分。然而,我们知道主要焦点是希格斯场本身。宇宙中的一切都是由场组成的,包括希格斯粒子。

亚稳态的问题。我们推论希格斯场在早期宇宙中是亚稳定的,你可以在墨西哥帽势中看到。通过速子凝聚(与弦理论中的速子无关),希格斯场下降到一个较低的能量势,从而导致电弱力的对称破缺。这是彼得·希格斯和其他人在1964年提出的理论。

有一个理论叫做假真空理论,它表明我们可能生活在一个假真空状态的量子场。根据我的理解,这个场不是希格斯场,而是电弱场。这些关于电弱稳定性的理论可以追溯到1979年[6]。这些理论依赖于希格斯玻色子和顶夸克的质量。最近的计算(2018年)表明,我们可能生活在一个错误的真空状态[7](下图)。

在电弱力量子隧道的能量密度状态下,我们将到达真正的真空,尽管这对宇宙视界内的一切都是灾难性的。很明显,这句话可能没有任何意义。基本上,电弱场有一个能量密度,这个能量密度状态处于能量密度图的局部最小值。

然而,真正的真空态处于较低的能量密度态,也就是在图中的绝对最小值。随机量子隧穿事件可以导致能量密度态降低。当电弱场的能量密度达到真正的真空状态时,在事件发生的地方就会爆炸一个气泡。这个气泡以光速膨胀,在其运行过程中摧毁了宇宙中的一切。首先我要声明,我不是一个粒子物理学家,我不会屈服于任何回答这个问题的人,但我的理解是,这实际上是两个独立的问题。希格斯场是自然界中普遍存在的基本场之一,而希格斯玻色子则是该场的局域激发。

希格斯玻色子是一种不稳定的粒子,平均寿命约为10 – 22秒。

在我的理解中,希格斯场是否不稳定是目前研究的问题,也就是说,希格斯场目前是否稳定是未知的。我相信理论上希格斯场在大爆炸后是不稳定的,然后发现了一个新的平衡,非零的期望值。这究竟是最终的、最低的能量态,还是我们可能会期待过渡到一个更低的能量态(正如我们所知,完全毁灭宇宙),目前还存在争议。我想我希望那些认为我们现在处于最低能量态的人是对的。

3、无质量的粒子究竟是怎么存在的?

我们知道,赋予宇宙万物质量的希格斯玻色子不仅是一个粒子,也是一个场。我们需要知道的第一件事是,场和粒子是不同的东西。因此,现在是时候了解了。基本粒子,包括希格斯玻色子,是如何获得质量的?这里有一个图像的比较。希格斯场就像雨,一场持续的、无处不在的、不可避免的雨,任何物质粒子都没有地方可以保持 “干燥”。就像没有办法逃避重力一样,也没有办法逃避这场雨,这就是希格斯场。它像一个与基本粒子相互作用的机制一样渗透到了一切。

如果我们把基本粒子比作干燥的、几乎没有质量的、形状各异的海绵!那么,希格斯场的作用就会越来越大。因此,如果没有希格斯场,所有基本粒子都会像下图中干瘪的无质量海绵一样。但是我们没有办法阻止这些海绵被雨水浸泡,所以它们会携带一定量的水,而这些水会赋予它们一定的质量。有些海绵只能携带少量的水,而有些海绵可以膨胀到原来的许多倍,携带大量的水,产生不同的质量。

因此,质量最大的基本粒子是那些容易与希格斯场耦合的粒子,它们就像海绵一样,在雨中膨胀最大,携带的水也最多。在所有粒子中,只有两个是真正无质量的,所以它们根本不与希格斯场耦合:光子和胶子。光子和胶子也可以用无质量的海绵表示,表明它们是防水的海绵。

所以,希格斯场是雨,而所有的粒子就像大小不一的海绵。如果没有水,我们就不会有装满水的水球了! 同样,如果没有希格斯场,就不会有希格斯玻色子。但水来自希格斯场,水也装满了气球,那个水气球就是希格斯玻色子:希格斯场给所有与希格斯场结合的粒子以质量,包括希格斯玻色子本身!这就是希格斯场。没有水,气球和海绵就没有质量,没有希格斯场,希格斯玻色子和所有其他基本粒子就没有内在的质量。

4、希格斯场或希格斯玻色子是不稳定的还是亚稳定的呢

希格斯玻色子是不稳定的,并且衰变成玻色子(γγ,ZZ*, WW*),并且有明显的证据衰变成费米子(bb,ττ)。因此,希格斯玻色子是标准模型预测的自旋为0,奇偶校验为+的粒子,其质量约为126 GeV。

假设的标准希格斯粒子的质量可能会带来毁灭性的后果。它可能会宣告我们所熟悉的宇宙的终结——如果没有迄今未知的物理效应阻止它的话。这种世界末日般的猜测已经存在了一段时间,但希格斯粒子的质量和迄今为止对希格斯粒子潜力最精确的计算,现在证实了这种悲观的预言。这些计算是由Alessandro Strumia完成的。希格斯玻色子质量为126 GeV,顶夸克质量约为175 GeV,这意味着宇宙的真空状态在一个狭窄的亚稳性上达到平衡。

如果希格斯粒子的质量稍微大一点(或者顶夸克的质量稍微小一点),那么真空就不会衰减。如果情况正好相反,那么宇宙就完全不适合生命存在,而且没有任何结构。如果希格斯粒子的质量大于150gev,它会与自身发生强烈的相互作用,没人能计算出会发生什么。一些物理学家甚至认为这个理论在这个领域是不一致的。也许这样的宇宙根本就不存在。

因此,在标准模型的框架中,希格斯粒子的实际质量可以作为遥远世界尽头的指示器,因为目前宇宙的基态并不是能量最低的状态。因此,它必须在相变中衰变并释放出巨大的能量。原则上,这在任何时候、任何地方都可能发生。然后,以光速快速的湮灭浪潮将向四面八方扩散。所有现存的结构都会消失,甚至自然的常数也会有不同的值。

但据Strumia和他的同事们说,到那时还需要很长一段时间——可能是10^100年。到那时,所有的恒星无论如何都会灭绝,甚至黑洞也会被量子效应摧毁。相比之下,大爆炸发生在138亿年前,所以现在的宇宙“只有”10的10次方岁。然而,估计真空半衰期为10的100次方年只是一个统计值,因此不能排除这种相变已经在某个地方开始,并将在没有任何警告的情况下很快到达太阳系的可能性。

测量到的希格斯粒子质量很特别,因为它非常接近稳定和亚稳态之间的边界。也许有一个特殊的原因。有许多复杂的系统会朝着它们不稳定的极限发展,比如沙堆或金融市场。希格斯粒子的质量和相互作用可能表现相似——在这种情况下,它们不会是自然常数。但这只是一个模糊而疯狂的想法。Strumia的预测是,如果你将标准模型外推到尚未测试过的更高能量,真空并不完全稳定,但没有人知道这意味着什么。也许目前的理论还不完整。

在标准模型中,似乎是对我们的宇宙的长期死刑判决,反过来,也可以被解释为超出这个模型的新物理的指示。因此,物理学家们自20世纪70年代以来一直在为标准模型的扩展而争论不休。根据超对称性(SUSY)理论,物质粒子与力载体之间存在着深刻的关系。这将伴随着一大群新粒子。这些超对称粒子,被称为费米子和波西诺,不仅可能解释宇宙中不祥的暗物质。它通过自身的引力使人感到它的存在,它的质量几乎是我们所熟悉的物质的六倍。超对称性粒子将稳定希格斯粒子的电势。如果这是真的,宇宙终究不会灭亡。

5、光子为什么不会被希格斯场赋予质量

为什么某些基本粒子带有质量,而某些基本粒子的质量为零?根据希格斯机制,基本粒子是因为与遍布于宇宙的希格斯场耦合而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动,是希格斯场存在的明确证据,就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。根据量子场论,所有万物都是由量子场形成或组成,而每一种基本粒子则是其对应量子场的微小振动,就如同光子是电磁场的微小振动,夸克是夸克场的微小振动,电子是电子场的微小振动,引力子是引力场的微小振动等等。在规范场论里,为了满足局域规范不变性,必须设定规范玻色子的质量为零。由于希格斯场的真空期望值不等于零,造成自发对称性破缺,因此规范玻色子会获得质量,同时生成一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子,而希格斯玻色子则是伴随着希格斯场的粒子,是希格斯场的振动。通过选择适当的规范,戈德斯通玻色子会被抵销,只存留带质量希格斯玻色子与带质量规范矢量场。标准模型中的希格斯机制,就解释粒子质量而言,只是把问题转移去解释一种假想的出让质量的粒子(希格斯玻色子)的性质。粒子找到了,性质测量了, 但本质上只是标准模型的输入数据,弦理论并不能解释它们。或者说,由于点粒子是一种理想化描述,标准模型虽然能解释许多现象,但解释不了基本粒子的属性,因为真实世界的基本粒子是有空间大小的。

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