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微观质量的形成

2019年5月24日  来源:scottcgi 作者: 提供人:chengpan27......

微观质量的形成

质量——最根本的质量来源,由希格斯玻色子(自旋为0)传递。

就像规范玻色子传递力一样,希格斯玻色子传递的是质量。其过程是在希格斯场里,希格斯玻色子被量子化激发(类似电磁场的原理),通过自相互作用(自耦合)而获得质量。

希格斯场(Higgs Field)——是一种假定遍布于全宇宙的量子场。按照标准模型的希格斯机制,某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。

也就是说,希格斯玻色子在希格斯场里,吸收或辐射场本身,从而获得质量,然后希格斯玻色子再与基本粒子耦合,从而让基本粒子也获得了质量。所以,基本粒子与希格斯玻色子耦合越强,获得的质量就越大。

耦合(Coupling)——是指能量从一个介质,传播到另一种介质的过程。(后面会解读质量和能量的关系)

而根据标准模型理论(Standard Model),宇宙空间中的各处都充满了希格斯场,希格斯场引起自发对称性破缺,并将质量赋予——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)。

自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)——是指某些物理系统,遵守自然规律的某种对称性,但是其系统本身却不具有这种对称性。

关于自发对称性破缺,有一个简单的例子:

一个抛硬币系统,正反面是等概率的——这是自然规律的对称性,而一旦抛出硬币落地,正反面就确定了——此时系统本身的概率就不对称了。那么,抛硬币系统,就是遵守自然规律的对称性,但系统本身运作却不具有这种对称性。

可见,自发对称性破缺——是确定性,从概率的对称性中,随机显现出来,形成不对称性的过程——这就像是一个特定的现实,从数量巨大的一系列的可能性中,随机选择拼凑而来,如同上帝掷骰子的过程一样。

事实上,无限次抛硬币的统计结果,正反面又会是对称的了。

可见我们的世界,是对称中有不对称,不对称中有对称,这完全取决于整体与局部的相对视角,即:从不对称的局部上升到整体就会对称,再继续上升到局部就又会不对称,如此随着视角的上升——整体与局部的不断变化——而如此往复。

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规范和希格斯-玻色子的性质

光子、引力子——都没有质量,所以它们的速度都是光速。光子在电磁场中传递,引力子在引力场中传递。由于没有质量,它们传递的距离都是无限远,所以电磁力引力长程力

胶子——也没有质量,所以它也是光速,但它不在中传递,并且有一种叫做色荷属性。我们知道具有色荷的夸克,依靠传递胶子产生强力被束缚在一起,所以具有色荷的胶子之间也会强互相作用,即胶子本身可放出或吸收胶子产生强力。而正因为胶子之间的强力,束缚了胶子的传递距离,所以强力是一种短程力

事实上,胶子没有质量,其潜在的传递距离也是无限远,因此夸克之间的强力会随着距离而变强,致使夸克无法单独存在,必须和其它夸克组合在一起,使得总色荷为0,而这就是所谓的——夸克禁闭

W和Z玻色子——具有很大的质量(W-80.4 GeV,Z-91.2 GeV,是质子质量的100倍,比铁原子还要重),因此限制了它的传递距离,所以弱力短程力

而电弱统一理论(Unified Electro-Weak Theory),统一了弱力电磁力,这意味着弱力电磁力,是同一个互相作用的不同表现而已。所以,W和Z玻色子——既参与弱力,也参与电磁力,这意味着它与光子有着密切的关系。

希格斯玻色子——具有很大的质量(125.3GeV,比W和Z玻色子还重),只在希格斯场里发挥作用,它的作用就是把质量传递给,规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)。

希格斯机制的作用过程

在标准模型理论下,电弱统一理论结合希格斯机制(Higgs Mechanism),给出了希格斯玻色子——像上帝一般——创造质量的过程:

在能量非常高的时候,宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子(类似光子)和一个(复值二重态)希格斯场(类似电磁场)。

事实上,在量子力学里,真空并不是没有任何物质的空间,而是充满了虚粒子的。而虚粒子,会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置——产生可观测效应。

虚粒子——相对于实粒子,其无质量、无法直接观测到,但存在可观测效应,如卡西米尔效应。注意,只要能够观测到,就是实粒子,而不是虚粒子。

卡西米尔效应——是指真空中两片中性(不带电)的金属箔,在距离非常非常小的时候,会出现互相的吸力——也就是卡什米尔力,这在经典理论中是不会出现的现象。而产生这种吸力的原因,就是在金属箔之间的距离,小于真空中虚粒子的波长时(波粒二象性),虚粒子就无法存在于金属箔之间,从而金属箔外的虚粒子就会迫使金属箔相互靠拢。

可见,如果所有位置的虚粒子,都处在了最低能量态,那么空间就抵达了最低能量态,即量子真空态。

然而,试想希格斯场的性质和形式——像一个墨西哥草帽——由希格斯势函数描述,那么在草帽的顶部能量最大——具有旋转对称性,而在草帽的底部能量最小——不具有旋转对称性。

于是希格斯场,在能量最低的时候,每一个最低能量态位置——都在草帽的底部、都不具有旋转对称性,此时有无数个可能的简并能量最低态(对应希格斯场真空期望值不等于0),但在这无穷多个可能性中,只有一个最低能量状态会被随机到,接着,希格斯场的旋转对称性被打破——造成自发对称性破缺

简并——是指对于一个物理体系处于一个能级,所对应的可能的状态和相应波函数,并不是唯一的。

要知道,描述物理系统的方程,所具有的对称性——代表自然规律的对称性,是真空最低能量态不可能具有的,可最低能量态一定会被随机到(只要时间够长),从而造成自发对称性破缺

还记得,自发对称性破缺,意味着什么吗?——从随机到确定,概率给出结果,可能性变成现实,虚幻从虚无中涌现。

那么接下来,希格斯玻色子就从希格斯场的振动中被量子化激发(类似电磁场原理),通过自耦合产生。同时四种无质量规范玻色子,其中一个继续保持无质量——就是光子,另外三个会与希格斯玻色子耦合,产生了W和Z玻色子,即:W+、W-、Z0三个有质量的规范玻色子。

由此可见,胶子光子没有质量,是因为它们与希格斯玻色子不耦合。

另外,无质量的费米子在希格斯场中,与希格斯玻色子通过汤川耦合(Yukawan>。这就像在质量诞生之初,就预留好了,那一条质量的“转化”路径。

光子W和Z玻色子,就像是从对称到不对称、再到对称,再到不对称,如此反复过程中的两个矛盾之物——可以相互转化。其中,W和Z玻色子代表的质量,构建了万物——W+是正与阳、W-是负与阴、Z0是中性与平衡。

事实上,只要微观粒子(内部和之间)的弱相互作用减少——例如电子(属于轻子,参与弱力与电磁力)挣脱原子核的束缚——就意味着W和Z玻色子的传递交换减少,即质量的减少,这一定会伴随着不同频率光子的产生,而光子的能量可由E=hv(h是普朗克常量,v是频率)计算。

于是我们看到,微观粒子的衰变、裂变与聚变的过程,其实都是质量转化的过程,也是弱力与电磁力参与作用的过程,亦是W和Z玻色子减少光子增多的过程

而费米子构成的宏观物质结构,其本质还是来自于——质量,因为当质量消失之时,费米子及上层的一切物质结构都会一同消失。

最后,我们需要明确的是,W和Z玻色子的前身,是无质量的规范玻色子——戈德斯通玻色子(类似光子),接着它与希格斯玻色子耦合获得质量(形成W+、W-、Z0玻色子),而希格斯玻色子来源于希格斯场的(随机)自发对称性破缺,导致的量子化激发,最后希格斯场在宇宙中无处不在。

南部-戈德斯通定理(Nambu-Goldstone Theorem)——指连续对称性被自发破缺后,必存在零质量玻色粒子这一定论,此粒子被称为戈德斯通玻色子(或称南部-戈德斯通玻色子)。

所以,基本粒子(夸克、轻子(电子、中微子))是点粒子,也可以有质量,因为它们会受到空间中,随机从戈德斯通玻色子转变为W和Z玻色子的弱相互作用,只不过概率极小,致使质量极小。

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