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第31章 任务 杀死神人之子31（第1页）

这个世界是由物质组成的，而在不同的物质之间，有着各种相互作用，这种作用，物理学家就用“力”来表示。不过长期以来，人们只知道两种“力”的存在，就是我们之前说的，我们在中学里学到的两种。一种是万有引力，任何两个有质量的物体之间，都存在着相互吸引的万有引力。还有一种就是电磁力，它和引力有点不一样，不但会吸引，还会排斥。你肯定知道磁铁之间同性相斥，异性相吸，这中间就是电磁力的作用。

不过20世纪以来，物理学家发现了“原子”的存在，这就为我们认识世界打开了一扇新的大门。但物理学家发现了一个很奇怪的现象。在高中物理课上，咱们都学过，原子核是由质子和中子组成的，其中中子不带电，质子带正电。但你有没有想过，电磁力是同性相斥啊。那为什么那么多的带着正电的质子，都挤在原子核里面，却没因为电磁力互相排斥而弹开呢？这里肯定有一种全新的，我们不知道的力，它比电磁力还要强。只有这样，才能把很多同样带正电的质子，强行聚集在原子核里面。这种比电磁力还要强的力，科学家就给它起了一个名字，叫作“强相互作用力”，简称“强力”。

发现强力之后不久，人们很快就又发现了另一种力。它的强度比电磁力要弱，所以自然而然，大家就顺理成章地给它起名叫作“弱相互作用力”，也就是弱力。弱力有什么作用？科学家发现，它是造成原子产生放射性的原因。比方说，我们知道著名的放射性元素镭，就是居里夫人发现的那个。它的原子核会不断放射出射线，然后裂变成其他元素的原子。为什么原子核会发生这种变化呢？这就是弱力在其中作用的结果。

到此为止，科学家就发现，原来在宇宙里存在着4种不同的力：引力、电磁力、强力和弱力。其中任何一种力，对这个世界来说都是很重要的。引力就不说了，我们都很熟悉。电磁力呢，是电力和磁力的统称，它能让原子聚拢成分子，分子聚拢成物质。如果没有电磁力，我们的身体都会四分五裂。

强力和弱力同样也不可或缺。没有强力，质子就根本不可能被聚集在原子核里，也就不能形成绝大多数的物质。至于弱力，也同样重要。比方说，太阳之所以能够稳定地持续燃烧，为地球的生命提供源源不断的能量，那就主要依赖于弱力的作用。

因为太阳的燃烧实际上是一种核聚变。在太阳内部，两个质子聚集到一起，变成了氦的原子核，同时释放出能量。在这个过程里，两个质子都带有正电，本来很难撞到一起。但是多亏弱力的作用，其中的一个质子会偶然变成中子，这才能跟另一个质子结合起来，走出聚变的第一步。

而且，我们还要感谢弱力非常之“弱”，所以这种转变只能慢慢发生，太阳才有长达一百多亿年的寿命，不至于一下子就燃烧殆尽。总而言之，没有了任何一种力，我们的宇宙就不会是这个样子，我们也就不可能存在。

更有意思的是，强力和弱力解释了一件非常重要的事情。就是为什么宇宙万物会有“质量”？这个质量，差不多就是我们平时所说的“重量”，咱们在这里不细抠概念。比方说，为什么一个人体重是150斤？你可能从来也没想过这个问题，这不是天经地义吗？有什么值得问的？

但实际上，在物理学家眼里，“质量”是一个很神秘的东西。在宇宙里，大部分的质量都集中在原子的原子核里面，而原子核又主要是由质子和中子构成的。所以，如果不算暗物质的话，可以说质子和中子集中了宇宙里绝大多数的质量。

然而，质子和中子并不是最基本的，后来人们发现，它们都由一种更加基本的粒子组成，这种粒子叫作“夸克”。做出这个发现的物理学家叫作盖尔曼，他就是加州理工出来的。盖尔曼就发现，不管是质子还是中子，都由3个不同的夸克组成。

然而有趣的是，如果你仔细计算的话，你就会惊奇地发现，质子和中子的质量，竟然并不等于组成它们的3个夸克之和。换句话说，如果把质子的质量比作1千克，那么，组成它的3个夸克的质量加起来差不多只有10克，仅占质子质量的1%。这就奇怪了，那质子其他99%的质量是从哪里来的呢？

答案就是强力。我们99%的体重，实际上就来自于夸克之间强力的转换。在质子内部，强力以非常巨大的能量把3个夸克聚合在一起。我们知道，爱因斯坦有一个著名的质能方程E=mc^2，也就是能量等于质量乘以光速的平方。能量和质量可以相互转换。强力的这些能量，根据公式，就可以计算为对应的质量。这就是质子和中子99%质量的由来，也可以说是，我们宇宙万物99%质量的由来。

不过，这转换来的99%还不是最困扰科学家的，剩下的那1%，才是真正的麻烦。我们刚刚说，如果质子的质量是1千克，那组成它的3个夸克的质量只有10克。那为什么说这10克的质量才是真正的麻烦呢？因为在物理学家看来，这些粒子根本就不应该有质量！按照物理学家的理论预言，夸克也好，电子也好，统统都应该是质量为0的基本粒子！这是一个长期困扰物理学界的难题，而它的最终解决，就牵涉到我们最开始讲的那个神秘的名词，希格斯玻色子。接下来就是我们要讲的第二部分，什么是希格斯玻色子？为什么它是构成我们世界的关键所在？

你可能觉得，这是一个无理取闹的问题，“质量”难道不是宇宙万物最基本的性质之一吗？可是，在物理学家看来，还真不是这样。这里牵涉到一个很基本的物理学理论问题，就是物理学家认为，各种基本粒子，它们实际上都可以用同一个理论框架去描述，这个理论框架叫作“规范场”。

“场”在物理学里面，是一个非常重要的概念。比方说引力其实是通过引力场发生作用的，电磁力则是通过电磁场。规范场也一样。在这里，咱们不详细解释什么叫作规范场，因为里面牵涉到非常高深的数学理论。简单而言，你可以想象这是一套通用的规则，只要设定不同的初始参数，这套规则就可以对应于各种不同的对象

所以你看，这个理论框架非常神奇，只要设定不同的参数，它就恰好能够对应自然界的三种不同的力。也正因为此，物理学家毫不怀疑，这个框架肯定是正确的。

然而呢，这个理论有一个致命的缺陷。就是它没法解释为什么各种基本粒子会有“质量”！比方说，在规范场的理论框架看来，各种力的作用模式其实是类似的，它们都类似于把某种粒子扔来扔去而造成的结果。比方说，电磁力的本质，就是两个电子之间互相把光子扔来扔去。类似的，强力是把称作“胶子”的东西扔来扔去。所以把胶子互相扔来扔去，产生的强力就像胶水一样把夸克粘在一起。同样道理，弱力是把两种称为W和Z的玻色子扔来扔去。你看，原理都是差不多的。

既然原理差不多，各种不同的力对应的粒子，它们的性质也应该差不多。比如科学家已经知道，在电磁力里面，被扔来扔去的光子，是一种静质量为0的粒子。那按照规范场理论，弱力里面相对应的、被扔来扔去的那两种玻色子，质量也应该为0。但奇怪的是，事实并非如此。在弱力里面，被扔来扔去的玻色子是有质量的，而且质量还不小。正因为这样，弱力没法传递得很远，它只有在很近的距离上才能发生作用，而不像电磁力那样，有着很远的传播范围。

这就让科学家百思不得其解了。理论和事实不符，是规范场理论错了吗？为此，科学家不得不假设，在宇宙里还存在着一种我们以前不知道的，神秘的场。各种不同的粒子与这个场发生作用，于是就产生了不同的质量。这个场，就被起名叫作“希格斯场”。

那这个“希格斯场”，是怎么让各种基本粒子有了质量的呢？你可以想象一个很大的音乐广场，里面到处都站着狂热的粉丝。不过，这些粉丝对于不同的人会做出不同的反应。如果你只是一个路人小透明，你大可以安安静静地穿过这片广场，不会受到任何阻碍。粉丝们压根就懒得理睬你。不过如果你是一个大明星，那情况就完全不同了。不论你走到哪里，狂热的粉丝都会扑到你的身边。你的名气越大，扑上来的人就越多。

从物理上讲，静质量为0的光子就相当于一个毫无名气的小透明。它跟希格斯场不发生任何作用，所以可以自由穿梭在空间里，始终保持本身静止质量为0。而电子和夸克就不一样了，它们是有点“名气”的人。所以希格斯场会在它们身上产生效应，就像是粉丝扑到你身上一样，于是就产生了不同的“质量”。名气越高，扑上来的粉丝就越多，你的质量也就越大。如果都是明星，那夸克的名气就比电子大，所以它的质量也比电子大。

就这样，通过希格斯场的假设，物理学家们解释了各种基本粒子质量的由来。但是科学最重要的是讲证据。我们还需要切实的证据，才能证明这个希格斯场真的存在。这个证据是什么？这就是我们一直提到的，很重要的那个粒子，就是希格斯玻色子。

希格斯玻色子是什么东西？它其实是希格斯场在变化过程中，产生的一种粒子。我们还是把希格斯场想象成广场上的粉丝，这些粉丝会原地转来转去，寻找明星的出现。每个粉丝手上都拿着一根荧光棒，随着他们的转动，你在各个方向上都可以不断地看到荧光棒发出的闪光。这种闪光就是希格斯玻色子。总而言之，希格斯玻色子是希格斯场的产物。如果我们发现了希格斯玻色子，就可以直接证明希格斯场的存在，这就是它的重要意义所在。

不过，发现希格斯玻色子可不是一件容易的事。因为这种粒子衰变得很快，它一出现，迅速就会变成其他粒子。而且，我们并不知道希格斯玻色子本身的质量到底是多少，所以它究竟会衰变成什么粒子，我们也不能确定，只好一个个地去试。这好比大海捞针，你要把所有的可能性都检查一遍，可想而知是多么困难。

科学家提出希格斯玻色子的猜想是在1964年，然后整整有48年的时间，科学家一直在苦苦寻找这个粒子的踪迹。因为等待的时间实在太漫长了，诺贝尔物理学奖得主莱德曼甚至在他的书里，把这种粒子称为“该死的粒子”。该死的，英文就是Goddamn，但这是个粗话，所以在出版的时候，编辑把这个词改了。把后面的damn去掉，只剩下God。God就是上帝，所以希格斯玻色子就莫名其妙地被叫作了“上帝粒子”。实际上它跟上帝半点关系也没有。

不过有意思的是，这个词在大众中间却非常受欢迎。大家虽然不知道“希格斯玻色子”是什么东西，但一听“上帝粒子”，就觉得很高大上。你可别小看这个绰号，之前美国议会曾经投票否决了超级加速器的建造，就是因为议员们根本不理解希格斯玻色子究竟是个什么东西，为什么要花100多亿美元造个机器来发现它。而自从它有了“上帝粒子”这个称号之后，加速器在欧洲通过审核就顺利了很多。大家一听，这个加速器原来可以发现“上帝粒子”，不得了，虽然有点贵，但也值了。所以，为什么大型强子对撞机不造在美国，而是欧洲，最后也是欧洲核子研究中心发现了希格斯玻色子，跟它这个拉风的绰号还真不能说没有关系。

以上是我们解读的第二部分，我们讲了希格斯玻色子可以证明希格斯场的存在，而希格斯场是基本粒子具有“质量”的源头。不过，除了解释质量之外，希格斯场在物理学上还有更重要的意义，这就是我要为你解读的第三部分：为什么说希格斯玻色子是物理学最重要的发现之一？因为它是物理学走向“大一统”的关键所在。

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