希格斯粒子如何塑造我們的世界

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希格斯粒子如何塑造我們的世界

2012年07月04日 13:08來源：環球科學

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如果沒有希格斯粒子，世界將會完全不同！夸克和輕子之類的物質基本粒子將沒有質量。

如果沒有希格斯粒子，原子直徑就會有十幾厘米，甚至更大。

如果沒有希格斯粒子，世界將會完全不同！夸克和輕子之類的物質基本粒子將沒有質量。不過這並不意味著宇宙不包含質量。從標準模型中得出的一個觀點認為，質子和中子之類的粒子，其實是一類奇異物質的典型代表。宏觀物質的質量幾乎全部來自於構成該物質的原子，質子卻不同，構成質子的基本粒子總質量還不到質子質量的1/10。（實際上，質子中夸克的質量連質子質量的2%都不到。）質子的大部分質量來自於將夸克約束在很小體積中的那部分能量（通過愛因斯坦質能方程m=Ｅ/c2可以把能量換算為質量）。中子也是如此。由於宇宙中的發光物質主要是質子和中子構成的恆星，因此宇宙中幾乎所有的可見質量都來源於禁錮夸克的能量。不過這種觀點的價值目前還沒有得到充分的認同。

也許有人認為，由於電荷本身攜帶有能量，帶正電的質子應該比不帶電的中子更重一點。然而在現實世界中，中子卻比質子稍重。這個重要的細節，就必須用夸克擁有質量來加以解釋。如果沒有希格斯粒子，夸克的質量為零，質子就會比中子更重，放射性β衰變的反應過程也會顛倒過來。在現實世界裡，一個脫離原子核的中子，平均會在15分鐘內衰變為一個質子、一個電子和一個反中微子（antineutrino）。如果夸克的質量消失，自由質子就會衰變為一個中子、一個正電子和一個中微子。因此，氫原子將不復存在。最輕的「原子核」將是中子，而非質子。

在標準模型中，希格斯粒子將電磁力與弱相互作用區別開來。如果沒有希格斯粒子，夸克和膠子之間的強相互作用將擔起這一「重任」。強相互作用把有顏色的夸克約束在沒有顏色的質子之中，因此也可以區分電磁力和弱相互作用，給W和Z玻色子賦予較小的質量，而讓光子質量仍然為零。強相互作用不會給電子和夸克賦予任何質量。在這種情況下，β衰變的速度將比現實世界快幾百萬倍。

在沒有希格斯粒子的宇宙里，一些輕原子核會在宇宙早期形成，並留存下來，但它們絕不會形成我們所熟悉的原子。原子的半徑與電子質量成反比，如果電子質量為零，現實世界中直徑不超過1納米的原子就會變得無窮大。即使其他效應給電子賦予了極小的質量，原子也會變成一種「宏觀物體」。在一個連原子都如此巨大的世界裡，化學過程將不可能發生，固體和液體之類的穩定物質狀態也將不可能存在。