[“神話”物理系列(一)] 唔「上帝」嘅「上帝粒子」(The not so ‘holy’ ‘God particle’)

「♪ sing hallelujah…sing hallelujah…sing hallelujah to the lord…♪」

由於近月示威強大僧侶部隊嘅不停洗腦,小弟最近腦海不時響起哩首聖詩嘅旋律,感覺開始出現幻聽同有啲思覺失調…有見及此,「受神感召」下,小弟決定開始「神話」物理系列,用物理學「傳教」,向大家介紹同討論一下物理學中嘅「神獸」同「鬼神」啦!第一炮當然就係講解物理學中嘅「上帝」—「上帝粒子」啦!


「上帝粒子」係乜?(What is God particle?)

喺2012年,參與CERN大型粒子對撞器(Large Hadron Collider, LHC)實驗嘅CMS同ATLAS團隊終於宣布發現咗物理學界一直搵咗好耐嘅希格斯粒子(Higgs particle),亦即一般人從科普聽過、傳媒口中「萬能(?)」嘅「上帝粒子」。哩個發現亦理所當然咁令最先提出同建立希格斯粒子理論模型嘅理論物理學家希格斯(Peter Higgs)恩格勒(François Englert)獲得2013年嘅諾貝爾物理學獎#[1]。

#其實當年同一時間仲有理論物理學家基博爾(Tom Kibble)古拉歷(Gerald Guralnik)哈根(Carl Hagen)佢哋嘅團隊獨立研究同提出相類似嘅模型方案[2]。不過由於有各諾貝爾獎每年得獎者最多只可以得三位哩條不合時宜嘅規矩,佢哋最終被評審「放棄」,冇入到得獎名單…所以(理論物理)學界一直有個笑話,話如果你想攞諾貝爾嘅話,你發表論文時千祈唔好落多過3個人名,好似係 [sosad]


希格斯粒子可以話係理論粒子物理學標準模型(Standard Model)嘅最後一塊拼圖,解釋咗現實世界中好似夸克(quark)、電子等有質量嘅基本粒子佢哋嘅質量點嚟。希格斯粒子係玻色子(bosons)嘅一種,係量子純量場希格斯場(Higgs field)嘅激發態。純量場(scalar field)係物理場嘅一種,好似一個空間入面嘅溫度或氣壓咁就係簡單嘅純量場例子。希格斯粒子模型背後機制涉及自發對稱破缺(spontaneous symmetry breaking),而本身應該冇質量嘅基本粒子就係通過同希格斯場嘅耦合先至變成有質量。

「上帝粒子」哩個希格斯粒子嘅暱稱係出自理論物理學家利特文(Leon Max Lederman)佢本科普著作《上帝粒子:如果宇宙是答案,那麼問題是什麼?》[3]。佢之所以改哩個名係因為佢認為希格斯粒子喺「當今物理學中處於極為中心嘅位置,對我哋理解物質嘅結構極為關鍵、又極之難以捉摸」,不過更多係因為出版社唔畀佢用另一個更貼切嘅名—「該死的粒子(Goddamn Particle)」,好似係。結果傳吓傳吓,坊間個個都叫希格斯粒子做「上帝粒子」,冇人「再記得」希格斯…雖然哩個暱稱的確好「吸睛」,成功令更多人注意同引起大眾嘅興趣,不過事實上希格斯粒子又係唔係真係咁「神」,解釋到物理學上所有嘅謎團呢?


「上帝粒子」有幾「神/唔神」?(How powerful/“holy” is “God particle”? Or is it?)

希格斯粒子雖然係標準模型好重要同關鍵嘅一環,但「上帝粒子」哩個名其實改得好差,過份神化咗佢嘅地位,做成咗唔少誤解。(所以小弟成日都話唔好叫物理學家幫手改名…)事實上希格斯粒子並唔係好似坊間媒體所描述到咁神奇同萬能,甚至吹到能夠解釋宇宙一切物質質量嘅起源。


大家啱啱接觸物理嘅時候,一般都會認為質量*係物件或基本粒子嘅基本物理參數,好似你個姓咁,天生定咗係咁就係咁,冇咩好解釋(除非你係好似《三國演義》入面呂布咁嘅三姓家奴)。不過事實真係咁?質量雖然睇落好似係「天生」,但如果冇咗希格斯機制,標準模型其實係唔容許基本粒子有質量㗎!所有基本粒子本身其實係應該好似光子咁,係冇質量同以光速任意喺空間穿梭先啱。

*哩度講嘅質量係靜止質量(rest mass)或不變質量(invariant mass),唔考慮相對論性質量(relativistic mass)。而相對論性質量其實嚴格上亦唔係正確嘅質量概念嚟,而且質量理論上仲有分慣性質量(inertial mass)同重力質量(gravitational mass)兩種

點解唔可以有質量?咁係因為標準模型背後嘅對稱性。之前小弟喺另一篇拙文都講過,理論物理學建構模型嘅時候,最重要嘅考慮係理論模型嘅對稱性[4]。模型嘅對稱性係建構理論時嘅「藍圖」,對稱性決定咗理論模型嘅框架,限制咗有乜嘢項係容許,有乜係唔容許。根據標準模型中描述基本粒子嘅量子場佢哋嘅定域規範對稱性(local gauge symmetry),基本粒子本身嘅質量一定要係0先得,如果唔係就違反咗模型嘅規則。你係唔可以強行為基本粒子加上質量參數,始終物理學係講邏輯同規則嘅,唔似強國或港共咁鍾意破壞規矩,制訂完規則之後自己又唔遵守。

咁啲基本粒子嘅質量由邊度嚟?答案就係通過同其他物理場嘅耦合作用衍生出嚟,而哩個物理場當然就係希格斯場啦!試諗吓你係一位名星:就算你本身好似保特咁身輕如燕,但因為你有知名度,去到熱鬧嘅酒吧或公眾場地時你會被群眾包圍。結果係你唔能夠行動自如,會帶著好多「拖油瓶」,變到「好重」、「好累贅」。至於幾受影響係同知名度、群眾有幾狂熱有關,如果你只係一位奀星或甚至係毒撚嘅話其實係唔會有太多影響。喺哩度群眾=希格斯場,名星=基本粒子,知名度=耦合作用嘅大小,而群眾狂熱程度對比就係希格斯場嘅值。不過當然哩個只係形象化、簡化咗好多嘅比喻嚟。

由於基本粒子質量係因為希格斯機制產生出嚟嘅後天結果,所以哩個情況冇破壞到定域規範對稱性嘅模型框架。事實上希格斯機制係物理學自發對稱破缺嘅其中一個例子。乜嘢係自發對稱性破缺?就好似重力咁,理論本身係冇篩選或特別強調某一個方向。我哋之所以會分得出上下兩個方向,其實係因為地球哩個自然衍生出嘅物理形態破壞咗理論本身嘅對稱性。希格斯機制嘅自發對稱性破缺就係透過佢自己,好似上面幅圖咁嘅墨西哥帽形狀嘅希格斯勢(Higgs potential)引發。高能量嘅時候,希格斯場會處於帽頂,佢嘅值會好細、接近0而且同時帶有旋轉對稱性。哩個情況基本粒子質量會係0,定域規範對稱性冇被破壞。不過就好似山頂上嘅一粒波咁,哩個高能量情況係極之唔穩定,少少波動就會令希格斯場沿著引力勢跌落下面低能量、穩定嘅物理態。哩個時候希格斯場處於最低能量態,冇旋轉對稱性,場嘅數值亦唔係0,結果就出現自發對稱破缺現象,導致基本粒子嘅質量=/=0。

簡單有關規範對稱性、發現希格斯機制同希格斯粒子嘅過程講解可以睇下面《媽咪說》嘅短片(蝗語勿屌)

另外有興趣想了解更多希格斯機制背後嘅物理原理可以睇下面《Sixty Symbols》嘅一系列影片 (英文)

(加長版,長片慎入)

「你太肥其實唔太關希格斯場事」(Don’t blame you being overweight on Higgs field!)

除左「唔太上帝」外,坊間另一個常見誤解就係以為宇宙一切物質所有質量都係源自希格斯粒子。雖然基本粒子嘅質量係由希格斯機制帶嚟,但咁唔代表宏觀世界我哋睇到所有嘢嘅質量都係咁嚟。相信大家都聽過E=mc^2啩?哩條式正確其實應該理解成質量=能量,質量其實係表達一樣嘢有幾多能量嘅物理參數。

宏觀世界我哋日常生活見到嘅物件係由原子組成,而當中嘅原子核就係由中子、質子結合而成。而當再細分落去,冇錯中子同質子係由上夸克同下夸克哩啲基本粒子組成,但係其實啲夸克只係佔整體質量嘅1%。事實上中子同質子嘅質量絕大部分係源自夸克嘅動能同入面與夸克有相互作用,綑綁住夸克嘅膠子場(gluon field)嘅能量,我哋統稱哩啲能量做量子色動力學(quantum chromodynamics)嘅結合能。至於宏觀物件嘅質量絕大部分就嚟自中子同質子結合成原子核嘅結合能。

詳細有關哩個誤解嘅討論可以睇吓[5]同下面《Veritasium》嘅講解(英文):

總結:希格斯粒子唔係「上帝」,亦唔係你超重嘅元凶

希格斯粒子嘅發現無疑係理論物理學嘅一個重要里程碑,幫粒子物理學標準模型補上咗最後同極為關鍵嘅一塊拼圖。雖然好完滿解釋到弱核力同基本粒子嘅質量點嚟,但希格斯場/粒子其實稱唔上全知全能嘅「上帝」,標準模型唔係最終答案,粒子物理學同理論物理學仲有好多好多謎團未解答到。另外希格斯場亦唔係你重量嘅主要來源,同重力場、量子重力理論亦冇直接關係,所以唔好再賴你太肥係因為希格斯場啦!


最後喺完結前,請容小弟分享一下洗腦神曲《Sing hallelujah to the loud》佛教x耶教We-connect 嘅crossover 高登改版去淨化一下黑警吧!

今次講到哩度,下次再講。


延伸閱讀:

[1] 《【2013諾貝爾獎特別報導】物理獎:終於,來到了!》,侯維恕教授撰文,刊於《科學Online》

[2] 《Global Conservation Laws and Massless Particles》, G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13, 585, https://dx.doi.org/10.1103%2FPhysRevLett.13.585

[3] 《The God Particle: If the Universe is the Answer, What is the Question》by Leon M. Lederman and Dick Teresi, Houghton Mifflin Company. 1993.

[4] 《(理論)物理學家眼中嘅美—對稱》

[5] 《What the Higgs Is Going on with Mass?》by Paul Sutter, published on space.com

[6] 《The Higgs Boson, Explained》series by《Minutephysics》(中文字幕,部分殘體)

[7] 《該死的上帝粒子》,Gene Ng著,刊於《泛科學》

[8] 《The Higgs Boson Explained》by Piled Higher and Deeper (PHD Comics)

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.