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[sing hallelujah to the lord!] 唔「上帝」嘅「上帝粒子」
本貼文共有 7 個回覆
「上帝粒子」有幾「神/唔神」?
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),不考慮相對論性質量(relativistic mass)。而相對論性質量其實嚴格上亦不是正確嘅質量概念嚟,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
(Credits: Jorge Cham, PhD Comic)
點解唔可以有質量?咁係因為模型背後嘅對稱性。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。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產生,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。
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),不考慮相對論性質量(relativistic mass)。而相對論性質量其實嚴格上亦不是正確嘅質量概念嚟,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
(Credits: Jorge Cham, PhD Comic)
點解唔可以有質量?咁係因為模型背後嘅對稱性。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。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產生,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。
(Credits: http://wigtonphysics.blogspot.com/2015/01/mexican-hat-potentials.html)
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。哩啲希格斯場嘅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)
https://youtu.be/dR7jBw0k3f0
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)
https://youtu.be/zTNQOShuvoQ
https://youtu.be/w9pj3fiZGNE(加長版,長片慎入)
https://youtu.be/OvN-prp1N78
「你太肥其實唔太關希格斯場事」
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,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掛?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嘅結合能。
詳細有關哩個誤解嘅討論同以睇吓[5]同下面《Veritasium》嘅講解(英文):
https://youtu.be/Ztc6QPNUqls
$係,你冇睇錯,真係 場
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 隔離登二次創作版去淨化一下黑警吧!
https://youtu.be/iCSZQtnjTu0
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》
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=45310
[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》
https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/06/04/%EF%BC%88%E7%90%86%E8%AB%96%EF%BC%89%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8%E5%AE%B6%E7%9C%BC%E4%B8%AD%E5%98%85%E7%BE%8E-%E5%B0%8D%E7%A8%B1%EF%BC%88the-beauty-in-physics-symmetry/
[5] 《What the Higgs Is Going on with Mass?》by Paul Sutter, published on space.com
https://www.space.com/36857-higgs-boson-mass-mystery.html
[6] 《The Higgs Boson, Explained》series by《Minutephysics》(中文字幕,部分殘體)
https://www.youtube.com/playlist?list=PLoaVOjvkzQtyKaeLbEOiA5Qf1W9BdZEJL
[7] 《該死的上帝粒子》,Gene Ng著,刊於《泛科學》
https://pansci.asia/archives/48406
[8] 《The Higgs Boson Explained》by Piled Higher and Deeper (PHD Comics)
https://youtu.be/IqAWqwh3Etw
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 隔離登二次創作版去淨化一下黑警吧!
https://youtu.be/iCSZQtnjTu0
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》
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=45310
[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》
https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2018/06/04/%EF%BC%88%E7%90%86%E8%AB%96%EF%BC%89%E7%89%A9%E7%90%86%E5%AD%B8%E5%AE%B6%E7%9C%BC%E4%B8%AD%E5%98%85%E7%BE%8E-%E5%B0%8D%E7%A8%B1%EF%BC%88the-beauty-in-physics-symmetry/
[5] 《What the Higgs Is Going on with Mass?》by Paul Sutter, published on space.com
https://www.space.com/36857-higgs-boson-mass-mystery.html
[6] 《The Higgs Boson, Explained》series by《Minutephysics》(中文字幕,部分殘體)
https://www.youtube.com/playlist?list=PLoaVOjvkzQtyKaeLbEOiA5Qf1W9BdZEJL
[7] 《該死的上帝粒子》,Gene Ng著,刊於《泛科學》
https://pansci.asia/archives/48406
[8] 《The Higgs Boson Explained》by Piled Higher and Deeper (PHD Comics)
https://youtu.be/IqAWqwh3Etw
原文link:
https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2019/06/28/%E7%A5%9E%E8%A9%B1%E7%89%A9%E7%90%86%E7%B3%BB%E5%88%97%EF%BC%88%E4%B8%80%EF%BC%89-%E5%94%94%E3%80%8C%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E3%80%8D%E5%98%85%E3%80%8C%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E7%B2%92/
白話文版:
https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E7%A5%9E%E8%A9%B1-%E7%89%A9%E7%90%86%E7%B3%BB%E5%88%97-%E4%B8%80-%E4%B8%8D-%E4%B8%8A%E5%B8%9D-%E7%9A%84-%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E7%B2%92%E5%AD%90-372d0cb12e91
https://godfreyleungcosmo.wordpress.com/2019/06/28/%E7%A5%9E%E8%A9%B1%E7%89%A9%E7%90%86%E7%B3%BB%E5%88%97%EF%BC%88%E4%B8%80%EF%BC%89-%E5%94%94%E3%80%8C%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E3%80%8D%E5%98%85%E3%80%8C%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E7%B2%92/
白話文版:
https://medium.com/@godfrey.leung.cosmo/%E7%A5%9E%E8%A9%B1-%E7%89%A9%E7%90%86%E7%B3%BB%E5%88%97-%E4%B8%80-%E4%B8%8D-%E4%B8%8A%E5%B8%9D-%E7%9A%84-%E4%B8%8A%E5%B8%9D%E7%B2%92%E5%AD%90-372d0cb12e91
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