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还是这个问题,我们怎么知道这就是真相?我们怎么知道这个神秘的场给了我们宇宙中所有有质量的粒子以质量?
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好吧,与所有场一样,这个新的场也应该有它自己的基本粒子。
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如同预料之中,它们不是那么容易见到或检测到。
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根据计算,为了唤醒它们,需要巨大的能量——比电弱场所需要的能量都大。然而听起来难以置信,在二〇一二年,科学家们终于在位于瑞士日内瓦附近的欧洲核子研究中心最强大的粒子加速器LHC中唤醒了它。他们探测到属于这个场的一种基本粒子。这是整个拼图中缺掉的一块。我们宇宙中所有带有质量物质的质量起源,无论是否归因于胶子,种种猜想那时才真相大白。
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这个发现真正证实了物理学家们一直走在正确的道路上。
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媒体们称它为“希格斯粒子”(虽然或许存在着许多种不同的希格斯粒子),于是它的场的名字叫希格斯场或希格斯-恩格勒特-布鲁特场。英国理论物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)与比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒特(François Englert)因这个发现共同分享了二〇一三年的诺贝尔奖(他们和罗伯特·布鲁特早在四十多年前就预言了这个事实。遗憾的是,布鲁特于二〇一一年去世)。简短地说,他们发现了在一百三十八亿年前,当我们的宇宙冷却下来时,质量是如何产生的。这是一个了不起的功绩,无论对他们来说,还是对整个人类来说。
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这个发现登上了各类媒体的头条,不过尽管如此,这里还是有必要强调一下希格斯场并不能解释所有物质的质量起源,它只能解释其中的一部分。就像我们在前面所说的,中子和质子的大部分质量来自将夸克束缚在其边界之内的作用力,来自夸克–胶子浓汤。如果希格斯场突然失效了,那么夸克就会变成没有质量,我们也会死亡。但质子和中子的质量却几乎不会改变。
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既然强作用力场对于我们存在物的质量如此关键,既然你知道所有我们已知物质的质量来自何处,现在,回想一下那些你在本章开头看到的从真空冒出来的粒子。你看到了它们……但你还是不要看到的好。天下没有免费的午餐,大自然不会允许粒子凭空出现,而不付出代价。
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这个代价,你马上就要看到,就是一种新的物质的存在,它的名字叫作“反物质”。
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极简宇宙史 第3章 反物质
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在地球整个历史的大多数时间里,它表面上的绝大多数都不为人类所知。今天我们可以借助人造卫星所拍摄的整个地球的照片来绘制全球地图,但仅仅近至几个世纪之前,只有欧洲、美洲和亚洲的小块土地被当地居民绘制过地图,从来没有人绘制过整个世界的地图。来自许多不同文明的勇敢无畏的探险家们因此不得不离开自己安逸的家园穿过狂风巨浪航行在海中,去探索在他们的家国之外是不是还有其他地方存在。一个接一个地,他们发现了遥远地方的大片从未被自己同伴踏足过的陆地。他们也发现了其他文明。被水域包围的小块岩石被命名为岛屿,大的,被命名为大陆。每一次这样的发现都扩展了人类的疆域,同时,也让我们的祖先进一步认识到一个很简单的事实:我们都生活在一个漂浮在巨大宇宙里的极其丰富多彩但又相当小的球体表面上。
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数十年过去了。
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经历了各种各样的暴力、贪婪和好奇,我们对地球有了更多的了解,未知世界逐渐从地平线外变成了头顶之上。太空成了每个人只要抬头看一眼就充满好奇的新谜团。但那里的距离大得无法想象。当我写这本书时,人造卫星已经飞到了离地球几亿公里外的地方,试图寻求存在于我们星球上的水的起源,或许还有生命构件本身起源的答案。探险已不再是将人类送往危险的航程中。机器人能够代替我们完成这个任务。但星际旅行所带来的兴奋正在上升,在二十一世纪,有没有可能我们身处地球,却依然当一个探险者?
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当然有这个可能。
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人们可以将目光对准海底,那里的环境对我们的技术(更不要说身体)是巨大的挑战,真正潜到大洋最深处的人比踏上月球的人还少。
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或者,人们可以走完全不同的另一条路:搞科学。
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虽然科学与驾驶帆船或宇宙飞船相比没那么拉风,但它可以带你去任何地方。从海底深处,到我们可见宇宙边缘。甚至更远。在阅读本书的过程中,或许你已经注意到,你的意识能够带你到达你的身体无法接近,以及从来没有人到过的地方。在深入研究空间与时间的本质,或者粒子与光的量子行为的过程里,没有两个读者在阅读本书时经历完全一样的旅程——没有人可以在各自大脑中看到完全一样的图像。通过在你的大脑里创建星系和虚拟光珠,你进入了理论研究的世界,一个没有限制与边界的世界。
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没有人能够事先知道朝着哪个方向航行,他们能够找到岛屿或大陆,必须经过许多探险家的失败,才能铺就通往伟大发现的道路。运气的确存在,但无法被依赖。以过去的发现为基础,是一条更可靠的捷径。科学也同样如此,反物质的发现,走的就是这条我们古老的祖先所走过的探索之路。人类中的一位天才以下面这个令人惊讶的事实打开了所有其他人的眼睛:构成我们的物质,构成我们行星、恒星以及星系本身的物质,只是所有物质的一半——他并不仅仅是依赖运气想出了这点。他是在别人在他之前已经盖好的大厦上加盖了一层。确切地说:依据爱因斯坦对于物体在非常高速度下运动时行为的研究,再结合以量子粒子们奇怪的行为。这个人就是保罗·狄拉克(Paul Dirac)。他创建了量子场理论,作为结果,他发现了反物质。狄拉克是英国科学家,并在一九三二年至一九六九年间担任英国剑桥大学卢卡斯数学教授,这是世界上最崇高的科学教授席位之一。艾萨克·牛顿在一六六九年到一七〇二年担任此职,该椅子上还坐过史蒂芬·霍金,从一九七九年直到二〇〇九年。
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那么反物质究竟是什么东西?
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你已经知道方程式E=mc2代表什么意思:质量能够转化成能量,同样,能量也能转化成质量。这是一个相当高的交换率。就像你在前一章中所见,能量能够从真空里,从场里借出一小会儿,创建出粒子。
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