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探索粒子物理:從品質到無品質粒子的科學奧秘

2024-08-18科學

當非理論粒子物理學家試圖想象粒子時,他們通常會把它想象成在空間中跳動的小球。這種想象雖然直觀,但並不準確。一個具體的證明方法是:嘗試將那個小球想象為一個無品質的粒子。

通常,「品質」和「重量」這兩個術語可以互相替代,因為一個物體的品質是透過它對抗力量的能力來確定的。在我們測量一個物體的重量時,實際上是在測量它抵抗地球重力的能力,因此物體的重量實際上是其品質的表現。

品質的定義涵蓋的不僅僅是抵抗重力,這一點在微觀物質層面尤為明顯。因此,在物理學中,品質的定義稍顯復雜。

在粒子物理的標準模型中,希格斯機制解釋了如電子、緲子和誇克等大多數基本粒子的品質來源:這些粒子透過希格斯場時所遭受的阻礙決定了它們的品質。粒子受到的希格斯場阻力越大,其品質也越大。對於由誇克構成的複合粒子如質子和中子,它們的品質主要來自於強核力將誇克緊密束縛在一起。

而光子與 膠子 這兩種攜帶基本力的基本粒子則不同,它們並非由強核力作用產生品質。這些粒子穿過希格斯場時並不受阻,因此它們不具備品質。

實際上,存在無品質的粒子是可能的。

這種無品質的粒子可以被視為純粹的能量形式。這些能量的存在沒有實際的邊界或表面。粒子擁有能量就足以在物理世界中有其存在意義。由於它們不受希格斯場的影響,像光子和膠子這樣的無品質粒子始終以光速移動。

進一步理解粒子的方法是將其視為量子場中的振動,類似於吉他弦上的波動。這些量子場的振動模式,當以正確的頻率激發時,會形成粒子。

在粒子物理學領域,光子和膠子是無品質的粒子,它們也稱為規範玻色子。光子負責傳遞電

磁力,而膠子則負責傳遞強核力。此外,理論上存在的傳遞重力的規範玻色子——重力子,雖被認為是無品質的,但其存在仍未得到實驗驗證。

無品質粒子具有幾個獨特的特性,它們非常穩定。與其他粒子不同,無品質粒子不會因能量損失而衰變成品質更小的粒子對。

因為無品質粒子的全部能量都是動能,它們始終以光速移動。根據狹義相對論,以光速移動的物體不會經歷時間的流逝,也不會衰變,因此從這個角度看,無品質粒子是永恒存在的。

盡管無品質,這類粒子仍然受到重力的影響。

根據廣義相對論,重力不僅作用於所有有品質的物體,也作用於所有具有能量的實體,包括無品質的粒子。因此,當光線等無品質粒子經過諸如星系團這樣的大品質天體時,它們的傳播路徑會發生偏轉,產生顯著的重力透鏡效應。

目前已知的無品質粒子包括光子和膠子,而重力子和可能的最輕的微中子(τ微中子)也可能是無品質的。這些粒子可能只是宇宙中無品質存在的一部份,它們在我們未知的宇宙角落裏扮演著角色。