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探索粒子物理:从质量到无质量粒子的科学奥秘

2024-08-18科学

当非理论粒子物理学家试图想象粒子时,他们通常会把它想象成在空间中跳动的小球。这种想象虽然直观,但并不准确。一个具体的证明方法是:尝试将那个小球想象为一个无质量的粒子。

通常,「质量」和「重量」这两个术语可以互相替代,因为一个物体的质量是通过它对抗力量的能力来确定的。在我们测量一个物体的重量时,实际上是在测量它抵抗地球引力的能力,因此物体的重量实际上是其质量的表现。

质量的定义涵盖的不仅仅是抵抗引力,这一点在微观物质层面尤为明显。因此,在物理学中,质量的定义稍显复杂。

在粒子物理的标准模型中,希格斯机制解释了如电子、μ子和夸克等大多数基本粒子的质量来源:这些粒子通过希格斯场时所遭受的阻碍决定了它们的质量。粒子受到的希格斯场阻力越大,其质量也越大。对于由夸克构成的复合粒子如质子和中子,它们的质量主要来自于强核力将夸克紧密束缚在一起。

而光子与 胶子 这两种携带基本力的基本粒子则不同,它们并非由强核力作用产生质量。这些粒子穿过希格斯场时并不受阻,因此它们不具备质量。

实际上,存在无质量的粒子是可能的。

这种无质量的粒子可以被视为纯粹的能量形式。这些能量的存在没有实际的边界或表面。粒子拥有能量就足以在物理世界中有其存在意义。由于它们不受希格斯场的影响,像光子和胶子这样的无质量粒子始终以光速移动。

进一步理解粒子的方法是将其视为量子场中的振动,类似于吉他弦上的波动。这些量子场的振动模式,当以正确的频率激发时,会形成粒子。

在粒子物理学领域,光子和胶子是无质量的粒子,它们也称为规范玻色子。光子负责传递电

磁力,而胶子则负责传递强核力。此外,理论上存在的传递引力的规范玻色子——引力子,虽被认为是无质量的,但其存在仍未得到实验验证。

无质量粒子具有几个独特的特性,它们非常稳定。与其他粒子不同,无质量粒子不会因能量损失而衰变成质量更小的粒子对。

因为无质量粒子的全部能量都是动能,它们始终以光速移动。根据狭义相对论,以光速移动的物体不会经历时间的流逝,也不会衰变,因此从这个角度看,无质量粒子是永恒存在的。

尽管无质量,这类粒子仍然受到引力的影响。

根据广义相对论,引力不仅作用于所有有质量的物体,也作用于所有具有能量的实体,包括无质量的粒子。因此,当光线等无质量粒子经过诸如星系团这样的大质量天体时,它们的传播路径会发生偏转,产生显著的引力透镜效应。

目前已知的无质量粒子包括光子和胶子,而引力子和可能的最轻的中微子(τ中微子)也可能是无质量的。这些粒子可能只是宇宙中无质量存在的一部分,它们在我们未知的宇宙角落里扮演着角色。