上帝粒子決定宇宙末日

「上帝粒子」是物理學上一種叫希格斯的粒子的俗稱。

這種粒子在理論上非常重要，所有構成物質的基本粒子都是靠它獲得質量的。

2012年7月，歐洲核子中心的科學家宣布，他們在大型強子對撞機上發現了疑似希格斯的粒子。

經過一年多的後續研究，現在他們越來越確信，新粒子就是物理學標準模型所預言的「上帝粒子」。

譬如它的自旋、衰變行為都基本與理論預言相符。

當然，更多的特徵還有待驗證，所以謹慎的科學家們至今還稱其為「疑似希格斯粒子」。

遺憾的是，強子對撞機為了檢修和提高能量，2013年關閉了，估計到2015年才能重啟，這樣一來，進一步的確認工作就要推遲到2015年之後了。

這也意味著提出「上帝粒子」的理論家們，要想在今明兩年獲諾貝獎看來是沒戲了(他們中有幾位已經快奔九了)。

這倒給諾貝獎委員會解決了一個難題，因為目前有資格獲獎的人共有6位，可諾獎有個規定，一個獎項不能同時授予3個以上的人。

要是再等上幾年，時間就自然把這一難題給解決了——也許這種想法有點殘忍。

不過這是玩笑話，你可不要當真，讓我們還是來談點嚴肅的事情。

什麼事情最嚴肅?當然是世界末日。

好，咱們就從世界末日談起，因為最近有物理學家聲稱，目前這個「疑似希格斯粒子」有可能預示著我們的宇宙將會毀滅!

太嚇人了吧!不要摧殘我們的神經好不好?

不是摧殘大家的神經，是科學家的理論這樣預言的，下面我們就簡單介紹一下這一駭人的理論。

真空的兩種狀態

假如你有一塊質地比較硬的塑料布，皺巴巴地晾在露天的院子裡，一陣雨過後，你會發現，塑料布下陷的坑窪里，積滿了水。

坑窪深淺不一，中間因被凸起隔著，水不會聚到一處。

但倘若一陣風吹來，塑料布晃了幾下，那你就會看到，淺坑的積水會往低處的深坑裡流。

沒了積水，淺坑就漸漸平復了。

上述現象用物理學家的話來說就是，淺坑處於亞穩定狀態：從局部看，淺坑的能量(此處指勢能)是最低的，但從全局看，卻不是最低的，——深坑處才是能量最低，最穩定的。

亞穩定狀態倘若沒受到擾動，會長久存在下去，但要是受到足夠大的擾動，比如被風一吹，很可能就崩潰。

此類例子還有山坡上的石頭，要是不去動它，它蠻可以這樣存在下去，但倘若受水流的衝擊或者地震搖動，那它在山坡上就待不住了，必定滾到山谷去。

與此類似的是，早在1980年代，有科學家就提出，真空也可分為亞穩定和穩定狀態。

人們把處於亞穩定狀態的真空叫「假真空」，而把處於穩定狀態的真空叫「真真空」。

你也許會問：真空里不是什麼都沒有，按理始終是能量最低的，怎麼還有穩定、亞穩定之分呢?

這是因為，根據現代物理學的觀點，「真空里什麼都沒有」這種看法是錯的。

事實上，真空里充斥著許多能量場，我們最熟悉的莫過於引力場，在浩瀚的宇宙中，無處不存在引力。

我們生活的空間中，除了有塵埃、氣體分子之外，還有看不見的電磁場。

同理，根據物理學家的看法，與希格斯粒子有關的希格斯場也充斥在整個宇宙空間。

以前，希格斯場只是理論上的猜測，但現在希格斯粒子找到了，也就證明了希格斯場的真實存在。

現代物理學還有一個觀點，所有的場都存在一種量子，比如電磁場的量子是光子，引力場的量子是引力子，而希格斯場的量子是希格斯粒子……量子場有三種狀態：穩定、不穩定和亞穩定。

考慮到量子場充斥真空，這樣真空也就有了穩定、不穩定和亞穩定之分。

不過因為不穩定的真空早就崩潰了，所以現實中能夠存在的只剩下穩定和亞穩定兩種狀態，即真真空和假真空。

兩者的關係就好比塑料布上的深坑與淺坑。

真真空當然任何時候都是「不倒翁」;而假真空呢，只有受到足夠大的擾動時，才顯出其「假」來，倘若沒受擾動，也蠻可以一直存在下去。

兩種狀態有時還真不好辨別。

所以儘管我們的宇宙自大爆炸以來已經存在了137億年，但它處於穩定狀態呢，還是亞穩定狀態，這可誰也說不上。

如果處於穩定狀態，那麼你好我好大家好，但要是處於亞穩定狀態，那可就懸了。

就像塑料布下陷的坑窪一樣，如果我們的宇宙像深坑，那我們就不用擔憂。

但如果我們的宇宙是個淺坑呢，倘若一陣風吹來，塑料布晃了幾下，我們的宇宙不就完蛋啦?

決定宇宙命運的兩個因素

這個問題看來「懸」而又「玄」。

懸是因為我們宇宙的命運「命懸一線」，「玄」是因為太玄乎：哪怕真有這麼回事，但我們「身在此山中」，怎麼能知道宇宙處於穩定還是亞穩定狀態?

物理學家還真是神通廣大，他們居然可以通過物理學的標準模型來計算出來。

但計算中需要涉及許多基本粒子的質量，其中有兩個基本粒子的質量長久以來一直沒弄清楚，一個是希格斯粒子的質量，另一個是頂夸克的質量，所以事情就耽擱下來了。

現在好了，這兩個質量都差不多弄清楚了。

根據物理學家的估算，要想保證我們的宇宙處於穩定狀態，希格斯粒子的質量下限範圍應該在123.8～135.0 GeV(GeV即10億電子伏，質子的靜止質量是0.938 GeV)。

也就是說，只要希格斯粒子的質量高於這個下限，那麼宇宙就是穩定的。

下限本來應該是一個確定的值，但因為迄今頂夸克的質量測得還不夠精確，所以現在只能給出一個大致的範圍。

而2012年測得的希格斯粒子質量在125～127 GeV之間，兩者很接近，所以事情看來有些不妙。

由此看來，宇宙究竟處於何種狀態，這個問題至今依然懸而未定，還有待於測量出頂夸克的精確質量，才能定下為保證宇宙穩定所需的希格斯粒子質量下限。

打個比方，一旦物理學家說下限是124 GeV，而希格斯粒子的質量在125～127 GeV之間，高於這個下限，那麼我們就可以放心地說，宇宙處於穩定態;但如果下限是129 GeV，而現在希格斯粒子的質量低於這個下限，那宇宙就處於亞穩定態了。

所以，為了預言宇宙的命運，物理學家接下來還要做兩項工作：一是精確測量頂夸克的質量，另一項是精確測量希格斯粒子的質量(精度要達到1%)。

宇宙末日會怎樣來臨?

大家好像都對世界末日感興趣——這種好奇心會要人命的!為了滿足大家的好奇心，那我們就不妨來想像一下，倘若宇宙處於亞穩定狀態，它會怎樣毀滅。

設想宇宙某處的假真空受到擾動，變成了真真空，於是一個真真空泡泡就產生了。

這個泡泡比周圍假真空的能量更低，所以它將不斷蠶食周圍的空間，就像多米諾骨牌倒下一樣。

但這個連鎖反應將以光速蔓延，直到整個宇宙都轉變為穩定態為止。

這真是一個名副其實的「乾坤大挪移」。

在這過程中，我們的宇宙從能量較高的亞穩定態轉變為能量最低的穩定態，要釋放出大量的能量。

此外，所有的東西，從原子、分子到恆星、星系，都要統統毀滅，然後在穩定態的新宇宙中重新組合。

我們知道，宇宙有好幾種可能的毀滅方式，而這種毀滅比起別的方式來，更致命、更徹底。

比如，根據天文觀測，宇宙在加速膨脹(這是2011年獲得諾貝爾獎的成果)，未來很可能面臨「大撕裂」的結局：先是星系團被撕裂成單個的星系，然後星系撕裂成恆星……直到分子撕裂成原子，原子撕裂成亞原子。

但不管怎麼說，在這種毀滅中，基本粒子不會再被撕裂成別的什麼了，統治宇宙的基本規律，比如像真空中的光速、引力常數等基本物理學常數，也不會發生變化。

但宇宙要是從亞穩定態演變到穩定態，那就完全不同了，那將是一次徹底的重新洗牌。

在穩定態的宇宙里，連基本粒子和基本物理學規律，甚至時空維數都可能完全迥異於亞穩定態的宇宙……而且這種毀滅會在什麼時候發生，最先在什麼地方開始，原則上都是不確定的，或許現在在某個遙遠的地方就已經開始了。

那麼，觸發宇宙以這種方式毀滅的擾動可能是什麼呢?理論上，任何高能粒子的產生都可能是一種擾動——這是目前我們唯一能想像到的一種可能。

但從「宇宙中每時每刻都在產生大量高能粒子，而它卻已經穩穩噹噹地存在了137億年」這一點來說，由高能粒子來觸發宇宙毀滅的機率還是非常非常之低的。

一些人擔心地球上的高能加速器，例如歐洲大型強子對撞機，會觸發毀滅，就像前些年有人擔心對撞機會造出吞噬地球的微型黑洞一樣。

其實這種擔心是多餘的。

因為目前對撞機上產生的粒子能量最高只達8萬億電子伏的量級，即使升級之後也只達13萬億電子伏，而宇宙中目前觀察到的粒子，能量最高的是人工產生粒子的10萬倍。

要想在加速器上製造出如此高能的粒子，人類至少要在150年之後。

至於其他會觸動宇宙毀滅的因素，我們目前就不得而知了。

對宇宙認識有限

我們一口氣把最壞的事情講完了，現在該來講點愉快的事情了。

上述的討論是建立在物理學家的計算基礎之上的，現在不妨反過來問一句：他們的計算可靠麼?大家可以寬點心的是，計算其實也不見得完全可靠。

原因是，他們的計算是以物理學的標準模型為基礎的。

這個模型認為，自然界的基本粒子只有61種：第一類是組成物質的粒子，包括夸克、輕子(如電子)以及它們的反粒子。

其中夸克18種，輕子6種，加上它們的反粒子共48種;第二類是傳遞相互作用的粒子，包括傳遞電磁力的光子、傳遞強核力的膠子等;第三類是讓基本粒子獲得質量的粒子，即希格斯粒子。

但是大自然中的基本粒子真的只有這麼多?或者說，標準模型已經把所有基本粒子「一網打盡」了麼?如果沒有，那麼單單根據這些粒子來計算宇宙到底處於穩定還是亞穩定態，得出的結論就是大可懷疑的。

雖然迄今還沒有實驗證據表明物理學的標準模型存在漏洞，但至少自然界已經出現它所解釋不了的一些事情，這就意味著它還遠非盡善盡美。

第一件事情是暗物質的存在，這種物質占宇宙物質總質量的大約85%，但與已知的由基本粒子組成的普通物質完全不同。

譬如說，暗物質跟普通物質沒有電磁力和強核力作用，最多只存在引力和弱核力作用。

組成暗物質的粒子是什麼呢?雖然這迄今是個謎，但可以肯定，它不在標準模型的61種基本粒子之列。

第二件事件是，實驗證明，中微子有微小的質量，而標準模型中中微子是沒有質量的。

第三件事情是，為什麼自然界最弱的兩種基本作用力——弱核力和引力——強度相差那麼大?比如在原子核尺寸的距離上，前者是後者的1032倍。

而在其他三種基本作用力，即強核力、弱核力和電磁力之間，強度在量級上卻沒有相差這麼大。

這就是所謂基本作用力的「等級問題」，也是標準模型目前還解釋不了的。

為了解決這些難題，物理學家渴望突破標準模型，在各種新提出的理論中，希望最大的是超對稱理論。

超對稱粒子存在嗎?

在粒子物理學上，物理學家把粒子按自旋分成兩大類：一類是自旋為整數的粒子，叫玻色子，傳遞基本作用力的粒子和希格斯粒子都是玻色子。

另一類是自旋為半整數的粒子，叫費米子，組成物質的粒子，如夸克、質子、電子等等都是費米子。

為什麼要這樣分呢?因為玻色子和費米子在過「集體生活」的時候，表現是很不一樣的。

我們知道，在微觀世界裡，粒子可以處於不同的狀態，物理學上是用一系列量子數來標識這些狀態的。

比如說在原子核外運動的電子，首先所處的軌道可能不同，用軌道量子數來標識這些軌道;其次，可能自旋朝向不同，所以又用自旋量子數來標識自旋朝向……這就好比說我們用學校、年級、班級甚至座位等一系列特徵來標識一名學生一樣，學校、年級、班級和座位就相當於標識一名學生的「量子數」。

對於費米子來說，它們在任何時候都不會有兩個處於同一個狀態;而對於玻色子呢，它們卻喜歡不分彼此地共處一態。

打個比喻。

假如用一系列掛著不同門牌號的房間來代表粒子的不同狀態。

現在要安排一群粒子住進去。

如果是玻色子，它們就傾向於同住在一起，所以你會發現，最後它們全擠在了一個房間。

而要是費米子呢，則傾向於每人各占一個房間，哪怕你一開始是讓它們同住在一起的，最後也要各自分開。

超對稱理論認為，每一種粒子都有其超對稱夥伴，玻色子的超對稱夥伴是費米子，費米子的超對稱夥伴是玻色子。

這裡的「超對稱」是玻色子和費米子一一對應的意思。

比如說，電子是費米子，它的超對稱夥伴「超電子」應該是玻色子;希格斯粒子是玻色子，它的超對稱夥伴「超希格斯子」應該是費米子……如此等等。

當然，這些超對稱粒子至今一個都沒發現。

但超對稱理論認為，可能這些超對稱粒子質量都太大，需要在能量更高的粒子加速器上才能產生。

這也是這次強子對撞機要升級的原因，升級完之後，最重要的一個目標就是尋找這些大個頭的超對稱粒子。

超對稱理論據稱可以解釋弱核力和引力為何強度相差懸殊的問題，此外，超對稱粒子也是暗物質粒子的理想候選者。

如果超對稱粒子真的存在，那麼基本粒子大家族的成員就翻了一倍。

這些粒子肯定也與「宇宙處在穩定態還是亞穩定態」這個問題密切相關。

所以，哪怕目前的計算說我們的宇宙處於亞穩定態，它遲早有一天要毀滅，但超對稱粒子一出現，說不定這個結論就翻盤了。

那麼，現在我們就有雙重的理由樂觀了。

首先，目前頂夸克和希格斯粒子的精確質量都還待定，預言宇宙將要毀滅還為時尚早。

其次，哪怕這兩個質量精確測量出來了，而且計算結果表明，我們的宇宙的確處於危險的亞穩定態，但這也還不能蓋棺論定，只要實驗證明超對稱粒子存在，那這個結論就依然有被推翻的可能。