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如果一個粒子沒有質量,它怎麼可能存在?


中國網如果讓不是理論粒子物理學家的人來想像一個粒子,大部分人會把粒子想像成在空間中上下跳動的小球。但這並不完全正確。證明它的一種方法:試著把那個小球想像成一個沒有質量的粒子。有時候...

- 2020年9月19日08時15分
- 科學文摘 / 中國網

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如果讓不是理論粒子物理學家的人來想像一個粒子,大部分人會把粒子想像成在空間中上下跳動的小球。但這並不完全正確。證明它的一種方法:試著把那個小球想像成一個沒有質量的粒子。

有時候,「質量」和「重量」這兩個詞可以互換使用。因為物體的質量是通過它對力的抵抗來測量的。當我們拿起某樣東西來測它的重量時,它是在抵抗地球的引力,所以物體在地球上的重量實際上是它質量的一種測量。


質量的由來

然而,質量不僅僅是對引力的抵抗,尤其是在最小物質的尺度上。因此,物理學上對質量的定義變得有點複雜。

根據粒子物理標準模型的希格斯機制,大多數基本粒子,如電子、μ子和夸克,其質量來自於它們穿過希格斯場時產生的阻力。希格斯場對一個粒子的阻力越大,它的質量就越大。當涉及到像質子和中子這樣由夸克組成的複合粒子時,它們的大部分質量來自於把夸克束縛一起的強核力。

另一方面,光子和膠子這兩種攜帶基本力的粒子也是基本粒子,所以它們不像複合粒子那樣會由強核力作用產生質量。不過,這兩種基本粒子也不受希格斯場的影響,它們在穿過希格斯場時不會產生阻力作用。事實上,它們沒有質量。

無質量粒子也是存在的


可以說,無質量粒子是純粹的能量。這些能量量子沒有邊緣,也沒有表面。不過,一個粒子有能量就足以產生一種有意義的存在感。而且正因為不受希格斯場的影響,光子和膠子這樣的無質量粒子必然會以光速運動。

另一方面,理解粒子的更好方式是將其視為量子場上的漣漪。量子場的振動模式類似於吉他弦上的諧波,如果以正確的頻率撥動它,就會得到一個粒子。

在粒子物理學中,光子和膠子都是是無質量的粒子(無靜質量),它們也被稱為規範玻色子。光子傳遞電磁力,膠子傳遞強核力。另外,理論上還存在傳遞引力的規範玻色子——引力子,這種粒子也被認為是無質量的,但它的存在尚未得到證實。

無質量粒子的特性

無質量粒子有一些獨特的性質,它們是完全穩定的。不像其他粒子,無質量粒子不會失去能量,而衰變成質量較小的粒子對。


因為無質量粒子所有的能量都是動能,所以它們總是以光速運動。並且由於狹義相對論,以光速運動的物體實際上不會變老和衰變。所以從這個意義上來說,無質量粒子是永恆的。

無質量粒子也會受到引力作用

根據廣義相對論,引力不但影響任何有質量的物體,而且也會影響任何有能量的東西,即使是一個沒有質量的粒子也會受到引力作用。正因為如此,光線經過諸如星系團等大質量天體附近時,它們的傳播路徑會發生偏轉,從而產生顯著的引力透鏡效應。

光子和膠子是目前已知唯一的兩種無質量粒子,但宇宙中可能還存在其他無質量粒子,例如,引力子,甚至三種中微子中最輕的那種(τ中微子)有可能是沒有質量的。或許宇宙中存在很多沒有質量的東西,它們存在於我們所不知的宇宙中。


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