造物主法则
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第38章 希格斯场与汤川耦合

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书名:
造物主法则
作者:
爱吃茅草酒521
本章字数:
3462
更新时间:
2025-01-16

这一次,十月天的关注度落在了被他标记为八十一号的宇宙之中。这是因为这个宇宙的物质分布更为均匀,宇宙的亥姆霍兹自由能更为均衡,而且已经有不少的稳定粒子成型。

在这个宇宙的第10的负6次方秒,由于对称性的打破,弱电力成功分解成了电磁力和弱力,电磁相互作用与弱相互作用的性质迥然不同。也是在这个阶段,希格斯粒子登场。

希格斯粒子是希格斯场的激发,而希格斯场,本质是宇宙中各种场的一种,只是其性质较为特殊。而一个场,本质上则是一个数学框架函数,也就是十月天从数学宇宙映射到物理空间的一片“算子”。

希格斯玻色子是希格斯场的量子激发。让亚原子粒子拥有了物质。

希格斯粒子的登场,而在接近第1秒,宇宙中的第一个复合粒子形成了。在这个阶段,温度惊人的夸克和胶子的混合物产生了核子。

其中,就包括至关重要的质子和中子这些费米子。

在传统的量子物理的框架中,宇宙中的每一个粒子(从宇宙射线到夸克)不是费米子就是玻色子。

当然,这两种粒子本质上可以用循环和自指性来描述。以电子为例,在量子王国之中,如果有两个无法区分的电子,取其中一个,然后环绕另一个,这样它就会回到它开始的地方,一切似乎都没有改变。这样就导致了在量子力学的数学语言中,描述初态和末态的两个波函数必须要么等于,要么相差-1。

如果波函数是相同的,那么量子粒子就是玻色子。如果它们差了一个系数-1,那么就是费米子。虽然推导看起来像是一个纯粹的数学问题,但它具有深刻的物理意义。

费米子是粒子世界的“独居者”。它们从不占据相同的量子态。正因为如此电子(也就是费米子)被强迫进入一个原子周围不同的壳层中。

当然,和电子一样,在物理学中,质子、中子都可以被归类为费米子,它们自旋总会以普朗克常数除以2π为单位,比如1/2,3/2,5/2等,由于自旋统计原理,费米子遵循泡利不相容原理,也就是,在一个由费米子组成的系统中,两个或两个以上的费米子不能占据相同的量子态,泡利不相容也是原子的壳结构,元素周期表多样性以及物质宇宙稳定性的原因。

而另一方面,玻色子是群居的粒子,它们乐于聚在一起,共享相同的量子态。因此,光子(即玻色子)可以相互穿透,使光线不受阻碍地传播,而不是四处散射。

当然,这种情况并没有考虑后期才出现的介于玻色子和费米子之间的新的全同粒子——任意子。但是任意子在宇宙之中的情况过于特殊,在宇宙中的含量极低,因此十月天并没有将其 作造物必备的材料,而只是一个小小的点缀。

由于希格斯场的真空期望值不等于零,造成自发对称性破缺,因此W玻色子与Z玻色子等规范玻色子借着应用希格斯机制于希格斯场而获得质量,同时生成一种零质量玻色子,称为戈德斯通玻色子。费米子则借着应用希格斯机制于希格斯场与费米子场的汤川耦合而获得质量。

到了宇宙诞生之后4秒左右温度,降至低于1010 K,此时宇宙中的电子也脱离与辐射线的平衡而成型。 至此,构成原子的基本粒子都已经出现,但由于温度仍然太高,宇宙中尚无稳定的氢原子核,此时宇宙中充斥着高速运动的质子、中子、与电子以及非常高能量的辐射线。

在宇宙诞生的第3分钟,质子和中子形成了第一个稳定的氢原子核与氦原子核。在这短短一步中,宇宙扩张与冷却的速度是如此之快,以至于比这更重的元素还没有时间被创造出来。

在大约宇宙型成3分钟后,质子与中子开始可以结合而成稳定的重氢原子核而不立刻被光子所分解。接下来一连串的核反应将绝大部分的重氢很快的转变成包含2个质子及2个中子的稳定氦原子核。然而,比氦更重的原子核此时不易形成因为自然定律中不容许有原子量为5或8的稳定原子核存在;而缺乏这些作为桥梁的原子核,更重的原子核不易快速的被制造出来,而宇宙仍持续的膨胀、冷却。

在大约宇宙生成30分钟后,大爆炸(这里理解为膜世界碰撞的高能区域)所产生的核反应完全停止进行,此时宇宙中的物质以质量而言约含75%的质子、25%的氦原子核、大量很轻的电子、以及非常微量的重氢及锂原子核。

当然,对人类来说,此时的宇宙温度仍然非常高,达到了108K左右,强大的辐射线使电子无法停留在固定的原子核上,宇宙的物质主要以单原子离子状态存在。由于自由运动的电子很容易散射光线,此时宇宙是处于名符其实的混沌状态;光子无法自由穿越,辐射场与物质间不断的进行能量交换。

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