无质量粒子是怎么存在的?

如果让不是理论粒子物理学家的人来想象一个粒子,大部分人会把粒子想象成在空间中上下跳动的小球。但这并不完全正确。证明它的一种方法:试着把那个小球想象成一个没有质量的粒子。

有时候,“质量”和“重量”这两个词可以互换使用。因为物体的质量是通过它对力的抵抗来测量的。当我们拿起某样东西来测它的重量时,它是在抵抗地球的引力,所以物体在地球上的重量实际上是它质量的一种测量。

质量的由来

然而,质量不仅仅是对引力的抵抗,尤其是在最小物质的尺度上。因此,物理学上对质量的定义变得有点复杂。

根据粒子物理标准模型的希格斯机制,大多数基本粒子,如电子、μ子和夸克,其质量来自于它们穿过希格斯场时产生的阻力。希格斯场对一个粒子的阻力越大,它的质量就越大。当涉及到像质子和中子这样由夸克组成的复合粒子时,它们的大部分质量来自于把夸克束缚一起的强核力。

另一方面,光子和胶子这两种携带基本力的粒子也是基本粒子,所以它们不像复合粒子那样会由强核力作用产生质量。不过,这两种基本粒子也不受希格斯场的影响,它们在穿过希格斯场时不会产生阻力作用。事实上,它们没有质量。

无质量粒子也是存在的

可以说,无质量粒子是纯粹的能量。这些能量量子没有边缘,也没有表面。不过,一个粒子有能量就足以产生一种有意义的存在感。而且正因为不受希格斯场的影响,光子和胶子这样的无质量粒子必然会以光速运动。

另一方面,理解粒子的更好方式是将其视为量子场上的涟漪。量子场的振动模式类似于吉他弦上的谐波,如果以正确的频率拨动它,就会得到一个粒子。

在粒子物理学中,光子和胶子都是是无质量的粒子(无静质量),它们也被称为规范玻色子。光子传递电磁力,胶子传递强核力。另外,理论上还存在传递引力的规范玻色子——引力子,这种粒子也被认为是无质量的,但它的存在尚未得到证实。

无质量粒子的特性

无质量粒子有一些独特的性质,它们是完全稳定的。不像其他粒子,无质量粒子不会失去能量,而衰变成质量较小的粒子对。

因为无质量粒子所有的能量都是动能,所以它们总是以光速运动。并且由于狭义相对论,以光速运动的物体实际上不会变老和衰变。所以从这个意义上来说,无质量粒子是永恒的。

无质量粒子也会受到引力作用

根据广义相对论,引力不但影响任何有质量的物体,而且也会影响任何有能量的东西,即使是一个没有质量的粒子也会受到引力作用。正因为如此,光线经过诸如星系团等大质量天体附近时,它们的传播路径会发生偏转,从而产生显著的引力透镜效应。

光子和胶子是目前已知唯一的两种无质量粒子,但宇宙中可能还存在其他无质量粒子,例如,引力子,甚至三种中微子中最轻的那种(τ中微子)有可能是没有质量的。或许宇宙中存在很多没有质量的东西,它们存在于我们所不知的宇宙中。