與小女兒談談這個宇宙 –星星/星系/星團的產生VI – 希格斯粒子+太空漫遊

我說：”還要繼續太空漫遊嗎?”

她說：”好啊，可是你可不可以先告訴我最近很熱門的話題 - ”希格斯粒子”，那是甚麼啊? 為什麼稱為上帝的粒子?”

我說：” 希格斯粒子哦，說來話長，嗯…有一個理論稱為”標準理論”，提出這個宇宙萬物大至日月星辰，小自單細胞生物的這些看得見”物質”都是由少數的幾種”基本粒子"， 像夸克和電子所組成的，除此之外，這個模型也以”基本粒子”來描述這個世界的三種基本作用力 - 強力、弱力和電磁力。”

我說：”那少了甚麼力?”

她說：”我知道，重力！那為什麼不含重力啊?”

我說：”答對了，今天先不細談為什麼不含重力。所以這些基本粒子被分成三大類，
第一類叫做”費米子”，是構成宇宙萬物的粒子，像夸克和電子和微中子等等。目前的實驗顯示又有6種夸克（quark），上夸克，下夸克，魁夸克，奇異夸克，頂夸克，底夸克 (up quark, down, charmed, strange, top, bottom)。我曾經教過你，兩個上夸克加一個下夸克，是甚麼? 而兩個下夸克加一個上夸克是甚麼? 記得嗎?”

她說：”嗯，我記得好像是兩個上夸克加一個下夸克是質子嗎?! 然後兩個下夸克加一個上夸克是中子嗎?！” 

我說：”答對了，費米子就是構成一切”物質”的基本粒子。然後，第二類基本粒子叫做”玻色子”，這些玻色子是負責傳送粒子彼此之間的作用力，意思是自然界的交互作用都是藉由每種特定粒子來傳遞的。例如負責”電磁交互作用”的叫”光子”，而負責把上下夸克綁在一起成為質子/中子的強核力的叫做” 膠子”， ” 膠子” 也以間接的方式將質子與中子束縛在原子核裡 …。 

她說：”我的天啊！怎麼那麼多亂七八糟子…那希格斯粒子又是甚麼東東啊?”

我說：” 啊哈，希格斯粒子就是第三類假設應該要存在的粒子，它是負責給這些粒子”質量”的粒子。”

她說：”為甚麼要假設有給質量的粒子呢?”

我說：”因為在這個標準理論的模型下，是假設所有的粒子的質量應該是零，否則這個理論就無法成立。但是不幸的是，實驗出來發現大部分的粒子其實是有質量的，所以就假設這個宇宙誕生後，空間充滿希格斯粒子，形成像一個希格斯場，希格斯場會阻礙其他粒子前進，這個”阻力”就是粒子質量的來源。”

她說：”有點玄…”

我說：”你想想質量是甚麼意思? 我比你重是甚麼意思?”

她說：”你比較重，比較推不動…”

我說：”對了，我的質(重)量其實就是你要使我運動的困難度…希格斯粒子(場)造成其他粒子運動的困難，所以相當於它給這些粒子質量。因而模型是假設所有的基本粒子在宇宙誕生之初，本來是完全沒有質量的，後來與” 希格斯粒子”交互作用而”得到”質量。”

她說：”那為甚麼叫做” 希格斯粒子”?”

我說：”是因為是由英國一個物理學家希格斯博士(Peter Higgs)在1960年代提出的。”

她說：”那為甚麼叫做” 上帝的粒子”?”

我說：”因為有一個美國物理學家萊德曼(Leon Max Lederman)，曾寫了一本關於基本粒子的書，叫做"上帝的粒子：如果宇宙是答案，那麼問題是甚麼？”，所以有些人就開始叫希格斯粒子是上帝的粒子。而且，所有假設的基本粒子都在實驗中找到了，就只有希格斯粒子因質量比較大，以我們當初的設備一直找不到。霍金也曾經說過：「我想，如果沒發現希格斯粒子，會更令人興奮，那就表示某些地方出了錯，需要重新思考。我賭100美元，我們不會發現希格斯粒子。」，所以你就可以想像這顆粒子為什麼這麼重要囉！”

她說：”但是我想這一次霍金可能要賭輸了。”

我說：”其實我原來和他的想法是一樣的，我以前還覺得希格斯粒子就是我們人類常會犯的錯誤的一個例子，證明不出來了，就要硬ㄠ一個不知數來合理化模型的錯誤。像愛因斯坦認為宇宙應該是靜態的，所以加進一個”宇宙常數”已達到他要的解，雖然最後真的存在這個常數，但當時其實也是如果他不加入這個常數，理論模型就無法成立。”

她說：”所以又回到你曾經說的” 所有的科學理論通常都是基於一個假設，然後用一個數學模型，來描述我們所看到的現象….我們只能確定那些數學模型目前適合描述我們這一個宇宙。然而我們心中一定要了解，…..看到的事實未必就是真正的客觀事實。”。”

我說：”對啊，要永遠保持求知的心，但不要放棄”質疑”，還有力氣漫遊太空嗎?” 

她說：”飛一下嘛”

我說：”還記得上次飛行了哪些地方嗎?”

她說：”上次飛了26,000光年，首先越過了歐特雲(1光年)，離開太陽系，遇見了最靠近我們的半人馬座α星(4.37光年)，天狼星(8.6光年)，織女星(25光年)…飛過了本星際雲(30光年大小)，看見姐姐的金牛座α星(67光年)，爸爸的獅子座α星(79光年)…，經過本地泡 (300光年)，遇到室女座α星(250光年)，半人馬座β星(392光年)…在古爾德帶 (3000光年)，有獵戶座α星(640光年)，獵戶座β星(863光年)，馬頭星雲(1100光年)，獵戶座大星雲(1500光年)，越過古爾德帶，有薔薇星雲(4600光年)…， 最後終於飛出了直徑達十萬光年的銀河系囉，那我們現在是在哪裡呢?” 

我說：”我們現在已經進入了直徑大約覆蓋在1000萬光年區域的” 本星系群 ”(Local Group)， 本星系群大約包含了50個星系，其中有四個最大的星系，那就是

1.     銀河系

2.     我們銀河系的伴星系大麥哲倫星系(距離我們16萬光年)/小麥哲倫星系(距離我們20萬光年)

3.     仙女座星系(M31 or NGC224, Andromeda Galaxy)，距離我們230萬光年

4.     三角座星系(M33)，距離我們250萬光年

我們再來看一下姐姐幫我照著牛頓雜誌繪製的圖”

她說：” 仙女座星系怎麼畫得這麼大啊，比我們銀河系還大，有沒有搞錯啊！”

我說：”沒有啦，姐姐沒有畫錯，仙女座星系的直徑是銀河系的兩倍大，大概有22~26萬光年。仙女座星系應該是本星系群中最大的星系。最近的觀測顯示仙女座星系有將近一兆（10¹²）顆恆星，數量遠比我們的銀河系多的多哦。”

她說：”既然它這麼大，這麼多的星星，我們用眼睛就看得到它嗎?”

我說：”我自己是沒真的看到過(喔喔，沒有充分利用爸爸買的天文望遠鏡)，但是據說在我們北半球黑暗偏遠又無光害的環境下，是可以用肉眼看到的，不過它只有中心一小塊的區域有足夠的亮度，所以肉眼看到的仙女座星系是非常小的。我們來看一下美麗的仙女座星系圖。”

她說：” 仙女座星系就是你之前曾說過在30億年後，可能會和我們的銀河系撞在一起的那個星系嗎?”

我說：”對啊，目前的觀測認為仙女座星系正以每秒300公里的速度朝向銀河系飛來，可能在30-40億年後撞上銀河系。”

她說：”那我們不是完蛋了嗎?”

我說：”即使真的的發生碰撞，太陽和其他的恆星會發生互相碰撞的機率也幾乎是零，宇宙空間那麼的大。我們兩個星系反而應該是會花上數十億年的時間合併成橢圓星系才對。不過到那時候，我們人類可能早已滅絕了，你不用擔心啦。對了，仙女座星系是在1924年由天文學家哈伯發現的，這也是我們第一次發現原來這個宇宙不只有一個銀河系而已，銀河系之外原來還有其他的星系，這可改變了我們原來的宇宙觀哦…” 

她說：”那我們銀河系的伴星系大麥哲倫星系(距離我們16萬光年)/小麥哲倫星系(距離我們20萬光年)大不大呢?”

我說：” 大小麥哲倫星系的直徑大約是銀河系的1/20，約有100億顆恆星。他們是繞著我們銀河系運轉的星系，不像銀河系或仙女座星系有固定的形狀，有些人推測他們之所以沒有固定的形狀，應該是受到我們銀河系的重力擾動。”

她說：”那我們肉眼可以直接看得到它嗎?”

我說：”應該看得到，否則就不會被斐迪南·麥哲倫在1519年-1521年率領船隊首次環航地球時發現，也因此而取了這個名字。但據說早在西元964年，在波斯的恆星之書（Book of Fixed Stars）中就已經記錄了這兩個星系。不過，你需要在南半球才看得到，或許在昌黎叔叔家就看得到哦。這就是大小麥哲倫星系”

她說：”所以，在本星系群中，最大是仙女座星系，再來是銀河系，然後是大小麥哲倫星系…”

我說：”慢慢慢，第三大星系是三角座星系(M33)，距離我們250萬光年。三角座星系(M33) 又稱為紙風車星系，因為形狀像紙風車。它的直徑有5.5萬光年，也是肉眼就可以看到哦。而且，根據觀測，三角座星系也是正以每秒190公里的速度朝向仙女座星系運動，現在讓我們來看一下這個可愛的紙風車星系吧。”

她說：” 飛出了直徑1000萬光年區域的本星系群，是哪裡啊?”

我說：”我們現在到達了直徑高達1億1千萬光年的室女座超星系團（Virgo Supercluster，簡稱Virgo SC），或者叫做本超星系團（Local Supercluster，簡稱LSC或LS），這裡面至少有100個星系團。現在你來看一下從本星系群至本超星系團中其他星系群或星系團的距離，你就可以看到這些距離真的是”天文數字”，這個宇宙有多大啊。”

她說：”我們現在可以觀測得到的宇宙到底有多大啊?”

我說：”目前我們觀測得到的宇宙的半徑大概是460億光年，也就是直徑大概快1000億光年的範圍。”

她說：”恆星組成星系，星系再組成星系群、星系團，然後是超星系團…”

我說：”有一個有趣的現象是我今天最後要告訴你的，當天文學家開始試著標示成千上萬個和銀河系一樣等級的星系時，發現星系、星系團的分布，並不是以往所想像的均勻分布在這個宇宙，而是疏密不均的。有些地方密密麻麻，有些地方則空空洞洞。我們來看一下下面這一張以地球為中心，以一億光年為尺度，標示著所有星系/星系團的宇宙，你就可以看到這個宇宙大尺度的樣子。”

她說：”好有趣哦！為什麼形成這樣的結構?”

我說：”不知道，目前猜測這些空空洞洞的地方就是暗物質。大爆炸之後，有些形成日月星辰，有些則形成暗物質…爸爸在他的部落格” 上帝大腦與梵天之夢──《球狀閃電》讀後”的那篇裡，就曾經說過”大尺度的宇宙圖像與大腦神經細胞結構何其相似，令人不由得聯想我們這個宇宙是否就是某智慧生物（上帝？）的大腦。”"

她說：”真的是好有趣哦！”

我說：”還記得我之前講過關於大爆炸理論嗎? 第一個觀測證據是”紅移”，第二個觀測證據是”宇宙微波背景輻射”的存在，而第三個非常重要的觀測證據就是這個大尺度的宇宙圖像。因為以大爆炸理論為模型，模擬計算宇宙的結構時，發現完全符合這個大尺度的宇宙圖像，也因此，為大爆炸理論提供了一個更強有力的支持證據喔。今天談太多了，休息吧！”