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深度長(zhǎng)文：萬(wàn)物都有質(zhì)量但質(zhì)量到底是如何產(chǎn)生的？（超5000字）微觀粒子的質(zhì)量，到底是從何而來(lái)？為什么費(fèi)米子、W玻色子、Z玻色子具有質(zhì)量，而光子、膠子的質(zhì)量為零？ 本文，將會(huì)詳細(xì)介紹和解讀——上帝粒子是什么，微觀質(zhì)量如何形成，以及希格斯機(jī)制的詳細(xì)作用過(guò)程。并以通俗易懂的語(yǔ)言，讓人徹底明白，在粒子標(biāo)準(zhǔn)模型理論中，質(zhì)量的來(lái)源之謎。 相關(guān)物理概念，主要參考詞條：希格斯玻色子，希格斯場(chǎng)和希格斯機(jī)制。 上帝粒子，其實(shí)是一個(gè)“藝名”，它的本名稱(chēng)為——希格斯粒子，或希格斯玻色子（Higgs Boson）——它是標(biāo)準(zhǔn)模型里的一種基本粒子，也是一種玻色子，自旋為零，宇稱(chēng)為正值，不帶電荷色荷，極不穩(wěn)定（平均壽命為1.56×10^−22秒），生成后會(huì)立刻衰變成其它粒子。 那么，之所以稱(chēng)希子為上帝粒子，是因?yàn)閷ふ业剿惓＠щy（極不穩(wěn)定容易衰變），而一旦證明了它的存在，就證明了微觀質(zhì)量產(chǎn)生機(jī)制的正確性，并且它當(dāng)時(shí)還是標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言中，最后一個(gè)還未被發(fā)現(xiàn)的粒子（2013年已經(jīng)被證實(shí)存在）。 于是，有人為了凸顯希子的重要性與發(fā)現(xiàn)的困難性，就將它戲稱(chēng)為了——上帝粒子。 簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，微觀質(zhì)量最根本的來(lái)源，是由希格斯場(chǎng)（Higgs Field）產(chǎn)生的。 具體一些就是，在希格斯場(chǎng)中，基本粒子——規(guī)范玻色子（W和Z玻色子）和費(fèi)米子（夸克與輕子）會(huì)與希格斯場(chǎng)發(fā)生耦合（即相互作用），從而獲得質(zhì)量。這一過(guò)程的作用機(jī)制，就被稱(chēng)為——希格斯機(jī)制（Higgs Mechanism）。 耦合作用（Coupling）——是兩個(gè)或多個(gè)物理量之間，產(chǎn)生了相互作用。這個(gè)相互作用，是物理上可以測(cè)量的效應(yīng)，這個(gè)效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用耦合常數(shù)來(lái)表示。那么，力是相互作用，也就是耦合作用，于是力的強(qiáng)弱可以用耦合常數(shù)來(lái)表示。耦合常數(shù)（Coupling Constant）——是量子論中，相互作用強(qiáng)度的一種度量。例如，電荷就正比與電磁力的耦合強(qiáng)度，而電磁力的耦合強(qiáng)度使用「精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)」來(lái)表示。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)——是一個(gè)數(shù)字，表示電子在第一玻爾軌道上，其運(yùn)動(dòng)速度和真空中光速的比值（近似為137.03599976）。 并且同時(shí)齒輪齒條，希子也會(huì)從希格斯場(chǎng)的振動(dòng)中，被量子化激發(fā)（類(lèi)似電磁場(chǎng)產(chǎn)生光子），通過(guò)自耦合而獲得質(zhì)量。 量子化激發(fā)——根據(jù)量子場(chǎng)論，所有萬(wàn)物都是由一個(gè)或多個(gè)量子場(chǎng)制成，每一種基本粒子是其對(duì)應(yīng)量子場(chǎng)的微小振動(dòng)，就如同：光子是電磁場(chǎng)的微小振動(dòng)，夸克是夸克場(chǎng)的微小振動(dòng)，電子是電子場(chǎng)的微小振動(dòng)等等。 由此可見(jiàn)，如果希子被證實(shí)存在，則希格斯場(chǎng)也就應(yīng)該存在，同時(shí)希格斯機(jī)制也就可以被確定基本無(wú)誤了。 所以，上帝粒子——希子的確認(rèn)，其最重要的意義，就是對(duì)希格斯場(chǎng)與希格斯機(jī)制的確認(rèn)——而就是對(duì)微觀質(zhì)量（即靜質(zhì)量）起源之謎的最終解答。 那么，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型理論（Standard Model），宇宙空間中的各處都充滿(mǎn)了希格斯場(chǎng)，并且希格斯場(chǎng)是源于——希格斯機(jī)制應(yīng)用了自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，才使基本粒子獲得了質(zhì)量。 自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺（Spontaneous Symmetry Breaking）——是指某些物理系統(tǒng)，遵守自然規(guī)律的某種對(duì)稱(chēng)性，但是其系統(tǒng)本身卻不具有這種對(duì)稱(chēng)性。 一個(gè)拋硬幣系統(tǒng)，正反面是等概率的——這是自然規(guī)律（即由數(shù)學(xué)描述）的對(duì)稱(chēng)性，而一旦拋出硬幣落地，正反面就確定了——此時(shí)系統(tǒng)本身（即物理現(xiàn)實(shí)）的概率就不對(duì)稱(chēng)了。 那么，拋硬幣系統(tǒng)，就是遵守自然規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性，但系統(tǒng)本身運(yùn)作卻不具有這種對(duì)稱(chēng)性。也可以理解為，數(shù)學(xué)（描述物理系統(tǒng)）上的對(duì)稱(chēng)性，在物理現(xiàn)實(shí)中，可能會(huì)不具有這種對(duì)稱(chēng)性。 可見(jiàn)，自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺——是確定性，從概率的對(duì)稱(chēng)性中，隨機(jī)顯現(xiàn)出來(lái)，形成不對(duì)稱(chēng)性的過(guò)程——這就像是一個(gè)特定的現(xiàn)實(shí)，從數(shù)量巨大的一系列的可能性中，隨機(jī)選擇拼湊而來(lái)，如同上帝擲骰子的過(guò)程一樣。 由此可見(jiàn)，我們的世界——是對(duì)稱(chēng)中有不對(duì)稱(chēng)，不對(duì)稱(chēng)中有對(duì)稱(chēng)，這完全取決于整體與局部的相對(duì)視角，即：從不對(duì)稱(chēng)的局部，上升到整體就會(huì)對(duì)稱(chēng)，再繼續(xù)上升到局部，就又會(huì)不對(duì)稱(chēng)，如此隨著視角的上升——整體與局部的不斷變化——而如此往復(fù)。 事實(shí)上，在量子力學(xué)里，真空并不是沒(méi)有任何物質(zhì)的空間，而是充滿(mǎn)了場(chǎng)與虛粒子的。 其中，虛粒子是無(wú)質(zhì)量、無(wú)法直接觀測(cè)到的粒子，但它會(huì)持續(xù)地隨機(jī)生成，或湮滅于空間的任意位置，產(chǎn)生可觀測(cè)效應(yīng)，即量子效應(yīng)（注意只要能夠直接觀測(cè)到粒子本身，就是實(shí)粒子，而不是虛粒子）。 而場(chǎng)，理論上它是充滿(mǎn)了整個(gè)宇宙的量，可以用數(shù)學(xué)上的一個(gè)函數(shù)描述——可見(jiàn)它并不是時(shí)空，是定義在時(shí)空上的函數(shù)。 場(chǎng)，有不可觀測(cè)的時(shí)候，但由于量子漲落，它又會(huì)出現(xiàn)可以觀測(cè)的時(shí)候（即通過(guò)相互作用來(lái)呈現(xiàn)）。所以，場(chǎng)充滿(mǎn)了宇宙，其實(shí)是充滿(mǎn)了，可觀測(cè)和不可觀測(cè)狀態(tài)的疊加狀態(tài)，并會(huì)隨機(jī)的展現(xiàn)出一個(gè)狀態(tài)。 量子漲落——是指在空間任意位置，能量的暫時(shí)變化，也稱(chēng)量子真空漲落。從海森堡的不確定性原理，可以推導(dǎo)出這結(jié)論。 那么，量子真空，就可以理解為場(chǎng)的真空態(tài)——是場(chǎng)能量最低的狀態(tài)，此時(shí)場(chǎng)是不可觀測(cè)的，而可觀測(cè)的狀態(tài)，也就是有粒子的狀態(tài)——稱(chēng)之為場(chǎng)的激發(fā)態(tài)。 由此可見(jiàn)，場(chǎng)的激發(fā)態(tài)產(chǎn)生了（實(shí)）粒子，所以可觀測(cè)，場(chǎng)的真空態(tài)只有虛粒子，所以不可觀測(cè)。 而所有場(chǎng)和粒子，可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是物質(zhì)場(chǎng)與物質(zhì)粒子，如電子場(chǎng)與電子；另一類(lèi)是規(guī)范場(chǎng)與規(guī)范粒子，如電磁場(chǎng)與光子。 于是，場(chǎng)就可以看成是，同類(lèi)型粒子的集合，而場(chǎng)中的微小振動(dòng)（即量子化激發(fā)），就產(chǎn)生了一類(lèi)粒子，就如：電子是電子場(chǎng)的微小振動(dòng)，光子是電磁場(chǎng)的微小振動(dòng)。 在溫度（能量）特別高，即超過(guò)大統(tǒng)一溫度的時(shí)候，宇宙中充滿(mǎn)遍布了——四種無(wú)質(zhì)量規(guī)范玻色子和一個(gè)希格斯場(chǎng)。 大統(tǒng)一溫度——大約是10^29K，對(duì)比起來(lái)，太陽(yáng)中心溫度僅為10^7K。 而希格斯場(chǎng)的能量性質(zhì)和形式，由希格斯勢(shì)（函數(shù)）描述——它就像一個(gè)墨西哥草帽，在草帽頂部能量（勢(shì)能）最大——具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性保護(hù)性氣氛，在草帽底部能量（勢(shì)能）最小——不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性。 想象，墨西哥草帽的帽頂有一個(gè)圓球，此時(shí)圓球具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性——對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置不變。而圓球滾落至帽底的任意位置，不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性──對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置會(huì)改變，除非旋轉(zhuǎn)2π（即360度）的整數(shù)倍。 如果說(shuō)草帽——是希格斯勢(shì)，那么圓球——就是希格斯場(chǎng)，即：圓球的能量分布是一個(gè)草帽的形狀。并且，圓球處在帽頂，即勢(shì)能最大，圓球處在帽底，即勢(shì)能最小。顯然，如果能量足夠大，圓球就可以維持在頂部——代表其勢(shì)能最大，但如果能量不足夠，圓球就會(huì)很容易滾落到底部——代表其勢(shì)能最小。 于是，當(dāng)溫度（能量）下降，直到低于大統(tǒng)一溫度的時(shí)候，希格斯場(chǎng)的能量（如草帽），就很容易自發(fā)的下降（如圓球的滑落），而在能量最低的時(shí)候（如圓球來(lái)到草帽底部），希格斯場(chǎng)不具有對(duì)稱(chēng)性（如圓球不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性）。 因此，我們可以說(shuō)，希格斯場(chǎng)在帽頂，此時(shí)希格斯勢(shì)描述的物理系統(tǒng)，具有對(duì)稱(chēng)性——這代表著自然規(guī)律的對(duì)稱(chēng)性；而希格斯場(chǎng)在帽底，此時(shí)希格斯勢(shì)描述的物理系統(tǒng)，其對(duì)稱(chēng)性就被打破了。 而在物理現(xiàn)實(shí)中，隨著溫度下降，希格斯場(chǎng)總會(huì)趨向最低能量態(tài)，即自發(fā)抵達(dá)量子真空態(tài)。以數(shù)學(xué)來(lái)表述，希格斯場(chǎng)的量子真空態(tài)——就是在數(shù)學(xué)表達(dá)上的真空期望值（場(chǎng)可以用數(shù)學(xué)函數(shù)描述）。 顯然，希格斯場(chǎng)的量子真空態(tài)并不唯一，就如圓球可以來(lái)到帽底的任意位置——這對(duì)應(yīng)了無(wú)窮多個(gè)（具有相同能量）簡(jiǎn)并的最低能量態(tài)，但在這無(wú)窮多個(gè)的可能性中，只有一個(gè)最低能量態(tài)會(huì)被隨機(jī)到。 簡(jiǎn)并（Degenerate Energy Level）——是指對(duì)于一個(gè)物理體系處于一個(gè)能級(jí)，所對(duì)應(yīng)的可能的狀態(tài)和相應(yīng)波函數(shù)，并不是唯一的。 而一旦最低能量態(tài)被隨機(jī)到，希格斯場(chǎng)（如圓球）的旋轉(zhuǎn)對(duì)稱(chēng)性就會(huì)被打破——造成自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺。 那么，重要的是，最低能量態(tài)（只要時(shí)間足夠長(zhǎng)）就一定會(huì)被隨機(jī)到，因?yàn)闇囟认陆�，高�?shì)能會(huì)自然趨向低勢(shì)能（如圓球的滑落）。而這以數(shù)學(xué)來(lái)表述，就是希格斯場(chǎng)的線(xiàn)。 由此可見(jiàn)，是溫度下降到一個(gè)特定值，讓希格斯場(chǎng)的線(xiàn)，從而導(dǎo)致了自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺的發(fā)生。 也就是說(shuō)，理論上存在無(wú)數(shù)個(gè)可能的量子真空態(tài)，并且這些真空態(tài)在整體上是對(duì)稱(chēng)的，但物理現(xiàn)實(shí)只能選擇一個(gè)，成為局部態(tài)，從而讓量子真空的整體態(tài)，出現(xiàn)對(duì)稱(chēng)性破缺。 那么，自發(fā)對(duì)稱(chēng)性破缺，意味著什么呢？——從隨機(jī)到確定，概率給出結(jié)果，可能性變成現(xiàn)實(shí)，虛幻從虛無(wú)中涌現(xiàn)，即：希格斯場(chǎng)可以與粒子產(chǎn)生耦合作用了，而正是耦合作用，讓粒子獲得了質(zhì)量。 于是，再接下來(lái)，希子就從希格斯場(chǎng)的振動(dòng)中，被量子化激發(fā)，通過(guò)自耦合獲得質(zhì)量。 再然后，四種無(wú)質(zhì)量的規(guī)范玻色子，其中一個(gè)繼續(xù)保持無(wú)質(zhì)量——就是光子，另外三個(gè)會(huì)與希格斯場(chǎng)耦合，產(chǎn)生了W和Z玻色子，即：W+、W-、Z0三個(gè)有質(zhì)量的規(guī)范玻色子。 由此可見(jiàn)，規(guī)范玻色子——膠子和光子沒(méi)有質(zhì)量，是因?yàn)樗鼈兣c希格斯場(chǎng)不耦合。 與此同時(shí)，無(wú)質(zhì)量的費(fèi)米子（夸克與輕子），也會(huì)通過(guò)與（無(wú)處不在且線(xiàn)的）希格斯場(chǎng)，發(fā)生湯川耦合，從而獲得質(zhì)量。 湯川耦合（Yukawas Interaction）——在粒子物理學(xué)中，用來(lái)描述標(biāo)量場(chǎng)與狄拉克場(chǎng)之間相互作用的量。 并且，湯川耦合是不同于，W和Z玻色子的耦合機(jī)制的（注意湯川耦合提出的時(shí)候，希子還沒(méi)被發(fā)現(xiàn)）。 希格斯機(jī)制，可以促使其他種費(fèi)米子獲得質(zhì)量。對(duì)于為什么每一種費(fèi)米子，都有其特定的湯川耦合常數(shù)，希格斯機(jī)制并沒(méi)有給出任何說(shuō)明。標(biāo)準(zhǔn)模型里的自由參數(shù)，大多數(shù)都是湯川耦合常數(shù)。 最后，希子的自耦合，又是不同于前兩種耦合的——因?yàn)橄Ｗ邮俏ㄒ徊灰蕾?lài)于希格斯機(jī)制，來(lái)獲得質(zhì)量的。 試想，在希格斯場(chǎng)具有對(duì)稱(chēng)性，還沒(méi)有激發(fā)出希子的時(shí)候，場(chǎng)里充滿(mǎn)了虛粒子，不可觀測(cè)也不會(huì)與任何粒子耦合（即相互作用）。而希格斯場(chǎng)的對(duì)稱(chēng)性被打破，希子激發(fā)于場(chǎng)的微小振動(dòng)，此時(shí)虛粒子涌現(xiàn)了可觀測(cè)的——奧妙又玄妙的量子效應(yīng)滾珠絲杠副。 顯然，耦合有大小，即強(qiáng)度，稱(chēng)為耦合強(qiáng)度——可以理解為一種類(lèi)似于電荷與色荷的東西，其大小與相互作用粒子的性質(zhì)、類(lèi)型、末態(tài)相空間等因素相關(guān)。 耦合強(qiáng)度可以使用耦合常數(shù)及多種因素一起來(lái)度量，其結(jié)果呈現(xiàn)了一種概率，即：耦合概率越大，耦合強(qiáng)度就越大。 相空間——在數(shù)學(xué)與物理學(xué)中，是一個(gè)用以表示出一系統(tǒng)所有可能狀態(tài)的空間；系統(tǒng)每個(gè)可能的狀態(tài)都有一相對(duì)應(yīng)的相空間的點(diǎn)。 由此可見(jiàn)，處在希格斯場(chǎng)中的粒子，如果可以與場(chǎng)發(fā)生耦合，就會(huì)源源不斷的發(fā)生相互作用——就像在水中運(yùn)動(dòng)的物體，會(huì)受到水分子的阻力一樣，并且物體質(zhì)量越大，運(yùn)動(dòng)受到的水阻力就越大，此時(shí)水阻力帶來(lái)的就像是，物體的慣性質(zhì)量一樣，是阻礙物體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的度量。 于是，宇宙中的遍布的希格斯場(chǎng)——就像是“粘稠的濃湯”，把質(zhì)量以概率（即耦合強(qiáng)度）的形式，賦予其中的——規(guī)范玻色子（W和Z玻色子）和費(fèi)米子（夸克與輕子），然后這些粒子復(fù)合構(gòu)建了上層的一切物質(zhì)。 也就是說(shuō)，質(zhì)量最根本的來(lái)源，是希格斯場(chǎng)通過(guò)希格斯機(jī)制源源不斷——“用概率生成的”。 并且，這個(gè)概率越大（即耦合強(qiáng)度越大），質(zhì)量就越大，概率越小質(zhì)量就越小。顯然，不同基本粒子的質(zhì)量不同，就是因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)的耦合概率（即耦合強(qiáng)度）不同。 那么，在標(biāo)準(zhǔn)模型里，如果溫度足夠高（超過(guò)大統(tǒng)一溫度），物理系統(tǒng)的電弱對(duì)稱(chēng)性沒(méi)有被打破，則所有基本粒子都不具有質(zhì)量。 此時(shí)，電弱作用力與強(qiáng)作用力會(huì)統(tǒng)一為電核作用力（Electronuclear Force），傳遞電弱作用力的玻色子（光子）與傳遞強(qiáng)作用力的玻色子（膠子）的任何特征性質(zhì)也都煙消云散，它們的物理行為完全一樣。 而如果溫度低于一個(gè)臨界值（即大統(tǒng)一溫度），希格斯場(chǎng)就會(huì)變得不穩(wěn)定，隨即發(fā)生躍遷至最低能量態(tài)（即量子真空態(tài)）；接著，整個(gè)物理系統(tǒng)的連續(xù)對(duì)稱(chēng)性因此被自發(fā)打破，從而W和Z玻色子、費(fèi)米子就會(huì)獲得質(zhì)量——這就是大爆炸之后的冷卻時(shí)刻。 此時(shí)，不同的粒子與（不同強(qiáng)度的）希格斯場(chǎng)相互作用，而粒子的質(zhì)量，就是由這相互作用（即耦合強(qiáng)度）所決定。這樣「W和Z玻色子軸平面、夸克與輕子」等等，分別獲得其特定的質(zhì)量，而「光子、膠子」也因此不擁有質(zhì)量。 由此可見(jiàn)，高溫是能量，低溫是質(zhì)量，從高溫到低溫的冷卻過(guò)程——就是從能量到質(zhì)量的轉(zhuǎn)化過(guò)程，不過(guò)在溫度未抵達(dá)臨界值的時(shí)候，此時(shí)溫度下降的過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生質(zhì)量。 事實(shí)上，像質(zhì)子、中子這類(lèi)復(fù)合粒子的質(zhì)量，只有約1%是歸因于——將質(zhì)量賦予夸克的希格斯機(jī)制，剩余約99%則是——夸克的動(dòng)能與膠子的能量。 例如，三個(gè)夸克被膠子組合在一起，構(gòu)成了一個(gè)質(zhì)子，其中膠子負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)核力，沒(méi)有質(zhì)量。但我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，三個(gè)夸克的質(zhì)量加起來(lái)約5MeV，卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于一個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量約938MeV，可見(jiàn)大約只占5%的比例。 那么，質(zhì)子除了夸克貢獻(xiàn)的質(zhì)量以外，其它95%的質(zhì)量，其實(shí)就是來(lái)自于各種運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的——動(dòng)質(zhì)量（即由E=mc^2得出的，能量等效的質(zhì)量）。 由此可見(jiàn)，我們測(cè)量微觀粒子——尤其是復(fù)合粒子的質(zhì)量時(shí)，其實(shí)測(cè)得大部分都是相對(duì)質(zhì)量，并且其中99%的都是動(dòng)質(zhì)量，只有1%的是（靜）質(zhì)量。 特別聲明：以上內(nèi)容(如有圖片或視頻亦包括在內(nèi))為自媒體平臺(tái)“網(wǎng)易號(hào)”用戶(hù)上傳并發(fā)布，本平臺(tái)僅提供信息存儲(chǔ)服務(wù)。 接連兩場(chǎng)大火，事發(fā)地媒體卻接連失聲，引胡錫進(jìn)擔(dān)憂(yōu)：官方的約束，弊大于利 孩子哭鬧媽媽一招制服，“聽(tīng)聽(tīng)你的聲音有多美妙”，孩子只想開(kāi)家庭會(huì)，不是開(kāi)新聞發(fā)布會(huì)！ 七彩虹全新游戲本產(chǎn)品線(xiàn)？COLORFIRE MEOW 橘寶筆記本通過(guò)認(rèn)證 惠普星 Book Pro 14 提前上架 2024：Ultra 5 125H，5499 元 微星上架 MPG 491CQP QD-OLED 49英寸顯示器，首發(fā)價(jià)格 7999元 |