希格斯理論創(chuàng)始人英國科學(xué)家希格斯，在預(yù)測希格斯粒子49年后，于2013獲得年諾貝爾物理學(xué)獎
希格斯粒子是一種基本粒子，全名希格斯玻色子，綽號上帝粒子。希格斯粒子質(zhì)量為125GeV（千兆電子伏），自旋為零且不帶電荷，極不穩(wěn)定容易衰變，只能存在10^?22秒（符號^表示多少次方）會立刻衰變成其它粒子。2013年3月，歐洲核子研究組織公開確認(rèn)，探測到新粒子，即希格斯粒子。希格斯機(jī)制簡單的說就是宇宙萬物的質(zhì)量都起源于希格斯場，“場”可以簡單的理解為整個宇宙時空上的數(shù)學(xué)函數(shù)（或者稱之為作用原理）。本文盡量用最通俗的語言解釋希格斯場的前世今生，重要一些的通俗部分文字已涂黑。
墨西哥帽子外形是溫度能量，圓球是希格斯場
為了形象的闡述上述理論，科學(xué)家常使用這個實(shí)例，上圖是墨西哥草帽，草帽代表希格斯勢能，圓球代表希格斯場。但是這樣也不好讓大家理解，我決定改變一下設(shè)置。設(shè)定墨西哥草帽的中心垂直軸線為對稱線；草帽代表希格斯場能量的高低，就是表示了下面宇宙誕生的溫度；草帽底部的凹槽代表基本粒子；圓球表示希格斯場；而圓球與草帽底部凹槽之間貼合的緊密程度表示耦合強(qiáng)度，耦合強(qiáng)度后面會介紹。
希格斯粒子的起源，涉及到宇宙的誕生過程，按照宇宙學(xué)理論：
1- 宇宙最初的狀態(tài)就是一個奇點(diǎn)，奇點(diǎn)質(zhì)量無窮大，體積無窮小，此時整個宇宙還不存在，沒有時間，也沒有空間。奇點(diǎn)是什么構(gòu)成的我也不知道，有科學(xué)家認(rèn)為是奇子或別的什么，叫什么并重要，重要的是原理。
2- 直到奇點(diǎn)發(fā)生大爆炸才開始生成宇宙，10^-36到10^-32秒之間，宇宙半徑驟然膨脹了至少10^26倍，這就是“暴脹理論”。爆炸之初的全部能量由希格斯場攜帶，此時希格斯場為“暴脹希格斯場”狀態(tài)，雖然各類基本粒子已經(jīng)開始形成，但希格斯場還未激發(fā)，尚不能為各類粒子賦予質(zhì)量。
宇宙大爆炸，最開始的小亮點(diǎn)就是奇點(diǎn)
3- 爆炸最初的溫度超過大統(tǒng)一溫度10^29K（開爾文K=攝氏度℃+273，而太陽中心的溫度“僅僅”為10^7K)，則所有基本粒子都不具有質(zhì)量。
4- 在大爆炸之后的10^-35秒之內(nèi)，溫度高于10^28K，實(shí)際上溫度比最初已經(jīng)開始下降了，強(qiáng)力、弱力、電磁力會統(tǒng)一成一種力稱之為核力。
5- 以上過程中因?yàn)闇囟纫恢焙芨?，圖中的圓球（表示希格斯場）因爆炸溫度提供能量足夠大，一直在草帽（代表能量）的頂部處于高能量狀態(tài)，并且相對草帽中心軸線具有對稱性，希格斯場還不能起作用或稱之為激發(fā)。能量足夠大時，圓球（表示希格斯場）就可以一直保持在頂部因此有對稱性。
6-溫度繼續(xù)下降到10^28K以下時，強(qiáng)力與弱電力分離，此時統(tǒng)一希格斯場呈凝聚態(tài)，就像開水中的一鍋粥。此時草帽頂部的圓球（表示希格斯場）處于搖搖欲墜的狀態(tài)，希格斯場仍然不能激發(fā)。
7- 宇宙的溫度再降到10^15K以下時弱力與電磁力分，隨即發(fā)生躍遷至最低能量態(tài)，即希格斯場相變凝聚，此時希格斯場處于量子真空態(tài)：即能量最低的狀態(tài)，此時場是不可觀測的，而可觀測的狀態(tài)，而與之對應(yīng)的有粒子的狀態(tài)稱之為場的激發(fā)態(tài)。此時圓球（表示希格斯場）從草帽的頂部滑落下來，來到草帽底部凹槽的位置，其連續(xù)對稱性因此被自發(fā)打破，希格斯場就可以開始起作用了。這種滑落會導(dǎo)致自發(fā)對稱性破缺：是指某些物理系統(tǒng)，遵守自然規(guī)律的某種對稱性，但是其系統(tǒng)本身卻不具有這種對稱性，這是一種自發(fā)性過程，顯然，如果能量足夠大，圓球（希格斯場）就可以一直保持在頂部因此有對稱性，但如果希格斯場能量不夠，圓球就會很容易滾落到底部從而具有不對稱性。
楊振寧的統(tǒng)一場理論，g是耦合常數(shù)，g值越大表示耦合強(qiáng)度越大
現(xiàn)在希格斯場就可以開始通過希格斯機(jī)制起作用了，下面將敘述希格斯機(jī)制，簡單的說就是在希格斯場中，W/Z玻色子和費(fèi)米子與希格斯場發(fā)生耦合獲得質(zhì)量，這里有必要先說一說耦合和耦合強(qiáng)度的概念，見上下兩個圖。
量子色動力學(xué)中的色流方程，g為耦合常數(shù)
耦合就是兩個或多個物理量之間，產(chǎn)生了持續(xù)地相互作用，相當(dāng)于“匹配”的功能。這個相互作用，是物理上可以測量的效應(yīng)，這個效應(yīng)的強(qiáng)弱可以用耦合常數(shù)來表示。耦合常數(shù)是量子物理中，相互作用強(qiáng)度的一種度量。舉個例子，荷子的自旋磁矩與電磁場強(qiáng)度的比值，耦合強(qiáng)度即“精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)”來表示，正因?yàn)槲锢韱挝徊煌?，精?xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)是一個無量綱的數(shù)字。精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)最初表示電子在第一玻爾軌道上，其運(yùn)動速度和真空中光速的比值，約為1/137，目前量子場論認(rèn)為是電磁相互作用中電荷之間耦合強(qiáng)度的一種度量。所有耦合都有耦合強(qiáng)度，類似于電荷或色荷，其大小與相互作用粒子的性質(zhì)有關(guān)。耦合強(qiáng)度可以使用耦合常數(shù)及多種因素一起來度量，常常用耦合概率來表示，耦合概率越大，耦合強(qiáng)度就越大。實(shí)際上強(qiáng)核力的色流方程和統(tǒng)一理論的楊米爾斯方程中，都有耦合常數(shù)項(xiàng)，它代表了粒子與作用場“吻合”或“適配”的程度。
耦合強(qiáng)度近似于圓球和草帽凹槽的吻合度
這些描述畢竟比較抽象，還是用草帽來說明，宇宙爆炸并充分冷卻后，現(xiàn)在圓球已經(jīng)滑落到草帽底部凹槽，表示希格斯機(jī)制開始激發(fā)。圓球（希格斯場）與草帽底部凹槽（基本粒子）如果能“匹配”我們就稱之為耦合，如果凹槽是方形的，圓球就不能與之匹配或耦合；如果凹槽也是圓形的，圓球自然就能與之耦合。即使圓球能和凹槽耦合，但是因?yàn)樗鼈兊闹睆讲煌?，接觸面積自然也不同，二者的“貼合”或“吻合”程度就不同，二者直徑越接近時，它們之間的表面接觸面積越大，我們就可以說耦合強(qiáng)度越大，反之則耦合強(qiáng)度越小。
根據(jù)量子場論,每一種基本粒子是其對應(yīng)量子場的微小振動，比如光子是電磁場的微小振動，電子是電場的微小振動，夸克是強(qiáng)核力場的微小振動……這種效應(yīng)被稱為量子化激發(fā)。希格斯機(jī)制認(rèn)為，粒子就從希格斯場的振動中被量子化激發(fā)，通過耦合獲得質(zhì)量。就是說粒子都是各類量子場的振動形式或表象，粒子與希格斯場可以產(chǎn)生耦合作用獲得了質(zhì)量。希格斯機(jī)制產(chǎn)生質(zhì)量的原理大致分類如下：
1- 希格斯粒子自身也會從希格斯場的振動中，通過自耦合而獲得質(zhì)量。自耦合可以不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦斫鉃樽约汉妥约喊l(fā)生作用，打個近似的比方，電網(wǎng)中自耦高壓變壓器的線圈總有一段是輸入和輸出端公用的，相當(dāng)于電壓輸入和輸出端共同都使用這一部分。
2- 傳播弱核力的W和Z玻色子，與希格斯場耦合強(qiáng)度高，因此從希格斯場獲得了質(zhì)量。
3- 夸克和電子是通過在希格斯場中的湯川耦合獲得的質(zhì)量，湯川耦合是不同于上述W和Z玻色子的耦合機(jī)制的，這里并不想做過多介紹。
光是由光子構(gòu)成的，光子運(yùn)動不是直線而是波動
4-而作為規(guī)范玻色子的光子和膠子沒有質(zhì)量，是因?yàn)樗鼈兣c希格斯場不耦合。光子為電磁力的傳播子，膠子為強(qiáng)核力的傳播子，分別應(yīng)遵守U(1)和SU(3)規(guī)范對稱性。以光子為例，如果對電磁場局部變換即在每一個空間點(diǎn)上給電磁勢能加上一個任意函數(shù)，麥克斯韋方程組依然能夠成立，這個局部變換不會改變電磁力和能量。就像上面的墨西哥草帽所描述的對稱性那樣，如果要保持局部變換下的不變性（設(shè)想一下，就是讓球停在草帽頂部），就必須要求光子沒有質(zhì)量（因?yàn)橄８袼箞鲞€沒有開始起作用）。一旦光子有了質(zhì)量，麥克斯韋方程組就會被破壞。所以量子理論中必須假設(shè)光子沒有質(zhì)量，而且不受到希格斯場的影響。另外一個更重要的原因是：光子是以光速運(yùn)動的，膠子也是近乎于光速運(yùn)動的，按照愛因斯坦狹義相對論的觀點(diǎn)，任何有質(zhì)量的物質(zhì)均不能達(dá)到光速，因此光子和膠子被認(rèn)為沒有質(zhì)量，或者在現(xiàn)有理論下它們被假定為沒有質(zhì)量。
5- 中微子也是自然界的基本粒子，質(zhì)量約為電子的百萬分之一，除了參與弱核力，其余作用常都對它無效，包括希格斯場。因?yàn)橹形⒆硬粚儆谠觾?nèi)部的粒子，其質(zhì)量的產(chǎn)生機(jī)制目前依然是個謎團(tuán)。
處在希格斯場中的粒子，如果能與場發(fā)生耦合，就會不斷的發(fā)生相互作用，就像在水中運(yùn)動的物體，會受到水分子的阻力一樣，并且物體質(zhì)量越大，運(yùn)動受到的水阻力就越大，此時水阻力帶來的就像物體的慣性質(zhì)量一樣，是阻礙物體運(yùn)動狀態(tài)的度量。進(jìn)而言之，宇宙中的遍布的希格斯場就像是“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)合進(jìn)一步組成復(fù)合粒子等一切物質(zhì)。結(jié)論，質(zhì)量最根本的來源，是希格斯場通過希格斯機(jī)制產(chǎn)生的，并且這個概率越大，耦合強(qiáng)度越大，質(zhì)量就越大，概率越小則反之。
請?jiān)倏匆淮尾菝眻D，我們依然設(shè)定墨西哥草帽的中心垂直軸線為對稱線；草帽代表希格斯場的能量，表示宇宙的溫度；圓球表示希格斯場，圓球是石膏制作的容易掉粉。
草帽的凹槽是粒子，石膏圓球滾動中落在凹槽中的粉末是粒子的質(zhì)量
總結(jié)，粒子產(chǎn)生質(zhì)量的過程按照順序排列，大致如下：
1- 宇宙大爆炸之初，圓球（希格斯場）一直處在草帽（能量）的頂部，代表了場高能量狀態(tài)，但是具有對稱性，此時圓球（希格斯場）靜止不動就是不起作用，那么宇宙中全部粒子沒有質(zhì)量。
2- 宇宙溫度降低，圓球（希格斯場）還處在草帽（能量）的頂部，圓球雖有輕微晃動勉強(qiáng)能保持平衡不掉下來，表示圓球（希格斯場）處于激發(fā)始態(tài)，但全部粒子仍然沒有質(zhì)量。
3- 宇宙冷卻到臨界溫度時，對稱性打破即圓球失去平衡，圓球從頂部滑落到草帽底部凹槽，能量降低，物理系統(tǒng)對稱性打破，圓球（希格斯場）開始激發(fā)。
4- 圓球在草帽底部凹槽開始滾動，代表著圓球（希格斯場）激發(fā)過程，就是給基本粒子賦予質(zhì)量的意思。注意，這是激發(fā)過程不是結(jié)果，此時基本粒子還沒有獲得質(zhì)量。
5- 我們把凹槽想象為夸克、電子等基本粒子，石膏制作的圓球滾動過程中，會在草帽底部凹槽（粒子）中留下的石膏粉末（粉末在這里代表了粒子的質(zhì)量，注意不是粒子哈）。如果耦合強(qiáng)度大（耦合強(qiáng)度詳見前面的舉例解釋），圓球與凹槽接觸面積大，那么在凹槽內(nèi)留下的白色粉末就多，表示粒子從圓球（希格斯場）中獲得的質(zhì)量大；如果耦合強(qiáng)度小則完全相反。
6- 緊接上面第5條，如果草帽底部凹槽圓周方向有個洞使圓球在滾動中漏了出去，或者凹槽中間有其它雜物堵塞了通道，我們就可以說完全不耦合或說耦合強(qiáng)度極低甚至為零，凹槽上幾乎沒有白色粉末的痕跡即說明粒子沒有從圓球中獲得質(zhì)量。“可憐”的光子和膠子就是因?yàn)椴菝庇袉栴}，不與希格斯場耦合而沒有獲得質(zhì)量，當(dāng)然這也是“幸運(yùn)”的，不然就少了光速這個我們最愛討論的物理概念了。
7- 總結(jié)上面5、6兩條產(chǎn)生質(zhì)量的過程，凹槽（粒子）在圓球（希格斯場）滾動前是沒有石膏粉末（質(zhì)量）的，必須在圓球滾動后才會留下一圈圈的粉末，代表著通過希格斯場作用后粒子才能獲得質(zhì)量。
8- 回看上述圓球還在草帽頂部的狀態(tài)，試想如果圓球一直處于帽頂?shù)膶ΨQ狀態(tài)保持高能量，那么基本粒子就無法獲得質(zhì)量（因?yàn)閳A球還在帽子頂部，凹槽中一定不會有白色粉末留下），圓球只有滑落到帽底希格斯場激發(fā)后才能讓基本粒子獲得質(zhì)量，所以必須打破對稱性，這就是自發(fā)對稱性破缺在希格斯場機(jī)制下的作用機(jī)理。
從相對論和到量子物理，哪兒都有他，這就是我們喜歡他的原因
希格斯場并不能賦予粒子全部的質(zhì)量，除了前面說的中微子外，還有夸克的質(zhì)量來源。研究表明質(zhì)子、中子這類復(fù)合粒子的質(zhì)量只有約2%是歸因于希格斯機(jī)制，剩余約98%則是夸克的動能與膠子的能量。運(yùn)動的能量等價于質(zhì)量,能量代表著運(yùn)動；反過來能量等價于質(zhì)量，運(yùn)動可以產(chǎn)生動質(zhì)量，這就是希格斯場符合相對論效應(yīng)的具體體現(xiàn)。還有就是光子雖然沒有靜止質(zhì)量，但目前有理論認(rèn)為光子存在動質(zhì)量，而且100%都是動質(zhì)量，目前中國科學(xué)家光認(rèn)為子的靜止質(zhì)量不會超過10的負(fù)54次方千克。從質(zhì)能方程中E=mc^2能看出，是靜止的光子達(dá)到了光速后擁有能量，能量又轉(zhuǎn)化為其質(zhì)量。
希格斯場與暗物質(zhì)和暗能量的關(guān)系
讓我們再次把目光投向宇宙，希格斯場不僅為原子核內(nèi)的多數(shù)粒子提供了質(zhì)量，還可能為暗物質(zhì)提供了質(zhì)量。我們猜測，宇宙大爆炸后除了粒子和能量構(gòu)成了我們熟悉的一切物質(zhì)，其余大爆炸殘余物質(zhì)和能量構(gòu)成了暗物質(zhì)和暗能量，它們也是在希格斯場的作用下從暗能量那里“借”來質(zhì)量，然后隨暗物質(zhì)一起湮滅，又成為暗能量，相當(dāng)于把能量又“還”給了暗能量，這樣周而復(fù)始的物質(zhì)誕生和湮滅就是量子漲落。這種“借”和“還”的關(guān)系不僅是能量平衡的方式，也是宇宙的對稱性的一種表現(xiàn)。這讓我想起上小學(xué)時和同學(xué)互相借錢買冰糕時大家愛說的一句話：有借有還，再借不難。
簡單的總結(jié)，希格斯場為宇宙中的粒子帶來了質(zhì)量，這種質(zhì)量是希格斯場從大爆炸中產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)化來的，而大爆炸殘余的能量繼續(xù)在希格斯場作用下在宇宙的“真空”中產(chǎn)生暗物質(zhì)。
質(zhì)量的起源是很復(fù)雜的，希格斯理論試圖解釋從最宏觀到最微觀的一切質(zhì)量起源，雖然實(shí)驗(yàn)已經(jīng)部分證明了其理論的正確性，似乎還是不夠完美的，因?yàn)樗⒉荒芙忉屢磺?，包括上面說的中微子的質(zhì)量來源，以及光子和膠子可能有動質(zhì)量的問題，至少部分理論可能有重整化的必要。不過這也是科學(xué)研究的必經(jīng)之路，對未知領(lǐng)域先大膽猜想，再小心求證。宇宙是有限的，人類的思維是無限的。
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