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深层解读“上帝粒子”:万物都有质量,但质量到底是如何产生的?

微观粒子的质量,到底是从何而来?为什么费米子、W玻色子、Z玻色子具有质量,而光子、胶子的质量为零?

本文,将会详细介绍和解读——上帝粒子是什么,微观质量如何形成,以及希格斯机制的详细作用过程。并以通俗易懂的语言,让人彻底明白,在粒子标准模型理论中,质量的来源之谜。

相关物理概念,主要参考维基百科词条:希格斯玻色子,希格斯场和希格斯机制。

主题目录如下:

  • 上帝粒子是什么

  • 微观质量的来源

  • 自发对称性破缺

  • 场与粒子

  • 希格斯机制的应用

  • 质量是与希格斯场的耦合

  • 复合粒子的质量

上帝粒子是什么

上帝粒子,其实是一个“艺名”,它的本名称为——希格斯粒子,或希格斯玻色子(Higgs Boson)——它是标准模型里的一种基本粒子,也是一种玻色子,自旋为零,宇称为正值,不带电荷色荷,极不稳定(平均寿命为1.56×10^−22秒),生成后会立刻衰变成其它粒子。

以下,把希格斯粒子简称为“希子”

那么,之所以称希子上帝粒子,是因为寻找到它异常困难(极不稳定容易衰变),而一旦证明了它的存在,就证明了微观质量产生机制的正确性,并且它当时还是标准模型的预言中,最后一个还未被发现的粒子(2013年已经被证实存在)。

于是,有人为了凸显希子重要性与发现的困难性,就将它戏称为了——上帝粒子

微观质量的来源

简单来说,微观质量最根本的来源,是由希格斯场(Higgs Field)产生的。

具体一些就是,在希格斯场中,基本粒子——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子)会与希格斯场发生耦合(即相互作用),从而获得质量。这一过程的作用机制,就被称为——希格斯机制(Higgs Mechanism)。

耦合作用(Coupling)——是两个或多个物理量之间,产生了相互作用。这个相互作用,是物理上可以测量的效应,这个效应的强弱可以用耦合常数来表示。那么,力是相互作用,也就是耦合作用,于是力的强弱可以用耦合常数来表示。

耦合常数(Coupling Constant)——是量子论中,相互作用强度的一种度量。例如,电荷就正比与电磁力的耦合强度,而电磁力的耦合强度使用「精细结构常数」来表示。

精细结构常数——是一个数字,表示电子在第一玻尔轨道上,其运动速度和真空中光速的比值(近似为137.03599976)。

并且同时,希子也会从希格斯场的振动中,被量子化激发(类似电磁场产生光子),通过自耦合而获得质量。

量子化激发——根据量子场论,所有万物都是由一个或多个量子场制成,每一种基本粒子是其对应量子场的微小振动,就如同:光子是电磁场的微小振动,夸克是夸克场的微小振动,电子是电子场的微小振动等等。

由此可见,如果希子被证实存在,则希格斯场也就应该存在,同时希格斯机制也就可以被确定基本无误了。

所以,上帝粒子——希子的确认,其最重要的意义,就是对希格斯场希格斯机制的确认——而就是对微观质量(即静质量)起源之谜的最终解答。

那么,根据标准模型理论(Standard Model),宇宙空间中的各处都充满了希格斯场,并且希格斯场是源于——希格斯机制应用了自发对称性破缺,才使基本粒子获得了质量。

自发对称性破缺

那到底什么是,自发对称性破缺呢?

自发对称性破缺(Spontaneous Symmetry Breaking)——是指某些物理系统,遵守自然规律的某种对称性,但是其系统本身却不具有这种对称性。

举一个简单的例子:

一个抛硬币系统,正反面是等概率的——这是自然规律(即由数学描述)的对称性,而一旦抛出硬币落地,正反面就确定了——此时系统本身(即物理现实)的概率就不对称了。

那么,抛硬币系统,就是遵守自然规律的对称性,但系统本身运作却不具有这种对称性。也可以理解为,数学(描述物理系统)上的对称性,在物理现实中,可能会不具有这种对称性。

可见,自发对称性破缺——是确定性,从概率的对称性中,随机显现出来,形成不对称性的过程——这就像是一个特定的现实,从数量巨大的一系列的可能性中,随机选择拼凑而来,如同上帝掷骰子的过程一样。

然而,无限次抛硬币的统计结果,正反面又会是对称的了。

由此可见,我们的世界——是对称中有不对称,不对称中有对称,这完全取决于整体与局部的相对视角,即:从不对称的局部,上升到整体就会对称,再继续上升到局部,就又会不对称,如此随着视角的上升——整体与局部的不断变化——而如此往复。

场与粒子

事实上,在量子力学里,真空并不是没有任何物质的空间,而是充满了虚粒子的。

其中,虚粒子是无质量、无法直接观测到的粒子,但它会持续地随机生成,或湮灭于空间的任意位置,产生可观测效应,即量子效应(注意只要能够直接观测到粒子本身,就是实粒子,而不是虚粒子)。

,理论上它是充满了整个宇宙的量,可以用数学上的一个函数描述——可见它并不是时空,是定义在时空上的函数。

,有不可观测的时候,但由于量子涨落,它又会出现可以观测的时候(即通过相互作用来呈现)。所以,充满了宇宙,其实是充满了,可观测和不可观测状态的叠加状态,并会随机的展现出一个状态。

量子涨落——是指在空间任意位置,能量的暂时变化,也称量子真空涨落。从海森堡的不确定性原理,可以推导出这结论。

那么,量子真空,就可以理解为场的真空态——是场能量最低的状态,此时场是不可观测的,而可观测的状态,也就是有粒子的状态——称之为场的激发态

由此可见,场的激发态产生了(实)粒子,所以可观测,场的真空态只有虚粒子,所以不可观测。

而所有场和粒子,可以分为两类:一类是物质场与物质粒子,如电子场与电子;另一类是规范场与规范粒子,如电磁场与光子。

于是,场就可以看成是,同类型粒子的集合,而场中的微小振动(即量子化激发),就产生了一类粒子,就如:电子是电子场的微小振动,光子是电磁场的微小振动。

希格斯机制的应用

在温度(能量)特别高,即超过大统一温度的时候,宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子和一个希格斯场

大统一温度——大约是10^29K,对比起来,太阳中心温度仅为10^7K。

而希格斯场的能量性质和形式,由希格斯势(函数)描述——它就像一个墨西哥草帽,在草帽顶部能量(势能)最大——具有旋转对称性,在草帽底部能量(势能)最小——不具有旋转对称性

想象,墨西哥草帽的帽顶有一个圆球,此时圆球具有旋转对称性——对于绕着帽子中心轴的旋转,圆球的位置不变。而圆球滚落至帽底的任意位置,不具有旋转对称性──对于绕着帽子中心轴的旋转,圆球的位置会改变,除非旋转2π(即360度)的整数倍。

如果说草帽——是希格斯势,那么圆球——就是希格斯场,即:圆球的能量分布是一个草帽的形状。并且,圆球处在帽顶,即势能最大,圆球处在帽底,即势能最小。显然,如果能量足够大,圆球就可以维持在顶部——代表其势能最大,但如果能量不足够,圆球就会很容易滚落到底部——代表其势能最小。

于是,当温度(能量)下降,直到低于大统一温度的时候,希格斯场的能量(如草帽),就很容易自发的下降(如圆球的滑落),而在能量最低的时候(如圆球来到草帽底部),希格斯场不具有对称性(如圆球不具有旋转对称性)。

因此,我们可以说,希格斯场在帽顶,此时希格斯势描述的物理系统,具有对称性——这代表着自然规律的对称性;而希格斯场在帽底,此时希格斯势描述的物理系统,其对称性就被打破了。

而在物理现实中,随着温度下降,希格斯场总会趋向最低能量态,即自发抵达量子真空态。以数学来表述,希格斯场的量子真空态——就是在数学表达上的真空期望值(场可以用数学函数描述)。

希格斯场的真空期望值——就是希格斯场在最低能量态的平均值。

显然,希格斯场量子真空态并不唯一,就如圆球可以来到帽底的任意位置——这对应了无穷多个(具有相同能量)简并的最低能量态,但在这无穷多个的可能性中,只有一个最低能量态会被随机到。

简并(Degenerate Energy Level)——是指对于一个物理体系处于一个能级,所对应的可能的状态和相应波函数,并不是唯一的。

而一旦最低能量态被随机到,希格斯场(如圆球)的旋转对称性就会被打破——造成自发对称性破缺

那么,重要的是,最低能量态(只要时间足够长)就一定会被随机到,因为温度下降,高势能会自然趋向低势能(如圆球的滑落)。而这以数学来表述,就是希格斯场的真空期望值不等于0。

由此可见,是温度下降到一个特定值,让希格斯场的真空期望值不等于0,从而导致了自发对称性破缺的发生。

也就是说,理论上存在无数个可能的量子真空态,并且这些真空态在整体上是对称的,但物理现实只能选择一个,成为局部态,从而让量子真空的整体态,出现对称性破缺。

那么,自发对称性破缺,意味着什么呢?——从随机到确定,概率给出结果,可能性变成现实,虚幻从虚无中涌现,即:希格斯场可以与粒子产生耦合作用了,而正是耦合作用,让粒子获得了质量。

于是,再接下来,希子就从希格斯场的振动中,被量子化激发,通过自耦合获得质量

再然后,四种无质量规范玻色子,其中一个继续保持无质量——就是光子,另外三个会与希格斯场耦合,产生了W和Z玻色子,即:W+、W-、Z0三个有质量的规范玻色子。

由此可见,规范玻色子——胶子光子没有质量,是因为它们与希格斯场不耦合。

与此同时,无质量的费米子(夸克与轻子),也会通过与(无处不在且真空期望值不等于0的)希格斯场,发生汤川耦合,从而获得质量。

汤川耦合(Yukawa's Interaction)——在粒子物理学中,用来描述标量场与狄拉克场之间相互作用的量。

并且,汤川耦合是不同于,W和Z玻色子的耦合机制的(注意汤川耦合提出的时候,希子还没被发现)。

希格斯机制,可以促使其他种费米子获得质量。对于为什么每一种费米子,都有其特定的汤川耦合常数,希格斯机制并没有给出任何说明。标准模型里的自由参数,大多数都是汤川耦合常数。

最后,希子自耦合,又是不同于前两种耦合的——因为希子是唯一不依赖于希格斯机制,来获得质量的。

质量是与希格斯场的耦合

为什么粒子与希格斯场耦合,就会获得质量?

试想,在希格斯场具有对称性,还没有激发出希子的时候,场里充满了虚粒子,不可观测也不会与任何粒子耦合(即相互作用)。而希格斯场的对称性被打破,希子激发于场的微小振动,此时虚粒子涌现了可观测的——奥妙又玄妙的量子效应。

那么此时,希格斯场就可以与其它粒子产生耦合作用了。

显然,耦合有大小,即强度,称为耦合强度——可以理解为一种类似于电荷与色荷的东西,其大小与相互作用粒子的性质、类型、末态相空间等因素相关。

耦合强度可以使用耦合常数及多种因素一起来度量,其结果呈现了一种概率,即:耦合概率越大,耦合强度就越大。

相空间——在数学与物理学中,是一个用以表示出一系统所有可能状态的空间;系统每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。

由此可见,处在希格斯场中的粒子,如果可以与场发生耦合,就会源源不断的发生相互作用——就像在水中运动的物体,会受到水分子的阻力一样,并且物体质量越大,运动受到的水阻力就越大,此时水阻力带来的就像是,物体的惯性质量一样,是阻碍物体运动状态的度量。

于是,宇宙中的遍布的希格斯场——就像是“粘稠的浓汤”,把质量以概率(即耦合强度)的形式,赋予其中的——规范玻色子(W和Z玻色子)和费米子(夸克与轻子),然后这些粒子复合构建了上层的一切物质。

也就是说,质量最根本的来源,是希格斯场通过希格斯机制源源不断——“用概率生成的”

并且,这个概率越大(即耦合强度越大),质量就越大,概率越小质量就越小。显然,不同基本粒子的质量不同,就是因为与希格斯场耦合概率(即耦合强度)不同。

那么,在标准模型里,如果温度足够高(超过大统一温度),物理系统的电弱对称性没有被打破,则所有基本粒子都不具有质量。

也就说,只有能量的高温系统,是不具有质量的——这就是大爆炸的时刻。

此时,电弱作用力强作用力会统一为电核作用力(Electronuclear Force),传递电弱作用力的玻色子(光子)与传递强作用力的玻色子(胶子)的任何特征性质也都烟消云散,它们的物理行为完全一样。

而如果温度低于一个临界值(即大统一温度,希格斯场就会变得不稳定,随即发生跃迁至最低能量态(即量子真空态);接着,整个物理系统的连续对称性因此被自发打破,从而W和Z玻色子、费米子就会获得质量——这就是大爆炸之后的冷却时刻。

此时,不同的粒子与(不同强度的)希格斯场相互作用,而粒子的质量,就是由这相互作用(即耦合强度)所决定。这样「W和Z玻色子、夸克与轻子」等等,分别获得其特定的质量,而「光子、胶子」也因此不拥有质量。

由此可见,高温是能量,低温是质量,从高温到低温的冷却过程——就是从能量质量的转化过程,不过在温度未抵达临界值的时候,此时温度下降的过程不会产生质量

复合粒子的质量

事实上,像质子、中子这类复合粒子的质量,只有约1%是归因于——将质量赋予夸克的希格斯机制,剩余约99%则是——夸克的动能与胶子的能量。

例如,三个夸克被胶子组合在一起,构成了一个质子,其中胶子负责传递强核力,没有质量。但我们会发现,三个夸克的质量加起来约5MeV,却远远小于一个质子的质量约938MeV,可见大约只占5%的比例。

那么,质子除了夸克贡献的质量以外,其它95%的质量,其实就是来自于各种运动产生的——动质量(即由E=mc^2得出的,能量等效的质量)。

  • 第一,夸克和胶子、胶子和胶子在强互相作用,这是强核力的传递过程,这个过程产生的能量,贡献了一部分动质量

  • 第二,夸克和胶子的自旋角动量,贡献了一部分动质量

  • 第三,夸克和胶子由于夸克禁闭,被困在在狭小的空间内,根据不确定性原理——位置可能性越小,动量可能性就越大——于是,这些动量产生的动能,又贡献了剩下的动质量

由此可见,我们测量微观粒子——尤其是复合粒子的质量时,其实测得大部分都是相对质量,并且其中99%的都是动质量,只有1%的是(静)质量

甚至像光子的质量,100%都是动质量

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