第二十五章：希格斯機(jī)制與希格斯場(chǎng)，是一場(chǎng)風(fēng)暴！
我們上一章所說(shuō)的希格斯玻色子其實(shí)是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)產(chǎn)生，所以了解希格斯場(chǎng)對(duì)于了解量子世界，乃至宇宙是非常重要的。
希格斯場(chǎng)（英語(yǔ)：Higgs field），和希格斯粒子都是以物理學(xué)家彼得·希格斯姓氏為名，是一種假定遍布于全宇宙的量子場(chǎng)。按照標(biāo)準(zhǔn)模型的希格斯機(jī)制，某些基本粒子因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)之間相互作用而獲得質(zhì)量。希格斯玻色子是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)。
假若能夠?qū)ふ业较８袼共Ｉ?，則可以明確地證實(shí)希格斯場(chǎng)也存在于宇宙，就好像從觀察海面的波浪可以推論出大海的存在。連帶地，也可確認(rèn)希格斯機(jī)制與標(biāo)準(zhǔn)模型基本無(wú)誤。 而我們知道，希格斯玻色子已經(jīng)于2013年被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)。所以上述的假設(shè)，基本是可信的。
但還要進(jìn)一步去驗(yàn)證。即去驗(yàn)證希格斯場(chǎng)的存在。
希格斯粒子被認(rèn)為是生成基本粒子的“質(zhì)量”之源。質(zhì)量是反映“物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化的難易程度”（即“改變物質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的難易程度”,慣性）的物理量。
我在《變化》中對(duì)于慣性做了新的認(rèn)識(shí)，即引力是慣性的源泉?；诖藢?duì)慣性做了新的定義。 并認(rèn)為引力的本源是時(shí)空。與時(shí)空彎曲沒有關(guān)系。
希格斯場(chǎng)對(duì)于宇宙是普遍的，那么也就是說(shuō)可以上升到是一種宇宙的性質(zhì)。希格斯場(chǎng)通過影響基本粒子質(zhì)量，粒子組合為物質(zhì)，構(gòu)成現(xiàn)在的宇宙。所以引力場(chǎng)和希格斯看似不相互關(guān)聯(lián)，但其實(shí)是有聯(lián)系的。
這點(diǎn)我們?cè)诤竺娴恼鹿?jié)中還會(huì)論述。
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，W玻色子與Z玻色子借著應(yīng)用希格斯機(jī)制于希格斯場(chǎng)而獲得質(zhì)量，費(fèi)米子借著應(yīng)用希格斯機(jī)制于希格斯場(chǎng)與費(fèi)米子場(chǎng)的湯川耦合而獲得質(zhì)量。
只有希格斯玻色子不倚賴希格斯機(jī)制獲得質(zhì)量。不過盡管希格斯機(jī)制已被證實(shí)，它仍舊不能給出所有質(zhì)量，而只能將質(zhì)量賦予某些基本粒子。例如，像質(zhì)子、中子一類復(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%是夸克的動(dòng)能與強(qiáng)相互作用的零質(zhì)量膠子的能量。
希格斯場(chǎng)的存在會(huì)促使自發(fā)對(duì)稱性破缺，從而造成不同粒子、不同作用力彼此之間的差異。例如，在電弱理論里，從希格斯場(chǎng)的理論物理秉性，可以解釋為什么當(dāng)溫度降低到某程度，電磁相互作用與弱相互作用的性質(zhì)迥然不同，答案是對(duì)稱性已被打破。
在標(biāo)準(zhǔn)模型里，希格斯機(jī)制是基本粒子獲得質(zhì)量的物理機(jī)制。1964年，分別有三組研究小組幾乎同時(shí)地獨(dú)立延伸發(fā)展出希格斯機(jī)制，其中，一組為弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布繞特，另一組為彼得·希格斯，第三組為杰拉德·古拉尼、卡爾·哈庚和湯姆·基博爾。他們的論文表明，假若將局域規(guī)范不變性與自發(fā)對(duì)稱性破缺的概念以某種特別方式連結(jié)在一起，則規(guī)范玻色子必然會(huì)獲得質(zhì)量。
于1967年，史蒂文·溫伯格與阿卜杜勒·薩拉姆分別應(yīng)用希格斯機(jī)制來(lái)打破電弱對(duì)稱性，并且表述希格斯機(jī)制怎樣能夠并入稍后成為標(biāo)準(zhǔn)模型一部分的謝爾登·格拉肖的電弱理論。
應(yīng)用希格斯機(jī)制，溫伯格與薩拉姆分別發(fā)現(xiàn)傳遞弱作用力的W及Z玻色子具有質(zhì)量，而傳遞電磁作用力的光子不具有質(zhì)量。質(zhì)量的起源或質(zhì)量的創(chuàng)始時(shí)常被歸功于希格斯機(jī)制。
但是，對(duì)于質(zhì)量的秉性，物理學(xué)者疑問希格斯機(jī)制是否給出了足夠解釋。如同物理學(xué)者馬克斯·杰莫（Max Jammer）所說(shuō)，“假若某過程生成質(zhì)量，則一個(gè)合理要求為，它也應(yīng)該給出一些關(guān)于它生成的到底是什么的資料?！钡牵８袼箼C(jī)制不是使用一種奇跡式的“無(wú)中生有”（creatio ex nihilo）方法來(lái)生成粒子質(zhì)量，而是從以能量形式儲(chǔ)存質(zhì)量的希格斯場(chǎng)將質(zhì)量轉(zhuǎn)傳給粒子，因此，“希格斯機(jī)制與其相關(guān)理論并沒有貢獻(xiàn)出對(duì)于質(zhì)量秉性的了解。”
希格斯機(jī)制假定存在著一種稱為希格斯場(chǎng)的標(biāo)量場(chǎng)遍布于宇宙。借著與希格斯場(chǎng)耦合，某些原本沒有質(zhì)量的粒子可以獲得能量，根據(jù)質(zhì)能關(guān)系式，這就等于獲得質(zhì)量。粒子與希格斯場(chǎng)耦合越強(qiáng)，則粒子的質(zhì)量越大。
希格斯場(chǎng)可以比擬為一池黏的蜜糖，黏著于某種尚未帶有質(zhì)量的基本粒子。當(dāng)這種粒子通過希格斯場(chǎng)的時(shí)候，會(huì)變成帶質(zhì)量粒子。這比擬并不完全。
第一、有些種類的粒子（例如光子、膠子）不會(huì)被蜜糖沾黏，這些粒子的質(zhì)量為零。希格斯場(chǎng)與不同種類的粒子，兩者之間的耦合不同。第二、蜜糖施加于被沾黏物體的作用力為阻力，不論物體的速度為何，都會(huì)感受到這阻力，而質(zhì)量是與物體的加速度運(yùn)動(dòng)有關(guān)，物體質(zhì)量越大，必須施加越大的作用力才能給出同樣的加速度。
更精致地，可以將希格斯場(chǎng)比擬為在物理學(xué)術(shù)大會(huì)里均勻分布的學(xué)者。無(wú)名人士可以輕松地穿過會(huì)場(chǎng)，沒有人會(huì)注意到他的存在，就如同希格斯場(chǎng)與零質(zhì)量光子之間的相互作用。假若物理大師進(jìn)入會(huì)場(chǎng)，大家會(huì)被大師的魅力吸引，在大師四周擠成一團(tuán)。因此，他會(huì)獲得很多質(zhì)量。若以同樣速度穿過會(huì)場(chǎng)，他所具有的動(dòng)量當(dāng)然會(huì)比較大，改變他的移動(dòng)速度也比較不容易，必須施加更大的作用力，就如同希格斯場(chǎng)賦予W玻色子或Z玻色子質(zhì)量后的物理效應(yīng)。這點(diǎn)子源自凝聚體物理學(xué)。在晶體里，帶正電原子的晶格排列具有周期性，當(dāng)電子移動(dòng)穿過晶格時(shí)，帶正電原子會(huì)施加庫(kù)倫力于這電子，使這電子的有效質(zhì)量大大增加。
我們還需要了解自發(fā)性對(duì)稱破缺，量子力學(xué)的真空與一般認(rèn)知的真空不同。在量子力學(xué)里，真空并不是全無(wú)一物的空間，虛粒子會(huì)持續(xù)地隨機(jī)生成或湮滅于空間的任意位置，這會(huì)造成奧妙的量子效應(yīng)。將這些量子效應(yīng)納入考量之后，空間的最低能量態(tài)，是在所有能量態(tài)之中，能量最低的能量態(tài)，不具有額外能量來(lái)制造粒子，又稱為基態(tài)或“真空態(tài)”。最低能量態(tài)的空間才是量子力學(xué)的真空。
設(shè)想某種對(duì)稱群變換，只能將最低能量態(tài)變換為自己，則稱最低能量態(tài)對(duì)于這種變換具有“不變性”，即最低能量態(tài)具有這種對(duì)稱性。盡管一個(gè)物理系統(tǒng)的拉格朗日量對(duì)于某種對(duì)稱群變換具有不變性，并不意味著它的最低能量態(tài)對(duì)于這種對(duì)稱群變換也具有不變性。假若拉格朗日量與最低能量態(tài)都具有同樣的不變性，則稱這物理系統(tǒng)對(duì)于這種變換具有“外顯的對(duì)稱性”；假若只有拉格朗日量具有不變性，而最低能量態(tài)不具有不變性，則稱這物理系統(tǒng)的對(duì)稱性被自發(fā)打破，或者稱這物理系統(tǒng)的對(duì)稱性被隱藏，這現(xiàn)象稱為“自發(fā)對(duì)稱性破缺”。
如右圖所示，假設(shè)在墨西哥帽（sombrero）的帽頂有一個(gè)圓球。這個(gè)圓球是處于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性狀態(tài)，對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置不變。這圓球也處于局部最大引力勢(shì)的狀態(tài)，極不穩(wěn)定，稍加攝動(dòng)，就可以促使圓球滾落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力勢(shì)位置，使得旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性被打破。
盡管這圓球在帽子谷底的所有可能位置因旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性而相互關(guān)聯(lián)，圓球?qū)嶋H實(shí)現(xiàn)的帽子谷底位置不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性──對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，圓球的位置會(huì)改變。
在帽子谷底有無(wú)窮多個(gè)不同、簡(jiǎn)并的最低能量態(tài)，都具有同樣的最低能量。對(duì)于繞著帽子中心軸的旋轉(zhuǎn)，會(huì)將圓球所處的最低能量態(tài)變換至另一個(gè)不同的最低能量態(tài)，除非旋轉(zhuǎn)角度為360°的整數(shù)倍數(shù)，所以，圓球的最低能量態(tài)對(duì)于旋轉(zhuǎn)變換不具有不變性，即不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性?？偨Y(jié)，這物理系統(tǒng)的拉格朗日量具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，但最低能量態(tài)不具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，因此出現(xiàn)自發(fā)對(duì)稱性破缺現(xiàn)象。
有數(shù)學(xué)能力強(qiáng)的同學(xué)，可以看一下數(shù)學(xué)表述。
假若希格斯場(chǎng)不存在，則夸克、W玻色子、Z玻色子的質(zhì)量都會(huì)變?yōu)榱?。由于像質(zhì)子、中子一類復(fù)合粒子的質(zhì)量，只有約1%是歸因于其所含有的夸克，它們的性質(zhì)只會(huì)有些小改變。τ子、μ子的質(zhì)量也會(huì)變?yōu)榱?，但是它們與現(xiàn)實(shí)生活沒什么關(guān)系。只有電子的質(zhì)量變?yōu)榱銜?huì)對(duì)世界帶來(lái)很大影響。電子質(zhì)量越小，原子的尺寸越大。當(dāng)電子質(zhì)量變?yōu)榱阒畷r(shí)，超特大尺寸的原子會(huì)因相互碰撞，將整個(gè)原子拆散，所有原子核與電子會(huì)混合在一起，原子無(wú)法單獨(dú)存在，也不會(huì)有水、空氣與人類所生存的世界。
希格斯場(chǎng)能夠打破對(duì)稱性。假若沒有希格斯場(chǎng)，則所有帶電荷輕子，即電子、τ子、μ子，都會(huì)變得一樣，因?yàn)樗鼈冊(cè)鞠嗷^(qū)分的質(zhì)量都變?yōu)榱懔?。類似地，帶電荷?2/3的夸克，即上夸克、奇夸克、頂夸克都會(huì)變得一樣；而帶電荷為-1/3的夸克，即下夸克、粲夸克、底夸克也都變得一樣。
有些宇宙學(xué)者認(rèn)為希格斯場(chǎng)是真空能量的起源。在宇宙的最初時(shí)刻，溫度特高，希格斯場(chǎng)的對(duì)稱性毫無(wú)任何特征，宇宙能量也同樣的沒有些微區(qū)別。由于宇宙溫度的降低，在之后接連發(fā)生的幾次相變所造成的對(duì)稱性破缺給出了千變?nèi)f化的宇宙。
最后一個(gè)相變所造成的對(duì)稱性破缺打破了電弱力，使得弱作用力與電磁作用力被分離?，F(xiàn)在，物理學(xué)者已有能力做出達(dá)到這相變所需條件的實(shí)驗(yàn)，但是分離電弱作用力與強(qiáng)作用力的相變所需條件仍舊遠(yuǎn)不可及。不論如何，被公認(rèn)為靜質(zhì)量起源的希格斯場(chǎng)也是研究強(qiáng)作用力的關(guān)鍵。
根據(jù)大統(tǒng)一理論，當(dāng)溫度高過大統(tǒng)一溫度時(shí)（1029K，對(duì)應(yīng)于平均熱能為1016GeV的溫度，注意到太陽(yáng)中心溫度僅為107K），由于希格斯場(chǎng)可以擁有更多的能量，它的能量密度也隨著增加，開始劇烈震動(dòng)，它的位置不再局限于墨西哥帽的谷底，它的平均位置是在帽子中心，希格斯場(chǎng)的對(duì)稱性又恢復(fù)如前。這時(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。
大統(tǒng)一理論假定有很多種不同強(qiáng)度的希格斯場(chǎng)（注意到最小標(biāo)準(zhǔn)模型（minimal standard model）只假定有一個(gè)希格斯場(chǎng)）。假設(shè)溫度低于大統(tǒng)一溫度，則希格斯場(chǎng)可以發(fā)揮作用。不同的粒子與不同的希格斯場(chǎng)相互作用，而粒子的質(zhì)量就是由這相互作用決定，這樣，電子、W玻色子、Z玻色子、夸克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。由于W玻色子、Z玻色子特別沉重，質(zhì)量分別為80GeV、91GeV，弱相對(duì)作用的距離極短，而電磁相對(duì)作用的距離幾乎為無(wú)窮遠(yuǎn)。
近期，從各方面獨(dú)立觀測(cè)得到的結(jié)果，包括宇宙微波背景輻射、宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)等等，證實(shí)了宇宙正在加速膨脹，天文學(xué)者認(rèn)為解釋宇宙加速膨脹的模型可能是某種形式的暗能量，而這暗能量可能是源自希格斯場(chǎng)的真空能量。
我在《變化》中就真空不空，也提出過這樣的觀點(diǎn)。在我們對(duì)宇宙根本的法則不知情的情況下，任何關(guān)于暗能量，暗物質(zhì)的理論只是限于我們的認(rèn)知。其實(shí)他們可能就是真空能量，而不是我們現(xiàn)在口中所說(shuō)的暗能量的概念。
在這里還要跟大家強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)，那就是希格斯機(jī)制和希格斯場(chǎng)是兩回事。就好比希格斯機(jī)制是方法，希格斯場(chǎng)是平臺(tái)，用這樣的方法，在這個(gè)平臺(tái)上給粒子賦予質(zhì)量。這就是希格斯機(jī)制和希格斯場(chǎng)的作用。
所以下面再為大家介紹一下希格斯機(jī)制。很明顯，希格斯機(jī)制（英語(yǔ)：Higgs mechanism）是一種生成質(zhì)量的機(jī)制，能夠使基本粒子獲得質(zhì)量。
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？希格斯機(jī)制可以解釋這問題。希格斯機(jī)制應(yīng)用自發(fā)對(duì)稱性破缺來(lái)賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量。在所有可以賦予規(guī)范玻色子質(zhì)量，而同時(shí)又遵守規(guī)范理論的可能機(jī)制中，這是最簡(jiǎn)單的機(jī)制。根據(jù)希格斯機(jī)制，希格斯場(chǎng)遍布于宇宙，有些基本粒子因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)之間相互作用而獲得質(zhì)量。
更仔細(xì)地解釋，在規(guī)范場(chǎng)論里，為了滿足定域規(guī)范不變性，必須設(shè)定規(guī)范玻色子的質(zhì)量為零。由于希格斯場(chǎng)的真空期望值不等于零，造成自發(fā)對(duì)稱性破缺，因此規(guī)范玻色子會(huì)獲得質(zhì)量，同時(shí)生成一種零質(zhì)量玻色子，稱為戈德斯通玻色子，而希格斯玻色子則是伴隨著希格斯場(chǎng)的粒子，是希格斯場(chǎng)的振動(dòng)。通過選擇適當(dāng)?shù)囊?guī)范，戈德斯通玻色子會(huì)被抵銷，只存留帶質(zhì)量希格斯玻色子與帶質(zhì)量規(guī)范矢量場(chǎng)。
費(fèi)米子也是因?yàn)榕c希格斯場(chǎng)相互作用而獲得質(zhì)量，但它們獲得質(zhì)量的方式不同于W玻色子、Z玻色子的方式。在規(guī)范場(chǎng)論里，為了滿足定域規(guī)范不變性，必須設(shè)定費(fèi)米子的質(zhì)量為零。通過湯川耦合，費(fèi)米子也可以因?yàn)樽园l(fā)對(duì)稱性破缺而獲得質(zhì)量。這個(gè)上面已經(jīng)表述過。
需要相關(guān)數(shù)學(xué)描述的，可以參考下面截圖文獻(xiàn)資料【來(lái)源于維基百科】，可以作為圖片放大看：
數(shù)學(xué)描述僅限于高等物理學(xué)生參考，普通科普學(xué)習(xí)者，可以略過。但要理解和認(rèn)識(shí)希格斯機(jī)制和希格斯場(chǎng)。知道在我們生活的宇宙中，有這一法則，就已經(jīng)是領(lǐng)略了一種美。
我自己就屬于后者，這樣數(shù)學(xué)描述，我看了也頭疼。但我依然喜歡去知道一些我不知道，我不了解的東西。我希望你們也喜歡知道一些不為大眾所熟知的東西。
因?yàn)橛行〇|西，一定要有一些人知道，才能傳承，才能發(fā)展。
摘自獨(dú)立學(xué)者，詩(shī)人，作家，國(guó)學(xué)起名師靈遁者量子力學(xué)書籍《見微知著》
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