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，将会通过希格斯机制与自发对称性破缺，来解读“上帝粒子”与微观质量的关系，以及在质能转换中，光子的作用与意义。 主题目录如下：
微观质量的来源 简单来说，微观质量，最根本的来源，是由“上帝粒子”产生的。 上帝粒子，又称希格斯粒子，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，生成后会立刻衰变。 那么，微观质量的产生过程，就是在希格斯场（Higgs Field）中，希格斯粒子从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。然后，希格斯粒子再与基本粒子（规范玻色子（W和Z玻色子）和费米子（夸克与轻子））耦合，从而让基本粒子也获得了质量。 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，引力子是引力场的微小振动等等。 这里耦合可以理解为，希格斯粒子可以衰变成基本粒子，并且衰变成的基本粒子（即衰变产物），如果质量越大，说明希格斯粒子与这种基本粒子，耦合强度就越大——也就是说希格斯粒子越容易衰变成这种基本粒子。 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）。 那么显然，在希格斯场中，基本粒子的耦合强度越大，希格斯粒子的衰变产物——也就是基本粒子，其质量就越大。这里耦合强度，可以理解为一种类似于电荷与色荷的东西，衰变概率会正比于耦合强度。 在此，有几点需要明确：
当然，在高能量条件下——如粒子加速器中，粒子也可以反过来，通过相互作用变成为希格斯粒子，而这就是在实验条件下，制造希格斯粒子的原理。接着，再通过研究希格斯粒子衰变成的粒子，就可以倒推出希格斯粒子的性质。 例如，希格斯粒子最早发现于2008年，当时人们观察到有一种新的粒子，可以衰变成两个光子——说明是玻色子；还可以衰变成W玻色子，并通过弱相互作用，继续衰变为四个轻子，即：电子、渺子和它们的中微子——说明希格斯场与玻色子相互作用；而这就证明了，这种新粒子就是——希格斯粒子。 那么，在质量为126GeV的情况下，根据理论计算，希格斯粒子会以一定的概率，衰变成为——双光子（0.2%，经过费米子圈或W玻色子圈）、正反W玻色子对（23.1%）、Z玻色子（2.9%）、正反τ子对（6%，属于轻子）、胶子（8.5%，经过夸克圈）、正反底夸克对（56.1%）。 而根据标准模型理论（Standard Model），宇宙空间中的各处都充满了希格斯场，而希格斯场源于——希格斯机制（Higgs Mechanism）应用了自发对称性破缺，才产生了质量。 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。 有一个简单的例子： 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。 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。 事实上，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。 希格斯机制的作用过程 在标准模型理论下，希格斯机制（Higgs Mechanism）给出了希格斯场创造质量的过程： 在能量非常高的时候，宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子（类似光子）和一个希格斯场（类似电磁场）。 事实上，在量子力学里，真空并不是没有任何物质的空间，而是充满了场与虚粒子的。而虚粒子，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。 虚粒子——相对于实粒子，其无质量、无法直接观测到，但存在可观测效应，如卡西米尔效应。（注意，只要能够观测到，就是实粒子，而不是虚粒子） 关于场，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。 而场有不可观测的时候，但由于量子涨落，它又会出现可以观测的时候——通过相互作用来呈现。所以，场充满了宇宙，是充满了可观测和不可观测状态的叠加状态，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——是场的能量最低的态，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。 因此，如果在希格斯场中，所有位置的虚粒子，都处在了最低能量态，那么空间就抵达了最低能量态，即量子真空态。 接着，试想希格斯场的能量性质和形式——就像一个墨西哥草帽——由希格斯势函数描述，那么在草帽的顶部能量（势能）最大——具有旋转对称性，而在草帽的底部能量（势能）最小——不具有旋转对称性。 于是希格斯场，在能量最低的时候，每一个最低能量态位置——都在草帽的底部，都不具有旋转对称性，此时有无数个可能的简并能量最低态，但在这无穷多个可能性中，只有一个最低能量状态会被随机到。 简并——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，希格斯场的旋转对称性被打破，就会造成——自发对称性破缺。 要知道，描述物理系统的方程，所具有的对称性——代表自然规律的对称性，是真空最低能量态不可能具有的，可最低能量态（只要时间足够长）就一定会被随机到，从而造成自发对称性破缺。 换句话说，就是存在无数个可能的量子真空态，但物理现实只能选择一个，从而让量子真空态的对称性破缺。 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。 于是，再接下来，希格斯粒子就从希格斯场的振动中，被量子化激发，通过自耦合产生。 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，引力子是引力场的微小振动等等。 需要注意的是，电磁场与希格斯场使用相同的数学描述，但区别在于——电磁场可观测，希格斯场不可观测。 再然后，四种无质量的规范玻色子，其中一个继续保持无质量——就是光子，另外三个会与希格斯玻粒子耦合，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——胶子和光子没有质量，是因为它们与希格斯粒子不耦合。 与此同时，无质量的费米子（夸克与轻子），也会在希格斯场中，与希格斯粒子通过汤川耦合（Yukawa's Interaction）获得质量。 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，希格斯粒子还没被发现），而希格斯粒子的自耦合，又是不同于前两种的。 质量与希格斯场 综上可见，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（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，就是因为与希格斯粒子的耦合概率（即耦合常数）不同。 那么，在标准模型里，如果温度足够高，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。 而如果温度低于一个临界值，希格斯场就会变得不稳定，随即发生跃迁至最低能量态（即量子力学真空态）；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。 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——就是从能量到质量的转化过程。 重新审视——微观质量 我们可以看到，W和Z玻色子、夸克与轻子拥有最根本的“希格斯质量”，其中夸克参与四种力（强、弱、电、引）的互相作用，轻子参与了三种力（弱、电、引）的相互作用。 然后，粒子的衰变有——α衰变、β衰变、γ（伽马）衰变，其中：
而夸克只能通过弱力，来进行衰变，即味变。并且弱力，还是唯一能令宇称不守恒的相互作用——这是一种对称性破缺，同时质量也是诞生于一种对称性破缺。 宇称不守恒——是指在弱相互作用中，互为镜像的物质的运动不对称。 宇称守恒——是指在任何情况下，任何粒子的镜象与该粒子除自旋方向外，具有完全相同的性质。 由此可见，夸克和轻子的衰变——产生质量减少， 主要是因为弱力，其次一小部分是强力。而强力作用的衰变，主要是因为粒子的波粒二象性（不确定性原理）带来的量子隧道效应，这是微观粒子的内在秉性。 量子隧道效应——是基本的量子现象之一，即当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。因为量子不确定性，时间和能量为一组共轭量，在很短的时间中（即时间很确定），能量可以很不确定，从而使一个粒子看起来像是从“隧道”中穿过了势垒。 接着，电弱统一理论表明——弱力和电磁力，是同一个互相作用的不同表现。其中弱力关联着W和Z玻色子，关联着质量减少，电磁力关联着光子，而光子又没有质量。那么，在这个统一的相互作用中，W和Z玻色子与光子，共同完成了质量的转化——从有到无。 于是我们看到，希格斯粒子带来的质量赋予了「W和Z玻色子、轻子、夸克」，然后「轻子和夸克」又与「W和Z玻色子」通过弱力，衰变为无质量的「光子」。 事实上，除了核衰变，核裂变与核聚变的过程，其实也都是质量转化为能量的过程。这其中：
但只要微观粒子质量减少，就一定会伴随着不同频率的光子产生，而光子无质量，其能量可由E=hv（h是普朗克常量，v是电磁波频率）计算。 至此，我们可以发现，其实是W和Z玻色子“剥夺”了「夸克与轻子」的质量——这就像是质量按照“某种概率”下的比例，在进行自发转化。 因为在希格斯场中，是W和Z玻色子——以耦合概率（即耦合常数）的形式，把本应该赋予给夸克与轻子的质量——“剥夺”，然后通过弱电相互作用（弱力与电磁力），转化成了光子，从而完成了——从质量到能量的转化路径。 所以，只要有弱力参与，那么粒子的质量就会转化为——光子所代表的能量。 最后，费米子构成了宏观物质的结构，如果费米子中的基本粒子——夸克与轻子，它们的质量消失（转化为光子），那么上层的一切物质结构，就都会一同消失。 质量与光子 显然的是，有质量就无法抵达光速，质量越小就越可以接近光速——如中微子，而没有质量就可以抵达光速——如光子。 现在我们知道，光子与胶子不和希格斯粒子耦合，所以没有质量，而其它费米子有质量，因为它们与希格斯粒子耦合。并且，微观粒子有弱力相互作用，就会减少质量，发射无质量的光子。 希格斯粒子，衰变为光子——需要经由费米子或W玻色子，衰变为胶子——需要经由夸克。 而关于光子，还有如下的观测事实：
另外，粒子具有对称性，即：每一种粒子都有一种反粒子，而反粒子构成了反物质，与正物质相对。 反粒子——是质量、寿命、自旋与对应粒子相同，但其它所有性质（如电荷）会尽可能的相反，即大小相同符号相反。 然后，正反粒子相遇就发生湮灭，发射出光子，即：质量转化成了能量。 而如果湮灭不完全（质量残留），则还会产生其它粒子——如介子。那么相反，两个高能光子碰撞时，则有可能产生一对新的正反粒子，即：能量也可以转化成质量。 那么，综上可见，光子承载的能量，即是质量转化的能量。而从质能方程中（E=mc^2），也能看出，质量与能量之间的关系纽带，就是光速。 |
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