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本帖被 xgch 执行加亮操作(2023-09-01)
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日常生活中，我们会经常测量自己的体重，尤其是对爱美的女孩子来讲，更是在意。但你有没有思考过这个问题：包括你我在内的宇宙万物都有质量，但质量到底是如何产生的？质量的本质是什么？平时我们所说的质量基本上都是指宏观上的体现，不过宏观的物体都是由微观粒子组成的，所以，要想弄清楚质量的由来，我们需要深入到微观世界，弄清楚微观粒子的质量到底来自何处。微观粒子有很多，但总体来讲可以分为两大类，分别是费米子和玻色子。何为费米子？简单来讲就是我们通常所说的基本粒子，比如说电子和夸克等。而玻色子可以他通俗理解为传播子，比如说光子和胶子都是玻色子，费米子就是通过玻色子传播相互作用力结合在一起的。打个比方，如果把费米子比作一块一块的砖头，那么玻色子就是把砖头粘结起来的水泥。玻色子把费米子牢牢地束缚在一起，组成了我们看到的丰富多彩的世界。那么问题到这里似乎就变得简单多了，我们只需要弄清楚费米子和玻色子的本质，自然就明白质量是如何产生的。但说起来容易，实际操作起来远没有想象得那么简单。物理学家们也是花费了数十年的时间，才一步步靠近质量的本质。首先我们从“上帝粒子”开始说起。上帝粒子，单从这个名字就感受到它的特殊性，实际上它就是希格斯粒子，或者说希格斯玻色子，也是一种基本粒子，自旋为零，不带电荷，表现十分不稳定，寿命仅有大约10的负22次方秒，意味着上帝粒子瞬间就会衰变成其他粒子。之所以把希格斯粒子称为“上帝粒子”，就是因为想要找到希格斯粒子是相当困难的，它极易衰变，非常不稳定。而如果找到了希格斯粒子存在的证据，自然也能解释质量产生的内在机制。而且按照当时粒子标准模型的预测，希格斯粒子是最后一个没有被发现的粒子。为什么希格斯粒子如此重要？为什么说希格斯粒子与质量息息相关呢？简单来讲，希格斯粒子是质量产生的根源！先来说说希格斯粒子到底是什么。我们的宇宙中充满了希格斯场，通常情况下希格斯场会处于稳定的基态，而一旦希格斯场受到扰动就会从基态来到激发态，受到激发的希格斯场就会产生希格斯粒子。而刚才所说的费米子和规范玻色子（W和Z玻色子）会与希格斯场发生耦合作用，也就是相互作用，在这个过程中获得质量，这个过程也被称为“希格斯机制”。具体是如何发生作用的呢？希格斯场在与外界相互作用过程中会激发出希格斯粒子，而正是希格斯粒子与微观粒子发生了相互作用，具体来讲就是让微观粒子减速，在减速的过程中获得质量。与希格斯粒子的相互作用越大，质量也就越大。打个比方，就像一个超级明星在大街上行走，被无数粉丝围观，以至于超级明星想要穿过人群就非常困难，相当于超级明星的“质量”就会越大。可以这么理解，受到的阻拦越大，质量也就越大。而像我们普通人行走在大街上，根本没有理睬，“质量”当然就会很小。也就是说，所有的微观粒子原本都应该以光速飞行，也没有质量，就是因为希格斯粒子的“阻拦”，才让微观粒子慢下来，在整个过程中获得了质量。当然，这里有几个常识需要解释一下。何为“激发”？根据量子场论，宇宙万物其实都是由最基本的量子场组成的，比如说刚才所说的希格斯场，当然还有电磁场，中子场，电子场等。而所谓的“激发”其实就是量子场受到了某种扰动，从基态变成激发态。基态就像风平浪静时，海水波澜不惊，非常平静。而激发态就像是汹涌澎湃的大海一样，受到了扰动。而所有的基本粒子都是由对应的量子场受到激发而产生的，可以理解为量子场的微小振动。打个比方，处于基态的场就像是风平浪静的大海，而激发态的场就相当于汹涌澎湃的大海，而微观粒子就相当于大海溅起来的小水珠。比如说，光子就是电磁场的扰动，也就是微小振动形成的，夸克是跨客场的扰动形成的，当然电子就是电子场的扰动形成的。粒子标准模型和量子场论看起来能够非常完美地诠释质量的本质，但最大的问题就在于，必须要证实希格斯场的确存在，如果仅仅有预言而没有科学证据，当然就没有任何说服力。而如果能够找到希格斯粒子存在的证据，自然就能肯定希格斯场一定存在，而希格斯机制也自然会被认可，我们也能找到质量的起源之谜。通过不懈努力，科学家在2012年终于找到了希格斯粒子，从而也证明了希格斯场的存在，也诠释了质量的本质。希格斯本人也获得了诺贝尔物理学奖。如果你认为问题就到此结束了，就大错特错了。因为以上对希格斯场和质量由来的诠释显然有些笼统，比如说，并没有具体解释希格斯场到底是如何与基本粒子发生作用的，下面就来分享一下。这里需要提示一下，以下的诠释可能会牵扯到一些物理学术语，理解起来可能有些困难，这里我尽可能用通俗的语言分享给大家。根据粒子标准模型，宇宙中充满了希格斯场，这些希格斯场源自哪里呢？源自希格斯机制下的“自发对称性破缺”，而正是这种破缺，才让微观粒子获得质量。如何理解“自发对称性破缺”？某些物理系统，遵循自然规律的某种对称性，但其本身并不具备这种对称性。听上去有些晦涩难懂，举个简单的例子就明白了。我们都玩过抛硬币游戏，抛硬币的过程其实就是一个系统。我们都知道，硬币落下之后正方面的概率是一样的，这就是物理规律的对称性，或者说数学描述的对称性。但是当硬币落地之后，正反面也自然确定了，这时候硬币系统的概率就不对称了，也就是物理现实不再对称。也就是说，这个硬币系统本身遵循物理规律的对称性，但是系统的运作并不遵循这种对称性。通俗来讲就是，数学描述的对称性，可能不会体现出物理现实的对称性。这就是自发对称性破缺，可以通俗理解为从对称到不对称的破缺。刚才所说的抛硬币系统，就是从概率的对称性，随机显现出确定性的过程，也是形成不对称性的过程。就像从数量庞大的各种可能性中，随机拼凑出来一个特定的现实那样，用白话来讲就是“上帝掷骰子”的过程，掷骰子是随机的，但结果是确定的。但是，如果说抛一次硬币是不对称的，那么抛很多次，甚至无限次硬币，就又会是对称了。也就是说，我们所在的世界似乎处在一个相互关联的矛盾中，不对称中会有对称，同时对称中也会有不对称。而至于到底是对称还是不对称，完全取决于你看问题的视角，是整体视角还是局部视角。具体来讲就是，局部是不对称的，一旦上升到整体就是对称的，而在整体的基础上再上升到局部，又是不对称的。随着视角的不断上升转变，局部与整体的关系在不断变化，对称与不对称也会随之变化。接下来谈谈宇宙中的场与粒子之间的关系。根据量子力学的诠释，真空并非“一无所有”，而是有一些东西，这些东西就是场。场有基态和激发态两种状态，处于基态的场理论上是不可观测的，但根据量子力学，真空场总是会出现量子涨落，这时候场就呈现激发态，是可观测的。何为量子涨落？量子真空中会通过赊借能量的方式随机衍生出虚粒子对，然后瞬间湮灭消失，归还能量。也就是说，我们的宇宙充满了可观测场与不可观测场的叠加态，至于到底会呈现什么状态，完全是随机的。量子涨落是量子真空的固有属性，可以由量子力学不确定性推导出来，我们无法用宏观世界的物理定律去思考量子涨落，这种现象本来就违背了我们的传统思维。可见，可见，所谓的量子真空其实就是场的真空态，场的基态，这时候的真空具有最低的能量，所以是不可观测的。只有场受到激发呈现激发态，才是可观测的。说白了，场的激发就会产生基本粒子，也是实体粒子，所以是可观测的。而场的基态，也就是真空态，只有虚粒子，所以是不可观测的。而场和粒子也可以分为两大类，分别是物质场和物质粒子，比如说电子场就是物质场，而电子就是物质粒子。还有就是规范场和规范粒子，比如说电磁场就是规范场，而光子就是规范粒子。那么希格斯机制是如何起作用的呢？宇宙大爆炸之初，温度和能量极大，当时的宇宙中只有四种没有质量的规范玻色子和希格斯场。随着温度开始下降，希格斯场就会出现对称性破缺现象。可能不太好理解到底怎么回事，这里打个比方。一开始的温度极高，希格斯场的势能最大，就相当于位于山顶端的一块大石头，具有最高的势能，而这块大石头是具有对称性的，相对于大山对称，石头可能随时滚落到山坡的任何位置，几率都是一样的。但是万物总是倾向于从能量高的状态向能量低的状态过渡，也就是从激发态到基态，因为基态是最稳定的状态。相当于那块大石头总是有向山坡滚落的趋势。而当石头滚落到山坡时，对称性就被打破了，也就不再具有对称性。因为石头只可能滚落到某个山坡下，不可能向所有山坡滚落。回到希格斯场。随着宇宙温度的下降，希格斯场的能量总是会自发地下降，当达到能量最低值，这时候的希格斯场的对称性就被打破了。还有，希格斯场总是会倾向于朝向能量最低的状态，也既是量子真空态，这种状态用数学语言描述就是“真空期望值”。能够看出，希格斯场的真空期望值，其实就是能量最低的希格斯场。就如那块大石头会随机落到某个山坡下，山坡有无数个，那么希格斯场的量子真空态也不是唯一的，而是有无限多个，但最终只能随机出现一个。而不管随机出现那个量子真空态，都意味着对称性被打破了，也就是自发对称性破缺。这种自发性破缺能告诉我们什么呢？告诉了我们破缺的过程就是从随机到确定，从一种概率描述到最终的确定结果。通俗来讲就是从可能性走向现实，虚幻走向现实。这就意味着希格斯场会与基本粒子发生作用，也就是耦合作用，而这种作用让基本粒子获得了质量。绝大部分基本粒子都会与希格斯场发生耦合作用，但向光子和胶子这两种规范玻色子并不会与希格斯场发生耦合作用，所以胶子和光子没有质量，准确来讲是没有静质量。问题又来了，基本粒子与希格斯场发生耦合作用，为什么就能获得质量呢？其实上面已经解释过了，这里再总结一下。一开始希格斯场具有对称性，处于能量最低的基态，场里只有虚粒子，是不可观测的，当然也不会与实体基本粒子发生耦合作用。当希格斯场从基态过渡到激发态，意味着对称性被打破，就会激发出希格斯粒子，也就是场的微小振动，此时的的虚粒子就是观测的，严格来讲已经不是虚粒子了，而是实体粒子。而可观测的希格斯场就会与基本粒子发生耦合作用了。不过，耦合作用也是有大小的，强度并不是一样的，强度的大小与粒子的性质息息相关，最终的结果也只能用概率来描述，说白了就是耦合的概率越大，强度就会越强。我们可以想象一下，由于希格斯场无处不在，所以如果基本粒子可以与希格斯场发生耦合作用，结果就会像在海水里运动的物体那样，在运动的过程中自然会受到阻力，这种阻力来自水分子，而水分子就好比是希格斯粒子。基本粒子受到水分子的阻力越大，质量也就会越大，这就像我们宏观世界里物体的惯性质量那样。最终希格斯场把我们通常所说的质量以概率的方式呈现出来，赋予每一个基本粒子。看到这里，你应该明白了，所谓的质量，只不过是在希格斯机制下，希格斯场不断用概率生成的一种东西。概率越大，意味着耦合强度越强，基本粒子的质量就会越大。反之，概率越低，质量当然就越小。也就是说，质量的大小完全取决于耦合的概率。按照粒子标准模型的诠释，在宇宙大爆炸之初，温度极高，希格斯场的对称性并没有被打破，所以当时任何粒子都没有质量。随着宇宙逐渐冷却，希格斯场的对称性逐渐被打破，基本粒子才获得了质量。最后再说明一下，以上只是诠释了基本粒子的质量，还有必要诠释一下复合粒子的质量。比如说质子和中子就是复合粒子，它们都是由三个夸克组成的。按理说，一个质子或中子的质量应该正好等于三个夸克的质量总和，事实上并非如此，三个夸克的质量总和只有质子或中子质量的1%而已，那么剩下的99%质量来自哪里呢？简单讲，来自三个夸克之间的结合能，这种能量通过胶子来传递，也就是强相互作用，这种作用蕴藏着极大的能量，牢牢地束缚着夸克。而根据爱因斯坦的质能方程，能量与质量是等价的，所以剩下的99%的质量其实就是把夸克牢牢束缚住的束缚能。说白了就是动质量，因为能量在传递过程中一直都在运动。也就是说，很多复合粒子大部分都是动质量，只有极小一部分是静质量。而这里就出现了一个极端情况，那就是光子，光子没有任何静质量，全部都是动质量。
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