希格斯場是怎么為基本粒子提供質量的?

2012年在大型強子對撞機上發現的希格斯玻色子證實了粒子物理學家長期以來的猜測：宇宙中存在一個場，可以產生大量的基本粒子。不幸的是，物理學家很難向他人解釋，這個所謂的希格斯場是如何完成其艱巨任務的。

常見的方法是講述一個荒誕的故事。以下是一個版本。

有一種物質，就像湯一樣，充滿了宇宙，這就是希格斯場。當粒子穿過它時，湯會減緩粒子的速度，這就是粒子獲得質量的方式。

一些其他版本的類似故事將希格斯場描繪成類似蜜糖、灌木叢、人群或雪之類的東西。

然而，所有這些故事都與物理學家在大學一年級剛開始幾周的課程中教授的內容相沖突。利用希格斯場施加阻力來產生質量，這違反了牛頓第一和第二運動定律。這種阻力如果存在，會在很久以前就導致地球螺旋式地進入太陽當中。此外，如果希格斯場真的是一種物質，它將被作為參照物，用來測量絕對運動，這違反了伽利略和愛因斯坦的相對論原理。

事實上，希格斯場與運動或減速無關。相反，它的故事都是與振動相聯系的。

量子場論是現代粒子物理學的重要框架，根據這一理論，宇宙充滿了場，包括電磁場、引力場和希格斯場。對于每個場，都有一種相應類型的粒子，我們最好將其理解為該場中的一點漣漪。電磁場的漣漪是光波，其中最溫和的是光粒子，我們稱之為光子。同樣，電子是電場中的漣漪，希格斯玻色子是希格斯場中的最小漣漪。

一個靜止的電子，就像吉他弦的振動一樣，是一個駐波，以一個特定的頻率振動，我們稱之為共振頻率。這種共振非常常見。因為彈撥的吉他弦總是以共振頻率響起，所以它總是發出相同的音調。同樣，擺錘的固定頻率使其成為一個有效的時鐘。根據同樣的原理，每個靜止的電子都以電場的共振頻率振動。

宇宙中的大部分場都有共振頻率。從某種意義上說，宇宙就像一件樂器，兩者都具有最容易振動的特征頻率。

對我個人來說，共振是世界的基礎這一事實是我的快樂和驚奇想法的源泉。作為一名業余音樂家和作曲家，我很早就了解鋼琴、單簧管和吉他的內部運作。但當我還是一名研究生時，我驚訝地發現，宇宙的結構，甚至我自己的身體，都是基于類似的原理運作的。

然而，如果沒有希格斯場，宇宙的這種神秘的音樂性是不可能存在的。

在量子場論中，量子物理學和愛因斯坦相對論的結合導致了共振頻率與基本粒子質量之間的關鍵關系：靜止粒子振動得越快，其質量就越大。沒有共振頻率的場對應于沒有質量的粒子。這種粒子，包括電磁場的光子，永遠不會靜止。

雖然希格斯場的荒誕故事表明，質量是由蜜糖狀物質減緩基本粒子的速度引起的，但事實是，更強的希格斯場使基本粒子以更高的頻率振動，從而增加了它們的質量。因此，人們可能會將希格斯場視為一種宇宙硬化劑，其作用是加快其他場的共振頻率。

一個場如何改變另一個場的頻率？鐘擺可以給我們提供一個簡單的例子。

想象一下，把一個球放在深空中一段繩子的末端，那里的引力場基本上為零。球會漫無目的地漂浮。如果你稍微推一下，它可能會慢慢漂移，但不會振動。

然而，如果你把鐘擺放在非零的引力場中，一切都會改變。球筆直地垂下，如果受到干擾，就會擺動。

當球靜止時，它就處于平衡狀態——穩定且平衡，沒有理由移動。如果借外力讓球向右移動，重力則會使它向左擺動，反之亦然。球的位置恢復到平衡點的趨勢，即所謂的恢復效應，是導致它擺動的原因。

在這里，引力場起到了加強劑的作用：它使鐘擺具有非零的共振頻率。引力場越強，恢復效果越強，擺的共振頻率越高。

類似地，希格斯場對其他基本場產生了恢復效應，從而改變了它們的振動方式。盡管任何場都可以像池塘中的波一樣有移動的漣漪，但恢復效應同時允許場有靜止的漣漪，即類似于吉他弦上的駐波。正如我之前提到的，這些駐波只不過是靜止的基本粒子，在各自的場中蕩漾。

這一概念是已故英國物理學家彼得 · 希格斯（Peter Higgs，希格斯場因其命名）和他的學術競爭對手在20世紀60年代指出的核心觀點：場可以使其他場變硬，從而允許它們的漣漪以共振頻率在原地振動，賦予粒子以質量。大型強子對撞機對希格斯玻色子的實驗研究證實，這確實是希格斯場的作用。通過使用粒子物理學標準模型的數學方法，即描述所有已知基本粒子和宇宙中的場之間相互作用的量子場論，科學家對希格斯玻色子的行為做出了與實驗精確匹配的預測。毫無疑問：希格斯場對其他場產生了恢復效應。

因此，隨著對希格斯場的深入理解，讓我講述一個不同的故事：

很久以前，宇宙誕生了。它熾熱無比，到處都是基本粒子。其中有一個希格斯場，最初是封閉的。但隨著宇宙的膨脹和冷卻，希格斯場突然打開，具有了非零強度。當這種情況發生時，許多場變得僵硬，因此它們的粒子獲得了共振頻率和質量。這就是宇宙在希格斯場的影響下轉變為今天的量子樂器的故事。

資料來源 Quanta Magazine

本文作者馬特 · 斯特拉斯勒（Matt Strassler）是一位理論粒子物理學家。本文改編自物理學家馬特 · 斯特拉斯勒的新書《不可能之海中的波浪》