希格斯場

簡介

希格斯場（英語：Higgs field），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。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希格斯場之間相互作用而獲得質(zhì)量。希格斯玻色子是希格斯場的振動。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)模型基本無誤。

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)制于希格斯場與費(fèi)米子場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%是夸克的動能與強(qiáng)相互作用的零質(zhì)量膠子的能量。1

基本信息

希格斯場的存在會促使自發(fā)對稱性破缺，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。這些論文表明，假若將局域規(guī)范不變性與自發(fā)對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)制來打破電弱對稱性，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)始時常被歸功于希格斯機(jī)制。但是，對于質(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，“假若某過程生成質(zhì)量，則一個合理要求為，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?，希格斯機(jī)制不是使用一種奇跡式的“無中生有”（creatio ex nihilo）方法來生成粒子質(zhì)量，而是從以能量形式儲存質(zhì)量的希格斯場將質(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)出對于質(zhì)量秉性的了解?！?/p>

希格斯機(jī)制假定存在著一種稱為希格斯場的標(biāo)量場遍布于宇宙。借著與希格斯場耦合，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。粒子與希格斯場耦合越強(qiáng)，則粒子的質(zhì)量越大。

希格斯場可以比擬為一池黐黏的蜜糖，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的時候，會變成帶質(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）不會被蜜糖沾黏，這些粒子的質(zhì)量為零。希格斯場與不同種類的粒子，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，都會感受到這阻力，而質(zhì)量是與物體的加速度運(yùn)動有關(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，可以將希格斯場比擬為在物理學(xué)術(shù)大會里均勻分布的學(xué)者。無名人士可以輕松地穿過會場，沒有人會注意到他的存在，就如同希格斯場與零質(zhì)量光子之間的相互作用。假若物理大師進(jìn)入會場，大家會被大師的魅力吸引，在大師四周擠成一團(tuán)。因此，他會獲得很多質(zhì)量。若以同樣速度穿過會場，他所具有的動量當(dāng)然會比較大，改變他的移動速度也比較不容易，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)電子移動穿過晶格時，帶正電原子會施加庫倫力于這電子，使這電子的有效質(zhì)量大大增加。1

自發(fā)對稱性破缺

主條目：自發(fā)對稱性破缺

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，真空并不是全無一物的空間，虛粒子會持續(xù)地隨機(jī)生成或湮滅于空間的任意位置，這會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)對于這種變換具有“不變性”，即最低能量態(tài)具有這種對稱性。盡管一個物理系統(tǒng)的拉格朗日量對于某種對稱群變換具有不變性，并不意味著它的最低能量態(tài)對于這種對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)對于這種變換具有“外顯的對稱性”；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)的對稱性被自發(fā)打破，或者稱這物理系統(tǒng)的對稱性被隱藏，這現(xiàn)象稱為“自發(fā)對稱性破缺”。1

沒有希格斯場的世界

假若希格斯場不存在，則夸克、W玻色子、Z玻色子的質(zhì)量都會變?yōu)榱恪Ｓ捎谙褓|(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)只會有些小改變。τ子、μ子的質(zhì)量也會變?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κ澜鐜砗艽笥绊?。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，超特大尺寸的原子會因相互碰撞，將整個原子拆散，所有原子核與電子會混合在一起，原子無法單獨(dú)存在，也不會有水、空氣與人類所生存的世界。

希格斯場能夠打破對稱性。假若沒有希格斯場，則所有帶電荷輕子，即電子、τ子、μ子，都會變得一樣，因?yàn)樗鼈冊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。1

大統(tǒng)一理論

有些宇宙學(xué)者認(rèn)為希格斯場是真空能量的起源。在宇宙的最初時刻，溫度特高，希格斯場的對稱性毫無任何特征，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稱性破缺給出了千變?nèi)f化的宇宙。最后一個相變所造成的對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)量起源的希格斯場也是研究強(qiáng)作用力的關(guān)鍵。1

參閱

• 希格斯玻色子的實(shí)驗(yàn)探索
• 探尋希格斯玻色子時間軸