希格斯机制，通过对称破缺，赋予粒子质量

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第二十五章：希格斯机制与希格斯场，是一场风暴！

我们上一章所说的希格斯玻色子其实是希格斯场的振动产生，所以了解希格斯场对于了解量子世界，乃至宇宙是非常重要的。

希格斯场（英语：Higgs field），和希格斯粒子都是以物理学家彼得·希格斯姓氏为名，是一种假定遍布于全宇宙的量子场。按照标准模型的希格斯机制，某些基本粒子因为与希格斯场之间相互作用而获得质量。希格斯玻色子是希格斯场的振动。

假若能够寻找到希格斯玻色子，则可以明确地证实希格斯场也存在于宇宙，就好像从观察海面的波浪可以推论出大海的存在。连带地，也可确认希格斯机制与标准模型基本无误。 而我们知道，希格斯玻色子已经于2013年被确认发现。所以上述的假设，基本是可信的。

但还要进一步去验证。即去验证希格斯场的存在。

希格斯粒子被认为是生成基本粒子的“质量”之源。质量是反映“物质运动状态变化的难易程度”（即“改变物质运动状态的难易程度”,惯性）的物理量。

我在《变化》中对于惯性做了新的认识，即引力是惯性的源泉。基于此对惯性做了新的定义。 并认为引力的本源是时空。与时空弯曲没有关系。

希格斯场对于宇宙是普遍的，那么也就是说可以上升到是一种宇宙的性质。希格斯场通过影响基本粒子质量，粒子组合为物质，构成现在的宇宙。所以引力场和希格斯看似不相互关联，但其实是有联系的。

这点我们在后面的章节中还会论述。

在标准模型里，W玻色子与Z玻色子借着应用希格斯机制于希格斯场而获得质量，费米子借着应用希格斯机制于希格斯场与费米子场的汤川耦合而获得质量。

只有希格斯玻色子不倚赖希格斯机制获得质量。不过尽管希格斯机制已被证实，它仍旧不能给出所有质量，而只能将质量赋予某些基本粒子。例如，像质子、中子一类复合粒子的质量，只有约1%是归因于将质量赋予夸克的希格斯机制，剩余约99%是夸克的动能与强相互作用的零质量胶子的能量。

希格斯场的存在会促使自发对称性破缺，从而造成不同粒子、不同作用力彼此之间的差异。例如，在电弱理论里，从希格斯场的理论物理秉性，可以解释为什么当温度降低到某程度，电磁相互作用与弱相互作用的性质迥然不同，答案是对称性已被打破。

在标准模型里，希格斯机制是基本粒子获得质量的物理机制。1964年，分别有三组研究小组几乎同时地独立延伸发展出希格斯机制，其中，一组为弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布绕特，另一组为彼得·希格斯，第三组为杰拉德·古拉尼、卡尔·哈庚和汤姆·基博尔。他们的论文表明，假若将局域规范不变性与自发对称性破缺的概念以某种特别方式连结在一起，则规范玻色子必然会获得质量。

于1967年，史蒂文·温伯格与阿卜杜勒·萨拉姆分别应用希格斯机制来打破电弱对称性，并且表述希格斯机制怎样能够并入稍后成为标准模型一部分的谢尔登·格拉肖的电弱理论。

应用希格斯机制，温伯格与萨拉姆分别发现传递弱作用力的W及Z玻色子具有质量，而传递电磁作用力的光子不具有质量。质量的起源或质量的创始时常被归功于希格斯机制。

但是，对于质量的秉性，物理学者疑问希格斯机制是否给出了足够解释。如同物理学者马克斯·杰莫（Max Jammer）所说，“假若某过程生成质量，则一个合理要求为，它也应该给出一些关于它生成的到底是什么的资料。”但是，希格斯机制不是使用一种奇迹式的“无中生有”（creatio ex nihilo）方法来生成粒子质量，而是从以能量形式储存质量的希格斯场将质量转传给粒子，因此，“希格斯机制与其相关理论并没有贡献出对于质量秉性的了解。”

希格斯机制假定存在着一种称为希格斯场的标量场遍布于宇宙。借着与希格斯场耦合，某些原本没有质量的粒子可以获得能量，根据质能关系式，这就等于获得质量。粒子与希格斯场耦合越强，则粒子的质量越大。

希格斯场可以比拟为一池黏的蜜糖，黏着于某种尚未带有质量的基本粒子。当这种粒子通过希格斯场的时候，会变成带质量粒子。这比拟并不完全。

第一、有些种类的粒子（例如光子、胶子）不会被蜜糖沾黏，这些粒子的质量为零。希格斯场与不同种类的粒子，两者之间的耦合不同。第二、蜜糖施加于被沾黏物体的作用力为阻力，不论物体的速度为何，都会感受到这阻力，而质量是与物体的加速度运动有关，物体质量越大，必须施加越大的作用力才能给出同样的加速度。

更精致地，可以将希格斯场比拟为在物理学术大会里均匀分布的学者。无名人士可以轻松地穿过会场，没有人会注意到他的存在，就如同希格斯场与零质量光子之间的相互作用。假若物理大师进入会场，大家会被大师的魅力吸引，在大师四周挤成一团。因此，他会获得很多质量。若以同样速度穿过会场，他所具有的动量当然会比较大，改变他的移动速度也比较不容易，必须施加更大的作用力，就如同希格斯场赋予W玻色子或Z玻色子质量后的物理效应。这点子源自凝聚体物理学。在晶体里，带正电原子的晶格排列具有周期性，当电子移动穿过晶格时，带正电原子会施加库伦力于这电子，使这电子的有效质量大大增加。

我们还需要了解自发性对称破缺，量子力学的真空与一般认知的真空不同。在量子力学里，真空并不是全无一物的空间，虚粒子会持续地随机生成或湮灭于空间的任意位置，这会造成奥妙的量子效应。将这些量子效应纳入考量之后，空间的最低能量态，是在所有能量态之中，能量最低的能量态，不具有额外能量来制造粒子，又称为基态或“真空态”。最低能量态的空间才是量子力学的真空。

设想某种对称群变换，只能将最低能量态变换为自己，则称最低能量态对于这种变换具有“不变性”，即最低能量态具有这种对称性。尽管一个物理系统的拉格朗日量对于某种对称群变换具有不变性，并不意味着它的最低能量态对于这种对称群变换也具有不变性。假若拉格朗日量与最低能量态都具有同样的不变性，则称这物理系统对于这种变换具有“外显的对称性”；假若只有拉格朗日量具有不变性，而最低能量态不具有不变性，则称这物理系统的对称性被自发打破，或者称这物理系统的对称性被隐藏，这现象称为“自发对称性破缺”。

如右图所示，假设在墨西哥帽（sombrero）的帽顶有一个圆球。这个圆球是处于旋转对称性状态，对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置不变。这圆球也处于局部最大引力势的状态，极不稳定，稍加摄动，就可以促使圆球滚落至帽子谷底的任意位置，因此降低至最小引力势位置，使得旋转对称性被打破。

尽管这圆球在帽子谷底的所有可能位置因旋转对称性而相互关联，圆球实际实现的帽子谷底位置不具有旋转对称性──对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置会改变。

在帽子谷底有无穷多个不同、简并的最低能量态，都具有同样的最低能量。对于绕着帽子中心轴的旋转，会将圆球所处的最低能量态变换至另一个不同的最低能量态，除非旋转角度为360°的整数倍数，所以，圆球的最低能量态对于旋转变换不具有不变性，即不具有旋转对称性。总结，这物理系统的拉格朗日量具有旋转对称性，但最低能量态不具有旋转对称性，因此出现自发对称性破缺现象。