万物都有质量，但质量到底如何产生的？（超5000字，请耐心阅读）

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，将会详细介绍和解读——上帝粒子是什么，微观质量如何形成，以及希格斯机制的详细作用过程。并以通俗易懂的语言，让人彻底明白，在粒子标准模型理论中，质量的来源之谜。

相关物理概念，主要参考维基百科词条：希格斯玻色子，希格斯场和希格斯机制。

主题目录如下：

• 上帝粒子是什么
• 微观质量的来源
• 自发对称性破缺
• 场与粒子
• 希格斯机制的应用
• 质量是与希格斯场的耦合
• 复合粒子的质量

上帝粒子是什么

上帝粒子，其实是一个“艺名”，它的本名称为——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（平均寿命为1.56×10^−22秒），生成后会立刻衰变成其它粒子。

以下，把希格斯粒子简称为“希子”。

那么，之所以称希子为上帝粒子，是因为寻找到它异常困难（极不稳定容易衰变），而一旦证明了它的存在，就证明了微观质量产生机制的正确性，并且它当时还是标准模型的预言中，最后一个还未被发现的粒子（2013年已经被证实存在）。

于是，有人为了凸显希子的重要性与发现的困难性，就将它戏称为了——上帝粒子。

微观质量的来源

简单来说，微观质量最根本的来源，是由希格斯场（Higgs Field）产生的。

具体一些就是，在希格斯场中，基本粒子——规范玻色子（W和Z玻色子）和费米子（夸克与轻子）会与希格斯场发生耦合（即相互作用），从而获得质量。这一过程的作用机制，就被称为——希格斯机制（Higgs Mechanism）。

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）。

并且同时，希子也会从希格斯场的振动中，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。

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等等。

由此可见，如果希子被证实存在，则希格斯场也就应该存在，同时希格斯机制也就可以被确定基本无误了。

所以，上帝粒子——希子的确认，其最重要的意义，就是对希格斯场与希格斯机制的确认——而就是对微观质量（即静质量）起源之谜的最终解答。

那么，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，并且希格斯场是源于——希格斯机制应用了自发对称性破缺，才使基本粒子获得了质量。

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。

举一个简单的例子：

一个抛硬币系统，正反面是等概率的——这是自然规律（即由数学描述）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（即物理现实）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。也可以理解为，数学（描述物理系统）上的对称性，在物理现实中，可能会不具有这种对称性。

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。

然而，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。

场与粒子

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。

其中，虚粒子是无质量、无法直接观测到的粒子，但它会持续地随机生成，或湮灭于空间的任意位置，产生可观测效应，即量子效应（注意只要能够直接观测到粒子本身，就是实粒子，而不是虚粒子）。

而场，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。

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（即通过相互作用来呈现）。所以，场充满了宇宙，其实是充满了，可观测和不可观测状态的叠加状态，并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，就可以理解为场的真空态——是场能量最低的状态，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。

由此可见，场的激发态产生了（实）粒子，所以可观测，场的真空态只有虚粒子，所以不可观测。

而所有场和粒子，可以分为两类：一类是物质场与物质粒子，如电子场与电子；另一类是规范场与规范粒子，如电磁场与光子。

于是，场就可以看成是，同类型粒子的集合，而场中的微小振动（即量子化激发），就产生了一类粒子，就如：电子是电子场的微小振动，光子是电磁场的微小振动。

希格斯机制的应用

在温度（能量）特别高，即超过大统一温度的时候，宇宙中充满遍布了——四种无质量规范玻色子和一个希格斯场。

大统一温度——大约是10^29K，对比起来，太阳中心温度仅为10^7K。

而希格斯场的能量性质和形式，由希格斯势（函数）描述——它就像一个墨西哥草帽，在草帽顶部能量（势能）最大——具有旋转对称性，在草帽底部能量（势能）最小——不具有旋转对称性。

想象，墨西哥草帽的帽顶有一个圆球，此时圆球具有旋转对称性——对于绕着帽子中心轴的旋转，圆球的位置不变。而圆球滚落至帽底的任意位置，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，除非旋转2π（即360度）的整数倍。

如果说草帽——是希格斯势，那么圆球——就是希格斯场，即：圆球的能量分布是一个草帽的形状。并且，圆球处在帽顶，即势能最大，圆球处在帽底，即势能最小。显然，如果能量足够大，圆球就可以维持在顶部——代表其势能最大，但如果能量不足够，圆球就会很容易滚落到底部——代表其势能最小。

于是，当温度（能量）下降，直到低于大统一温度的时候，希格斯场的能量（如草帽），就很容易自发的下降（如圆球的滑落），而在能量最低的时候（如圆球来到草帽底部），希格斯场不具有对称性（如圆球不具有旋转对称性）。

因此，我们可以说，希格斯场在帽顶，此时希格斯势描述的物理系统，具有对称性——这代表着自然规律的对称性；而希格斯场在帽底，此时希格斯势描述的物理系统，其对称性就被打破了。

而在物理现实中，随着温度下降，希格斯场总会趋向最低能量态，即自发抵达量子真空态。以数学来表述，希格斯场的量子真空态——就是在数学表达上的真空期望值（场可以用数学函数描述）。

希格斯场的真空期望值——就是希格斯场在最低能量态的平均值。

显然，希格斯场的量子真空态并不唯一，就如圆球可以来到帽底的任意位置——这对应了无穷多个（具有相同能量）简并的最低能量态，但在这无穷多个的可能性中，只有一个最低能量态会被随机到。

简并（Degenerate Energy Level）——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（如圆球）的旋转对称性就会被打破——造成自发对称性破缺。

那么，重要的是，最低能量态（只要时间足够长）就一定会被随机到，因为温度下降，高势能会自然趋向低势能（如圆球的滑落）。而这以数学来表述，就是希格斯场的真空期望值不等于0。

由此可见，是温度下降到一个特定值，让希格斯场的真空期望值不等于0，从而导致了自发对称性破缺的发生。

也就是说，理论上存在无数个可能的量子真空态，并且这些真空态在整体上是对称的，但物理现实只能选择一个，成为局部态，从而让量子真空的整体态，出现对称性破缺。

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，即：希格斯场可以与粒子产生耦合作用了，而正是耦合作用，让粒子获得了质量。

于是，再接下来，希子就从希格斯场的振动中，被量子化激发，通过自耦合获得质量。

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场耦合，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场不耦合。

与此同时，无质量的费米子（夸克与轻子），也会通过与（无处不在且真空期望值不等于0的）希格斯场，发生汤川耦合，从而获得质量。

汤川耦合（Yukawa's Interaction）——在粒子物理学中，用来描述标量场与狄拉克场之间相互作用的量。

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，希子还没被发现）。

希格斯机制，可以促使其他种费米子获得质量。对于为什么每一种费米子，都有其特定的汤川耦合常数，希格斯机制并没有给出任何说明。标准模型里的自由参数，大多数都是汤川耦合常数。

最后，希子的自耦合，又是不同于前两种耦合的——因为希子是唯一不依赖于希格斯机制，来获得质量的。

质量是与希格斯场的耦合

为什么粒子与希格斯场耦合，就会获得质量？

试想，在希格斯场具有对称性，还没有激发出希子的时候，场里充满了虚粒子，不可观测也不会与任何粒子耦合（即相互作用）。而希格斯场的对称性被打破，希子激发于场的微小振动，此时虚粒子涌现了可观测的——奥妙又玄妙的量子效应。

那么此时，希格斯场就可以与其它粒子产生耦合作用了。

显然，耦合有大小，即强度，称为耦合强度——可以理解为一种类似于电荷与色荷的东西，其大小与相互作用粒子的性质、类型、末态相空间等因素相关。

耦合强度可以使用耦合常数及多种因素一起来度量，其结果呈现了一种概率，即：耦合概率越大，耦合强度就越大。

相空间——在数学与物理学中，是一个用以表示出一系统所有可能状态的空间；系统每个可能的状态都有一相对应的相空间的点。

由此可见，处在希格斯场中的粒子，如果可以与场发生耦合，就会源源不断的发生相互作用——就像在水中运动的物体，会受到水分子的阻力一样，并且物体质量越大，运动受到的水阻力就越大，此时水阻力带来的就像是，物体的惯性质量一样，是阻碍物体运动状态的度量。

于是，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（即耦合强度）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，是希格斯场通过希格斯机制源源不断——“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，就是因为与希格斯场的耦合概率（即耦合强度）不同。

那么，在标准模型里，如果温度足够高（超过大统一温度），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。

此时，电弱作用力与强作用力会统一为电核作用力（Electronuclear Force），传递电弱作用力的玻色子（光子）与传递强作用力的玻色子（胶子）的任何特征性质也都烟消云散，它们的物理行为完全一样。

而如果温度低于一个临界值（即大统一温度），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。

此时，不同的粒子与（不同强度的）希格斯场相互作用，而粒子的质量，就是由这相互作用（即耦合强度）所决定。这样「W和Z玻色子、夸克与轻子」等等，分别获得其特定的质量，而「光子、胶子」也因此不拥有质量。

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，不过在温度未抵达临界值的时候，此时温度下降的过程不会产生质量。

复合粒子的质量

事实上，像质子、中子这类复合粒子的质量，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%则是——夸克的动能与胶子的能量。

例如，三个夸克被胶子组合在一起，构成了一个质子，其中胶子负责传递强核力，没有质量。但我们会发现，三个夸克的质量加起来约5MeV，却远远小于一个质子的质量约938MeV，可见大约只占5%的比例。

那么，质子除了夸克贡献的质量以外，其它95%的质量，其实就是来自于各种运动产生的——动质量（即由E=mc^2得出的，能量等效的质量）。

• 第一，夸克和胶子、胶子和胶子在强互相作用，这是强核力的传递过程，这个过程产生的能量，贡献了一部分动质量。
• 第二，夸克和胶子的自旋角动量，贡献了一部分动质量。
• 第三，夸克和胶子由于夸克禁闭，被困在在狭小的空间内，根据不确定性原理——位置可能性越小，动量可能性就越大——于是，这些动量产生的动能，又贡献了剩下的动质量。

由此可见，我们测量微观粒子——尤其是复合粒子的质量时，其实测得大部分都是相对质量，并且其中99%的都是动质量，只有1%的是（静）质量。

甚至像光子的质量，100%都是动质量。