标准模型与大统一理论：宇宙万物的质量来自哪里？

【标准模型与大统一理论：中篇】

如果我问你，你身体的质量来自哪里？

你可能有点懵，你下意识可能会回答到，我自身就有质量。

那你自身固有的质量又来自哪里？

当然，这就要从微观层面入手，人体的质量来自于构成人体的所有原子的质量之和。

原子由核外电子和原子核构成。而原子核又由质子和中子构成，质子和中子的质量差不多是一样的，但却是电子质量的1836倍。所以原子质量的99.9%都来自原子核。

而原子核中的质子和中子又由夸克构成，而大部分人会认为质子或中子的质量来自内部夸克质量之和，其实这种看法是错的。

以质子举例，质子含有两个上夸克和一个下夸克，而这三个夸克加一起能量只有9.4Mev，而质子总能量为938Mev,

所以夸克质量之和只占据质子质量的1%，其他99%的质量则来自于胶子产生强力的结合能。至于这种结合能产生的额外质量到底是怎么来的，文章接下来会讲。

而对于夸克自身，它的质量则来自希格斯机制！

在我往期的视频中，我经常说基本粒子本质上就是波，这条波可以延伸到宇宙各个角落，波上有个波包，波包在哪，我们就说粒子在哪。但是波包的概念也是比较传统的说法。

按照量子场论的说法，波的概念被量子场取代。每一种基本粒子本质上都是自己的量子场，比如，光子场（电磁场），电子场，夸克场

粒子只是自身量子场的激发，电子场激发电子，光子场激发的光子，夸克场激发的夸克。

标准模型中所有的基本粒子都是自己对应的量子场，这种场弥漫整个宇宙，一般情况下，这些量子场处于基态，也就是能量最低状态，由于能量的缺少，并不会激发出有质量的粒子。

但要注意，处于基态的量子场中会不断产生正反虚粒子对，这些粒子对的能量是从真空中借的，很快就会湮灭，并将能量还给真空。这就是量子涨落，虽然每种量子场中不断产生虚粒子对，但很快就会湮灭，最后量子场的真空期望能还是为0。

所以不要被量子场中的量子涨落迷惑了，量子涨落这种白嫖的能量并没有什么卵用。

量子场要想在不白嫖的情况下，就能激发出粒子，就得获取能量。

这种能量必须从非真空的外界摄入，也就是和其他量子场相互作用。

而大部分粒子会和希格斯场相互作用，也就是由希格斯场提供能量，比如夸克场与希格斯场作用后，会吸收能量，从而激发出夸克，但是要注意，这种吸收能量的数值是间隔的，并不是连续的，也就是说夸克场和希格斯场作用的时候，吸收的能量只能是激发整数个夸克所需的能量，假设一个夸克的能量为A，那夸克场吸收的能量只能是1A,2A,3A, 不可能存在0.5A,1.68A这种能量值。

因为量子场激发的粒子都是基本粒子，每一种基本粒子的能量都是一种基本单位，如果存在非整数的能量值，那么这种所谓的“基本粒子”就是一定还存在内部结构。

正是由于夸克场和希格斯场作用，所以才获得了能量，而能量又等价于质量，所以夸克就拥有了质量。但是并不是所有基本粒子都会和希格斯场作用。比如光子场，胶子场就没有和希格斯场相互作用，所以它们的没有固有质量。

而关于希格斯机制为什么会赋予基本粒子质量，则暗示着大统一理论的线索。

刚才已经讲过了，粒子只是各自量子场的激发，虽然量子场会产生量子涨落好像创造了能量，但是这是无效能量。

如果测量某个量子场所有可能出现的能量值，最后得出的真空期望值就为0，所以每一种量子场的期望值起初都为0，你可以直白理解成量子场起初的能量都为0，期望值为0就意味着，量子场要激发出有静止质量的粒子，就需要和其他量子场作用获取能量。

而如果所有量子场的期望值都为0，那量子场就无法从任何其他量子场中获取能量。

就好像这61种基本粒子都是穷鬼，如果要想借钱花（激发有质量粒子），必须傍一个大款才行。这时候希格斯场就发挥这个大款的作用。

那为什么希格斯场就可以拥有能量？它的能量哪来的？

希格斯场自带能量就要求希格斯场的期望不能为0。而量子场的真空期望值是否为0则取决于对称性是否破缺。

在微观世界，对称性是很抽象的概念，而这东西本质上也无法用二维图像呈现出来。比如强力的su3对称性涉及8个维度，这根本就无法科普。

一般情况下，科普视频中的对称性都是找一些对称性图案比喻。

但要注意，这种科普绝对不是真实情况，比如生活中三原色合成白色也是一种对称性。对称性严格来说，就是物理属性遵守一种还原和合成的一致性。

这种抽象概念无法具象呈现，所以视频中的图案比喻也是妥协后的无奈之举。

所以接下来讲到的对称性，自己大概想想就是那么回事就行了，绝对不是动画演绎的那样，千万不要对号入座。

对于基本粒子内在的对称性而言，可以想象几乎所有基本粒子都处于图形中间，这是符合对称性的。

而只有希格斯粒子会掉落到一旁，这就导致希格斯场的对称性自发遭到破坏，类似于结构决定性质。对称性的结构一旦遭到破坏，那么在性质上就导致希格斯场的期望值不为0，这就导致希格斯场拥有能量。所以其他量子场再和希格斯场作用的时候就会获得能量，能量又等价于质量，从而激发出有质量的粒子。

而光子场由于没和希格斯场作用，所以光子没有获得质量，那么光子场(电磁场)就不需要借助外部能量，就可以肆无忌惮的激发出光子，所以光子的激发成本为0。

讲到这里，就刚好科普一下超导现象。

我们知道电子在线路运动会产生能量损耗。

这种损耗主要有两种

第一种就是电阻，这个可以通过极低温解决。

而另一种能量损耗就是电磁场会激发出光子，辐射部分能量。

对于第二种能量损耗来说，假设存在一种可以让光子被类似希格斯场的机制赋予质量，那电磁场就不会肆无忌惮激发光子了，因为光子一旦拥有了静质量，激发的门槛就存在了，在某些情况下，电磁场就不会向外辐射能量了。

而赋予光子质量的场就是库珀玻色场，这也就是BCS超导理论研究的范畴了！

【未完待续：明天更新第三篇！】