萬物質量的起源是什麼?現代物理學的解釋很簡單!

2020-12-05 物理科普

本文參加百家號#科學了不起#系列徵文賽。

有網友發私信詢問,質量的來源是什麼?這篇文章打算從現代物理學中「場」的概念出發,做一個框架上的回答。

「場」的概念是現代物理學中最重要的一個理論框架。例如電磁場就是自然界中大家最熟悉的一種場,無線電、電視信號、手機通訊、太陽光組成的電磁場的海浪,是我們所有人每時每刻都沉浸其中的天然浴場。光子作為電磁場中力的信使粒子,是電磁場的基本組成單元,兩塊磁鐵之間的力就可以理解為它們相互交換無數個光子對而形成的。

引力場是另一種大家熟悉的場,它始終如一地統一著地面與天上的全部引力效應。類似於電磁場,我們相信引力場也是由引力子組成的,但是由於引力是自然界四種基本作用力中最弱的力,因此引力子遲遲未能在實驗室中被探測到。

除了以上兩種著名的場,還存在分別描述著強核力與弱核力的場。另外,量子力學中的概率波也可以被視為一種遍布整個宇宙空間的場。而在二十世紀末的幾十年中,有一種場在宇宙學與粒子物理學中扮演著舉足輕重的角色,那就是希格斯場。希格斯場是一種在大爆炸後就填滿整個宇宙的最基本的真空海洋,正是希格斯海(場)的存在,使得我們生活中看到的形形色色的事物具備了我們所熟悉的各種性質,尤其是質量。

希格斯場是以蘇格蘭物理學家希格斯的名字命名的,在2014年,歐洲核子研究中心對外公布,已經確認在實驗中探測到希格斯場的激發態——希格斯粒子。由於希格斯粒子(場)可以解釋萬物的質量起源,它因此也被人們稱為上帝粒子。

在宇宙大爆炸之後的10^-43秒,出現了高達10^32開的高溫,這時宇宙中所有的場都處於劇烈的震蕩之中。隨著宇宙逐漸膨脹,溫度漸漸降低,物質及輻射最初所具有的巨大密度穩步衰減,宇宙中的大片區域變得前所未有的空蕩,場的波動漸漸平息。在平均的意義上,真空的場值被認為是0。

在大爆炸之後的超高溫度下,希格斯場在空間每一點同樣是狂熱地上下波動著,但是隨著宇宙溫度的降低,希格斯場會在空間中「凝聚」出一個非0的場值(希格斯場的真空期望值)。

對於普通場來說,它們的場值為0時,其能量也為0。希格斯場則不一樣,為迫使它的場值為0,就必須提高它的能量,這在能量的角度上就意味著真空不是完全的一無所有,到處都填充著希格斯海。

不同的粒子在希格斯場中加速運動時,受到的阻力是不同的。這種阻力就表現為粒子的慣性,也就是粒子的質量。受到的阻力越大,慣性越大,質量也就越大。打一個比方,粒子在希格斯場中的運動就好像將一個桌球扔進了一個裝滿蜂蜜的蜜罐中,桌球在試圖做加速運動時,總是會受到明顯的粘滯力。

但是稍微不同的是,桌球如果在做勻速直線運動,則不會感受到任何阻力。再舉一個粒子,如果我們將粒子的質量比作一個人的名氣,那希格斯場就可以視為狗仔隊,平常的老百姓可以隨意在成群的攝影師中穿行(靜質量為0或質量很小的粒子,光子、電子等輕子),而電影明星要想穿過去可就不容易了(大質量的粒子,夸克等重子)。

那麼不同粒子,為什麼會因希格斯場而獲得不同的質量呢?

理論研究表明,大爆炸之後的10^-11秒,整個宇宙的溫度大概是太陽中心溫度的1億倍,此時希格斯場在劇烈的「沸騰中」會被完全蒸發掉,而所有粒子受到的阻力都是0,也就是無質量的粒子。伴隨著宇宙的膨脹,宇宙也逐漸在降溫,相變過程中的自發對稱性破缺使得各種粒子在「凝聚」狀態下的希格斯場中出現了不同的質量。

當然,從追根溯源的精神出發,希格斯場僅僅是將粒子的質量起源問題轉化為希格斯場為什麼會存在的問題。但是,從純粹數學的角度去理解希格斯場的性質,哪怕還不能徹底搞清楚它為什麼會出現,也是人類對於萬物質量起源認識進程中的一大進步!

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