科学大唠嗑：物质是什么（14）物质真的有质量吗？
科学大唠嗑
张 喆
天津市天文学会会员
天津科技馆科普辅导员
上一期咱们说到了杨振宁和米尔斯研究的B场是强力的量子场论。弱力和强力一样，都是短程力，意味着它的载体一定也是有质量的粒子。
1941年，施温格提出假设，如果弱力是由一种力粒子携带的，它的质量相当于质子质量的几百倍，这就会导致它的传播范围将会非常有限。和没有质量的光子不同，有质量粒子的运动速度非常缓慢，要明显的低于光速。这种慢速运动的粒子所携带的力也会比电磁力弱得多。
施温格意识到，如果这样一个弱力载体的质量能够以某种方式被“关闭”，就是被切换到没有质量的状态，那么弱力就会具有与电磁力大小相当的传播范围和强度。这句话听起来虽然有些离谱，但这也是第一次有人意识到，弱力和电磁力可以被统一为“电弱力”。
01
弱力和电磁力是怎么分道扬镳的
02
先来看看水是怎么结成冰的
什么意思呢，咱们来举个例子说明一下。想象一下玻璃瓶中水结冰的过程，在某个时刻，我们会看到第一批冰晶的形成，然后这些冰晶慢慢地扩展，直到整瓶水都变成冰。
液体中的水分子有一定的对称性，它们从上、下、左、右、前、后等不同的方向上看起来都大致相似，都在构成液体的松散网络中随机运动。但是冰是一种晶格，一种由六角形原子环平铺而成的规则阵列。
从不同方向上观察这一结构，会看到不同的情景，在某一个特定的方向上，我们可以看到一条由晶格结构形成的通道。
尽管晶体是一种更有规则、重复出现的结构，但在三维空间中，固态水分子的组织方式并不像液态水中那样对称，也就是说，从不同的方向观察会得到不同的结果。因此，将水冻成冰的过程“打破”了液体较高的对称性。
不过，这个现象只是解释了自发对称性破缺，而不是它发生的机制，想要了解水结冰的机制，咱们还要回过头来继续研究刚才那个玻璃瓶中的水。
第一个冰晶在整瓶水中的某处形成，这个位置感觉是相当随机的，最大的可能是在内壁的周围，一旦有第一个冰晶形成，那么接下来就会有更多的晶体包裹上去，形成一个“核心”，并继续扩展，直到整个瓶子结满了冰。接下来的问题是，是什么导致了第一个冰晶凝结成核心呢？
咱们来重复这个实验，这一次用超纯水，就是超级纯净的水，同时确保玻璃瓶的内壁非常光滑。在慢慢使玻璃瓶冷却的过程中，奇怪的现象发生了，即使水的温度已经降低到冰点以下，还是没有形成任何冰晶。这样的水被称为过冷水。
答案找到了，之前的那个玻璃瓶中之所以会有冰晶凝结成核，是由于水中含有杂质或是玻璃瓶内壁不均匀，所以在第二次实验中去除了水中的杂质以及内壁的不均匀性之后，就不会再形成冰晶。
这个实验得到的结论是，晶体需要“依附”在某些东西上才能完成结冰的过程。所以我们需要添加一些东西，就是刚才例子中的杂质和不均匀性，才能促使自发对称性破缺的发生。
03
寻找希格斯玻色子
咱们再说回量子场论。其实，杨振宁和米尔斯以及格拉肖提出的量子场论就像是一个装着超纯水的非常光滑的玻璃瓶，物理学家意识到，要打破对称性，就需要在量子场中添加某种东西来作为“背景环境”，这是一种原本缺失的成分。
这一想法起源于20世纪60年代初，而且与超导材料的特性有关。美籍日裔物理学家南部阳一郎认识到，自发对称性破缺可以导致具有质量的粒子的产生。
1964年，很多物理学家都独立地发表了一系列论文，详细地阐述了这一机制，这其中就包括了英国爱丁堡大学物理学家彼得·希格斯。因此，从1972年开始，这一机制开始被人们普遍称为希格斯机制，新的量子场则被称为希格斯场。
彼得·希格斯
添加一个具有某些性质的背景希格斯场等于向量子场论方程中引入了新的项，这一机制从数学的角度上来看是没有问题的，现在需要做的是寻找它的物理意义。
添加一个背景希格斯场就意味着它遍布于整个宇宙中，就像是现代版的以太。如果没有这个场存在，所有粒子就都是默认的无质量的二维粒子，并且都会以光速运动。
如果真的是这样，那就不会有质量存在了，也不会有物质实体的产生，不会有我们今天所熟悉的宇宙，不会有星系、恒星、行星、生命，更不会有人类。而现在我们知道了希格斯场的存在，无质量粒子与希格斯场相互作用产生了一系列效应，使粒子获得了第三个维度，速度也随之慢了下来，这个结果就是，粒子获得了质量。
希格斯场
打个比方，希格斯场就像是一团黏稠的糖浆，它会拖拽着粒子，并且让粒子减速，而粒子对于加速度的抵抗就表现出了惯性质量。
现在再回头看，在大爆炸发生后的一万亿分之一秒，宇宙的温度已经冷却到足以让希格斯场稳定在一个固定的值，这为打破电弱力的对称性提供了必要的前提。
粒子们找到了可以“依附”的东西，从而使它们获得了额外的第三个维度，也就获得了质量，于是弱力从电磁力中分离出来。
从古希腊原子论者开始，人们就倾向于认为质量是物质的最终组成成分，是一种与生俱来的、不可分开的“第一”性质。伽利略和牛顿虽然改进了这一概念，但并没有从根本上改变它。一个物体的惯性质量是它阻碍加速度的量度，我们本能地把惯性质量等同于这个物体所拥有的物质的量，物体包含的“东西”越多，就越难加速。
而如今，一个本来没有质量的基本粒子的运动在与希格斯场的相互作用下“抵抗”运动的程度被解释为粒子的惯性质量，质量的概念在一堆数学推导的过程中就这样消失了，它已经成为一种第二性质，是无质量粒子和希格斯场相互作用的结果。
1964年，希格斯曾提到希格斯玻色子存在的可能性，但这个粒子与任何一种力都没有关系。温伯格于1967年11月发表了一篇论文，详细地阐述了一个统一的电弱理论。
在这个理论中，希格斯机制的原理是在对称性被打破之前，电弱力由4种无质量粒子携带，与背景希格斯场的相互作用使得其中两种粒子获得了第三维，从而减速，并获得质量。
1983年1月，欧洲核子研究组织宣布发现了其中一种粒子，其质量为质子的85倍，与温伯格的预测值相同。随后，在同年的6月，另一种粒子也被发现，其质量大约是质子的101倍。
电弱理论还预测了希格斯玻色子的存在。因为通过希格斯机制预测的弱力载体质量如此准确，物理学家们也认为希格斯场的存在似乎是“确信无疑的事”。
希格斯机制就这样自然而然地嵌入电弱理论中，一切看起来都是那么完美。但是这一机制要求存在一种新的量子场，这个量子场将遍布于整个空间之中。所以，一切的问题归根结底就是：如果希格斯场真的存在，那么它的基本场粒子希格斯玻色子也应该存在。
下一步物理学家们的任务当然就是寻找希格斯玻色子存在的证据，一场竞赛就此在芝加哥的费米实验室和日内瓦的欧洲核子研究组织之间展开了。
究竟结果如何，咱们下期再说。
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“科学大唠嗑”是悦读读书会新增添的一个栏目，每周更新一次，作者是书友们所熟悉的“牧羊人”张喆老师。他曾组织过我们读书会开展天文线下活动，也是《时间简史》、《上帝掷骰子吗？》的领读者。对于天文爱好者，此栏目是一个相当大的福利。对天文还未有过了解的书友们，这也是一次增长天文知识的机会。期待张老师下一次更新！