微觀粒子的質量，到底是從何而來？為什么費米子、W玻色子、Z玻色子具有質量，而光子、膠子的質量為零？

本文，將會詳細介紹和解讀——上帝粒子是什么，微觀質量如何形成，以及希格斯機制的詳細作用過程。并以通俗易懂的語言，讓人徹底明白，在粒子標準模型理論中，質量的來源之謎。

相關物理概念，主要參考維基百科詞條：希格斯玻色子，希格斯場和希格斯機制。

主題目錄如下：

• 上帝粒子是什么
• 微觀質量的來源
• 自發對稱性破缺
• 場與粒子
• 希格斯機制的應用
• 質量是與希格斯場的耦合
• 復合粒子的質量

上帝粒子是什么

上帝粒子，其實是一個“藝名”，它的本名稱為——希格斯粒子，或希格斯玻色子（Higgs Boson）——它是標準模型里的一種基本粒子，也是一種玻色子，自旋為零，宇稱為正值，不帶電荷色荷，極不穩定（平均壽命為1.56×10^?22秒），生成后會立刻衰變成其它粒子。

以下，把希格斯粒子簡稱為“希子”。

那么，之所以稱希子為上帝粒子，是因為尋找到它異常困難（極不穩定容易衰變），而一旦證明了它的存在，就證明了微觀質量產生機制的正確性，并且它當時還是標準模型的預言中，最后一個還未被發現的粒子（2013年已經被證實存在）。

于是，有人為了凸顯希子的重要性與發現的困難性，就將它戲稱為了——上帝粒子。

微觀質量的來源

簡單來說，微觀質量最根本的來源，是由希格斯場（Higgs Field）產生的。

具體一些就是，在希格斯場中，基本粒子——規范玻色子（W和Z玻色子）和費米子（夸克與輕子）會與希格斯場發生耦合（即相互作用），從而獲得質量。這一過程的作用機制，就被稱為——希格斯機制（Higgs Mechanism）。

耦合作用（Coupling）——是兩個或多個物理量之間，產生了相互作用。這個相互作用，是物理上可以測量的效應，這個效應的強弱可以用耦合常數來表示。那么，力是相互作用，也就是耦合作用，于是力的強弱可以用耦合常數來表示。
耦合常數（Coupling Constant）——是量子論中，相互作用強度的一種度量。例如，電荷就正比與電磁力的耦合強度，而電磁力的耦合強度使用「精細結構常數」來表示。
精細結構常數——是一個數字，表示電子在第一玻爾軌道上，其運動速度和真空中光速的比值（近似為137.03599976）。

并且同時，希子也會從希格斯場的振動中，被量子化激發（類似電磁場產生光子），通過自耦合而獲得質量。

量子化激發——根據量子場論，所有萬物都是由一個或多個量子場制成，每一種基本粒子是其對應量子場的微小振動，就如同：光子是電磁場的微小振動，夸克是夸克場的微小振動，電子是電子場的微小振動等等。

由此可見，如果希子被證實存在，則希格斯場也就應該存在，同時希格斯機制也就可以被確定基本無誤了。

所以，上帝粒子——希子的確認，其最重要的意義，就是對希格斯場與希格斯機制的確認——而就是對微觀質量（即靜質量）起源之謎的最終解答。

那么，根據標準模型理論（Standard Model），宇宙空間中的各處都充滿了希格斯場，并且希格斯場是源于——希格斯機制應用了自發對稱性破缺，才使基本粒子獲得了質量。

自發對稱性破缺

那到底什么是，自發對稱性破缺呢？

自發對稱性破缺（Spontaneous Symmetry Breaking）——是指某些物理系統，遵守自然規律的某種對稱性，但是其系統本身卻不具有這種對稱性。

舉一個簡單的例子：

一個拋硬幣系統，正反面是等概率的——這是自然規律（即由數學描述）的對稱性，而一旦拋出硬幣落地，正反面就確定了——此時系統本身（即物理現實）的概率就不對稱了。

那么，拋硬幣系統，就是遵守自然規律的對稱性，但系統本身運作卻不具有這種對稱性。也可以理解為，數學（描述物理系統）上的對稱性，在物理現實中，可能會不具有這種對稱性。

可見，自發對稱性破缺——是確定性，從概率的對稱性中，隨機顯現出來，形成不對稱性的過程——這就像是一個特定的現實，從數量巨大的一系列的可能性中，隨機選擇拼湊而來，如同上帝擲骰子的過程一樣。

然而，無限次拋硬幣的統計結果，正反面又會是對稱的了。

由此可見，我們的世界——是對稱中有不對稱，不對稱中有對稱，這完全取決于整體與局部的相對視角，即：從不對稱的局部，上升到整體就會對稱，再繼續上升到局部，就又會不對稱，如此隨著視角的上升——整體與局部的不斷變化——而如此往復。

場與粒子

事實上，在量子力學里，真空并不是沒有任何物質的空間，而是充滿了場與虛粒子的。

其中，虛粒子是無質量、無法直接觀測到的粒子，但它會持續地隨機生成，或湮滅于空間的任意位置，產生可觀測效應，即量子效應（注意只要能夠直接觀測到粒子本身，就是實粒子，而不是虛粒子）。

而場，理論上它是充滿了整個宇宙的量，可以用數學上的一個函數描述——可見它并不是時空，是定義在時空上的函數。

場，有不可觀測的時候，但由于量子漲落，它又會出現可以觀測的時候（即通過相互作用來呈現）。所以，場充滿了宇宙，其實是充滿了，可觀測和不可觀測狀態的疊加狀態，并會隨機的展現出一個狀態。

量子漲落——是指在空間任意位置，能量的暫時變化，也稱量子真空漲落。從海森堡的不確定性原理，可以推導出這結論。

那么，量子真空，就可以理解為場的真空態——是場能量最低的狀態，此時場是不可觀測的，而可觀測的狀態，也就是有粒子的狀態——稱之為場的激發態。

由此可見，場的激發態產生了（實）粒子，所以可觀測，場的真空態只有虛粒子，所以不可觀測。

而所有場和粒子，可以分為兩類：一類是物質場與物質粒子，如電子場與電子；另一類是規范場與規范粒子，如電磁場與光子。

于是，場就可以看成是，同類型粒子的集合，而場中的微小振動（即量子化激發），就產生了一類粒子，就如：電子是電子場的微小振動，光子是電磁場的微小振動。

希格斯機制的應用

在溫度（能量）特別高，即超過大統一溫度的時候，宇宙中充滿遍布了——四種無質量規范玻色子和一個希格斯場。

大統一溫度——大約是10^29K，對比起來，太陽中心溫度僅為10^7K。

而希格斯場的能量性質和形式，由希格斯勢（函數）描述——它就像一個墨西哥草帽，在草帽頂部能量（勢能）最大——具有旋轉對稱性，在草帽底部能量（勢能）最小——不具有旋轉對稱性。

想象，墨西哥草帽的帽頂有一個圓球，此時圓球具有旋轉對稱性——對于繞著帽子中心軸的旋轉，圓球的位置不變。而圓球滾落至帽底的任意位置，不具有旋轉對稱性──對于繞著帽子中心軸的旋轉，圓球的位置會改變，除非旋轉2π（即360度）的整數倍。

如果說草帽——是希格斯勢，那么圓球——就是希格斯場，即：圓球的能量分布是一個草帽的形狀。并且，圓球處在帽頂，即勢能最大，圓球處在帽底，即勢能最小。顯然，如果能量足夠大，圓球就可以維持在頂部——代表其勢能最大，但如果能量不足夠，圓球就會很容易滾落到底部——代表其勢能最小。

于是，當溫度（能量）下降，直到低于大統一溫度的時候，希格斯場的能量（如草帽），就很容易自發的下降（如圓球的滑落），而在能量最低的時候（如圓球來到草帽底部），希格斯場不具有對稱性（如圓球不具有旋轉對稱性）。

因此，我們可以說，希格斯場在帽頂，此時希格斯勢描述的物理系統，具有對稱性——這代表著自然規律的對稱性；而希格斯場在帽底，此時希格斯勢描述的物理系統，其對稱性就被打破了。

而在物理現實中，隨著溫度下降，希格斯場總會趨向最低能量態，即自發抵達量子真空態。以數學來表述，希格斯場的量子真空態——就是在數學表達上的真空期望值（場可以用數學函數描述）。

希格斯場的真空期望值——就是希格斯場在最低能量態的平均值。

顯然，希格斯場的量子真空態并不唯一，就如圓球可以來到帽底的任意位置——這對應了無窮多個（具有相同能量）簡并的最低能量態，但在這無窮多個的可能性中，只有一個最低能量態會被隨機到。

簡并（Degenerate Energy Level）——是指對于一個物理體系處于一個能級，所對應的可能的狀態和相應波函數，并不是唯一的。

而一旦最低能量態被隨機到，希格斯場（如圓球）的旋轉對稱性就會被打破——造成自發對稱性破缺。

那么，重要的是，最低能量態（只要時間足夠長）就一定會被隨機到，因為溫度下降，高勢能會自然趨向低勢能（如圓球的滑落）。而這以數學來表述，就是希格斯場的真空期望值不等于0。

由此可見，是溫度下降到一個特定值，讓希格斯場的真空期望值不等于0，從而導致了自發對稱性破缺的發生。

也就是說，理論上存在無數個可能的量子真空態，并且這些真空態在整體上是對稱的，但物理現實只能選擇一個，成為局部態，從而讓量子真空的整體態，出現對稱性破缺。

那么，自發對稱性破缺，意味著什么呢？——從隨機到確定，概率給出結果，可能性變成現實，虛幻從虛無中涌現，即：希格斯場可以與粒子產生耦合作用了，而正是耦合作用，讓粒子獲得了質量。

于是，再接下來，希子就從希格斯場的振動中，被量子化激發，通過自耦合獲得質量。

再然后，四種無質量的規范玻色子，其中一個繼續保持無質量——就是光子，另外三個會與希格斯場耦合，產生了W和Z玻色子，即：W+、W-、Z0三個有質量的規范玻色子。

由此可見，規范玻色子——膠子和光子沒有質量，是因為它們與希格斯場不耦合。

與此同時，無質量的費米子（夸克與輕子），也會通過與（無處不在且真空期望值不等于0的）希格斯場，發生湯川耦合，從而獲得質量。

湯川耦合（Yukawa's Interaction）——在粒子物理學中，用來描述標量場與狄拉克場之間相互作用的量。

并且，湯川耦合是不同于，W和Z玻色子的耦合機制的（注意湯川耦合提出的時候，希子還沒被發現）。

希格斯機制，可以促使其他種費米子獲得質量。對于為什么每一種費米子，都有其特定的湯川耦合常數，希格斯機制并沒有給出任何說明。標準模型里的自由參數，大多數都是湯川耦合常數。

最后，希子的自耦合，又是不同于前兩種耦合的——因為希子是唯一不依賴于希格斯機制，來獲得質量的。

質量是與希格斯場的耦合

為什么粒子與希格斯場耦合，就會獲得質量？

試想，在希格斯場具有對稱性，還沒有激發出希子的時候，場里充滿了虛粒子，不可觀測也不會與任何粒子耦合（即相互作用）。而希格斯場的對稱性被打破，希子激發于場的微小振動，此時虛粒子涌現了可觀測的——奧妙又玄妙的量子效應。

那么此時，希格斯場就可以與其它粒子產生耦合作用了。

顯然，耦合有大小，即強度，稱為耦合強度——可以理解為一種類似于電荷與色荷的東西，其大小與相互作用粒子的性質、類型、末態相空間等因素相關。

耦合強度可以使用耦合常數及多種因素一起來度量，其結果呈現了一種概率，即：耦合概率越大，耦合強度就越大。

相空間——在數學與物理學中，是一個用以表示出一系統所有可能狀態的空間；系統每個可能的狀態都有一相對應的相空間的點。

由此可見，處在希格斯場中的粒子，如果可以與場發生耦合，就會源源不斷的發生相互作用——就像在水中運動的物體，會受到水分子的阻力一樣，并且物體質量越大，運動受到的水阻力就越大，此時水阻力帶來的就像是，物體的慣性質量一樣，是阻礙物體運動狀態的度量。

于是，宇宙中的遍布的希格斯場——就像是“粘稠的濃湯”，把質量以概率（即耦合強度）的形式，賦予其中的——規范玻色子（W和Z玻色子）和費米子（夸克與輕子），然后這些粒子復合構建了上層的一切物質。

也就是說，質量最根本的來源，是希格斯場通過希格斯機制源源不斷——“用概率生成的”。

并且，這個概率越大（即耦合強度越大），質量就越大，概率越小質量就越小。顯然，不同基本粒子的質量不同，就是因為與希格斯場的耦合概率（即耦合強度）不同。

那么，在標準模型里，如果溫度足夠高（超過大統一溫度），物理系統的電弱對稱性沒有被打破，則所有基本粒子都不具有質量。

也就說，只有能量的高溫系統，是不具有質量的——這就是大爆炸的時刻。

此時，電弱作用力與強作用力會統一為電核作用力（Electronuclear Force），傳遞電弱作用力的玻色子（光子）與傳遞強作用力的玻色子（膠子）的任何特征性質也都煙消云散，它們的物理行為完全一樣。

而如果溫度低于一個臨界值（即大統一溫度），希格斯場就會變得不穩定，隨即發生躍遷至最低能量態（即量子真空態）；接著，整個物理系統的連續對稱性因此被自發打破，從而W和Z玻色子、費米子就會獲得質量——這就是大爆炸之后的冷卻時刻。

此時，不同的粒子與（不同強度的）希格斯場相互作用，而粒子的質量，就是由這相互作用（即耦合強度）所決定。這樣「W和Z玻色子、夸克與輕子」等等，分別獲得其特定的質量，而「光子、膠子」也因此不擁有質量。

由此可見，高溫是能量，低溫是質量，從高溫到低溫的冷卻過程——就是從能量到質量的轉化過程，不過在溫度未抵達臨界值的時候，此時溫度下降的過程不會產生質量。

復合粒子的質量

事實上，像質子、中子這類復合粒子的質量，只有約1%是歸因于——將質量賦予夸克的希格斯機制，剩余約99%則是——夸克的動能與膠子的能量。

例如，三個夸克被膠子組合在一起，構成了一個質子，其中膠子負責傳遞強核力，沒有質量。但我們會發現，三個夸克的質量加起來約5MeV，卻遠遠小于一個質子的質量約938MeV，可見大約只占5%的比例。

那么，質子除了夸克貢獻的質量以外，其它95%的質量，其實就是來自于各種運動產生的——動質量（即由E=mc^2得出的，能量等效的質量）。

• 第一，夸克和膠子、膠子和膠子在強互相作用，這是強核力的傳遞過程，這個過程產生的能量，貢獻了一部分動質量。
• 第二，夸克和膠子的自旋角動量，貢獻了一部分動質量。
• 第三，夸克和膠子由于夸克禁閉，被困在在狹小的空間內，根據不確定性原理——位置可能性越小，動量可能性就越大——于是，這些動量產生的動能，又貢獻了剩下的動質量。

由此可見，我們測量微觀粒子——尤其是復合粒子的質量時，其實測得大部分都是相對質量，并且其中99%的都是動質量，只有1%的是（靜）質量。

甚至像光子的質量，100%都是動質量。