相对论量子力学与量子场论（上帝粒子的秘密）

高能预警，虽然标题是通俗解释，但希格斯机制是这个宇宙的最底层机制，所以想要读懂本篇，标准模型图的基本理解还是相当有必要的，好在文末已经准备好了标准模型所以小伙伴们不要惊慌。好啦，如果以不需要任何数学的方式来理解希格斯机制，粗略来说可以归纳为以下几点：

1.所有基本粒子仅仅是某些field场（或quanta量子）的激发态。这包括higgs boson希格斯玻色子，它是higgs field希格斯场的量子；光子photon，是电磁场的量子；电子electron，是电子场的量子等等。所有种类的量子场在时间与空间内的所有点都是存在的。讲的简单点就是，一个粒子可以理解为一个场内某一个点的震动，这就好比平静的湖面某个点泛起一个波纹荡漾开去，那么这个点就是这个粒子，就是水面这个场在这一点的震动。

2.不同的量子场可以与其他的量子场耦合（interact发生互动），这种情况下，我们称之为场与场之间的交互interaction。

3.有些场与希格斯场耦合，在被称为spontaneous symmetry breaking自发对称破缺的过程之后，希格斯场被分成两部分。第一部分仍然是动态场，其量子是希格斯玻色子。第二部分是一个常数（称为真空期望值），描述希格斯场与其他场的耦合的方程式成为描述其自身耦合（平方）的其他场的方程式，在量子场论中将其解释为给一个特定场（量子）以质量。因此，希格斯场的真空期望值与每个场的质量成比例。 （见下面的进一步说明。）

由于显而易见的原因，这图被称为“mexican hat墨西哥帽”量子潜力值。在这个三维图中，两个水平轴是该场可以采用的值。标记为（φ）的垂直轴是对应于场φ的每个特定值的势能的值。它有点像地理地形，其中场的值是经度和纬度，潜力的值是高度。

因此，我们有一个大山谷，中心有一个小山丘，希格斯场目前正坐在图像中。然而，希格斯波色子环顾四周，注意到他周围的能量状态较低，位于山谷的底部。它“想要”从山上滚下来进入能量较低的状态。

请注意，当它位于山顶时，量子系统是完全对称的；您可以根据需要任意旋转垂直轴，但不论你怎样旋转它看起来仍然完全相同。但是在希格斯从山顶掉入到谷底一个特定的位置后，量子潜力值就不再是对称的了。我们将这个过程称为spontaneous symmetry breaking自发对称性破裂，因为希格斯在选择圆上特定点进行滚动时会自发地“破坏”对称性。以下是发生的事情的说明：

希格斯在山的右边选择了一个特定的点向下滚动，如果我们现在沿着蓝色箭头的方向旋转势函数，它将不再是看起来跟原来处在山顶那样全同。因此对称性被打破了。

当希格斯降低到能量较低点（“高度”）时，我们说它获得了真空期望值vacuum expectation value（VEV）。注意，VEV是场的值，而不是能量的值。之前当它位于山顶时，场地的VEV为零；这可以从它位于水平面的原点（中心）的事实中很容易看出，其中场等于零。现在该场具有非零值VEV，但它具有比以前更低的能量。

但是这个过程实际上如何为粒子提供质量呢？下面你必须忍受一点数学，非常简单。

正如在上面第（3）点中解释的那样，其他一些场与希格斯字段耦合。这意味着，在描述所有字段的等式中，有一些交互术语看起来大致如下：

g(ψ-)(ψ )φ

这是每个符号的含义：

φ代表希格斯场。不知道如何念这个希腊字符的小伙伴请张嘴大声跟我一起念 fai，四声

ψ 和ψ-是某些粒子及其反粒子的场。例如，电子和正电子（电子带负电荷，正电子positron带正电荷是电子的反粒子）。不会念这个长得像波塞冬手里拿的那个叉子的符号的小伙伴请跟我一起念 “psi”，普斯，这个发音和你跟死党一起干坏事儿之前打暗号的发音普斯普斯是一样的。这个发音也同样是Poseidon波塞冬这个名字的来源，希腊神话中波塞冬是宙斯之子掌管海洋，嗯，我明白我已经扯的有点远了，见谅。

g只是一个数字，称为耦合常数，它决定了三个场（电子，正电子和希格斯）之间相互作用的强度。

现在，如上所述，Higgs场获得VEV。这只是一些数字，我们叫该数字为v。所以我们可以将φ分成v，它只是一个数字，而H是一个新的场：

φ = v H

让我们把它放到上面的表达式中，结果如下：

g(ψ-)(ψ )φ = g(ψ-)(ψ )v g(ψ-)(ψ )H

右边的表达式仍然是一个交互项，因为它仍然有三个字段。我们用另一个字段替换了φ，H。这个新场，而不是φ，是希格斯玻色子。所以我们得到了一个描述电子和正电子如何与希格斯玻色子相互作用的术语。但那现在不相关。

等号右边的前半部的表达式g(ψ-)(ψ )v是质量的来源。首先，让我们将g和v结合在一起，因为它们都只是数字。让我们称之为组合。因为我们有m=gv，所以表达式变为：

m(ψ-)(ψ )

这是粒子与其反粒子之间的“相互作用项”，并且没有第三个其他场。这种互动被称为一个质量项！因此，根据量子场论，电子和正电子都具有质量m。他们以前没有这个质量m，以前没有质量项。但是在Higgs场的真空期望值VEV的帮助下，我们创造出了一个“无中生有”的质量项。这就是希格斯场给粒子赋予质量的方法。

那么，对于那些并不是通过希格斯机制来获得质量的粒子呢？比如质子proton呢？

希格斯机制只给基本粒子赋予质量。基本粒子的数量实际上很少。下图包含所有基本粒子及其属性，该图就是大名鼎鼎的标准模型图：

该表中有17个粒子，包括希格斯玻色子本身。其中，只有12个粒子从希格斯机制中获得质量。这些是6种夸克u，d，c，s，t，b，3个轻子e，μ，τ，2种规格玻色子Z和W，和非规范波色子H即希格斯玻色子本身。（中微子也可能是通过希格斯机制得到质量，但目前还不是很确定。）

然而，还有许多其他不是基本粒子的粒子，它们被称为复合粒子。这些复合粒子由基本粒子和/或其他复合粒子制成。例如，质子由uud quark（上上下夸克）结构组成：

但是，质子的质量大约是940 MeV，从上表中可以看出，它远远超过两个u夸克和一个d夸克的质量之和，大约是9.4 MeV - 仅为1％质子的总质量！这怎么可能？嗯，我们都知道E=mc^2；能量相当于质量，反之亦然。所以质子质量的其余部分必须来自其储存在自身里的能量。

实际上，质子内部有两种能量来源。夸克总是在里面非常快速的移动，所以他们具有强大的动能。如连接它们的波浪线胶子gluon所示，夸克也具有多种相互作用（电磁作用、经由胶子的色荷交换、经由W和Z子的弱相互作用，以及引力作用）；这些相互作用是将夸克联系在一起的东西，它也有能量。因此，夸克的动能和结合能都对质子的总质量有贡献，希格斯机制贡献大概1%，动能结合能贡献99%。所有其他复合粒子也是如此。

好啦今天的物理心得就跟大家分享到这里。写物理科普其实是一件很费劲的事情，需要严谨的态度查资料和极大的耐心还要能把简单的事情尽量讲明白，喜欢的小伙伴请点赞分享收藏订阅哦～求扩散么么哒