物理学的质量起源是什么？

物理学是一门试图在最基本的层次上理解自然的古老科学,它早期曾经是哲学的一部分。在那个时期,物理学所关心的是一些有关世界本原的问题。那些问题看似朴素,却极为困难。在后来的漫长岁月里,物理学曾经一次次地回到那些问题上,就像一个远行的水手一次次地回望灯塔。“质量的起源”便是一个有关世界本原的问题。

我们首先来界定一下所要讨论的质量究竟是什么东西的质量。这在以前是不言而喻的,但现在情况却有了变化,因此有必要加以界定。众所周知,过去十几年里观测宇宙学所取得的一个令人瞩目的成就,就是以较高的精度测定了宇宙物质的组成,从而使我们在宇宙学的历史上第一次可以谈论所谓的“精密宇宙学”(Precision Cosmology)。

按照“精密宇宙学”为我们绘出的图景,在宇宙目前的能量密度中暗能量约占72%,暗物质约占24%,而我们所熟悉的所谓可见物质只占可怜兮兮的4%(参阅宇宙学常数、超对称及膜宇宙论)。在这些组成部分中,对暗能量与暗物质的研究目前还处于一个很初级的阶段,尚未建立足够具体且有实验基础的理论。

除去暗能量与暗物质,剩下的就是可见物质了。可见物质在宇宙能量密度中所占的比例虽小,却是我们所熟知的物质世界的主体。光学观测宇宙中近千亿的星系,每个星系中近千亿的恒星,以及某个不起眼的恒星附近第三颗行星上数十亿的灵长类生物,全都包含在了这小小的4%之中。

我们要讨论的就是4%的可见物质。因为这与“暗”字打头的那些96%的能量密度相比,对可见物质的研究与了解都要深入得多。今天几乎每一位中学生都知道,这部分物质是由质子、中子和电子等粒子组成的。显然,要讨论质量的起源,归根到底还是要讨论这些粒子的质量起源。

质量的起源问题始终是科学界一个未解的谜题。在所有解释质量起源的机制之中,希格斯机制是最简单、最被认可的一种。

希格斯机制是苏格兰物理学家彼得·希格斯和其他理论物理学家同时发现的一种物理机制。在规范场理论中,规范粒子的质量是为对称性所不允许的。随着对对称性破缺的深入研究,特别是南部-戈德斯通定理的发现,物理学家们发现在规范理论中零质量的南部-戈德斯通粒子能为零质量的矢量规范粒子提供纵向分量,从而赋予它们质量。

50年来,粒子物理的研究导致了所谓标准模型的出现,其主要内容是物质粒子和作用在它们身上的力。物质粒子是夸克(质子、中子和其他复合粒子由其组成)和轻子(包括电子在内)。它们能感受电磁力、强力、弱力,所有这些力似乎通过“信使”粒子(称之规范玻色子)而作用。夸克和轻子感受引力,但其影响与别的力相比十分微弱,迄今在一种所有力的理论中有所描述。

近来,欧洲核子研究中心(CERN)的大型电子-正电子对碰机的实验结果表明,轻子不多于6种,暗示出夸克也是6种。这些夸克和轻子在质量上有很大差异。中性轻子(中微子)极轻,也可能无质量;带电轻子的质量,从电子到τ 子(比电子重3 600倍)有很大变化,类似地,各种夸克的质量也相差很大,从几分之一质子质量到180倍质子的质量。

质量范围的宽阔并不限于“物质”粒子,“信使”粒子(规范玻色子)也存在着类似的差别。最熟悉的规范粒子是光子,是一种媒介电磁力的电中性无质量粒子。正如实验所证明的,电磁力与弱力密切相关,它是某些核(包括多种放射性的形式)过程的基石。而弱力的载体(带电W+、W-粒子和中性Z0粒子)不像光子那样无质量,其质量近于质子的100倍。

我们可想象,重粒子仅比轻粒子更大、更密实而已。但这种看法并不接近于对基本问题的解答。为何这些粒子表现出如此宽的质量范围?究竟是什么东西给它们以质量。

目前,标准模型不能预言夸克和轻子的质量,但它具有赋予粒子质量的机制,即我们所说的希格斯机制。该机制取名于它的提出者,由爱丁堡大学的P·希格斯于20世纪60年代早期提出,并为杨—米尔斯理论引入了质量,最初将场(类似电磁场)的形式用来描述强力。这些理论表明,它们跟人们熟知的十分成功的电磁理论具有同类的“对称性”。希格斯机制的重要性在于它允许粒子跟杨—米尔斯场耦合而产生质量,这一特征在希格斯机制不存在时,就破坏了理论的对称性。

希格斯机制是如何给粒子以质量的呢?其基本思想是空间充满了某种物理场,即使是完全真空的空间也如此。这种场类似于电磁场或引力场,但又不完全一样。电磁场和引力场皆有方向性。人们由于指向地球的引力而被地球所束缚,而希格斯场是无方向的,只是在空间各点上有个强度。用术语来说,希格斯场是一个标量场,与力场相对照,后者是一个矢量场。这进而暗示与希格斯场相联系的载体粒子,其内禀角动量为零,而与力场载体相对应,其自旋为1。

希格斯场还具有另一个不平常的性质:其能量处于最低态时,并非场值为零,而是处在某一其他值。这很像一块磁铁的亚原子行为。在低能态,低于居里温度之下时,磁性物质内部的原子磁石皆排列有序。此时磁场具有某特定值,而在居里温度之上当系统的能量很大时,原子磁石的排列变得混乱,磁场的净值等于零。可以把希格斯场的势能想象为一个处在酒瓶底上的一粒滚珠的势能,当滚珠处在瓶底凸出部位的顶端,它对应为希格斯场的零值。此时滚珠的位置对瓶底来说是对称的,因它可从各方向滚下去,但其势能并非处在可能的最低态。只有在滚珠落到瓶底时,其势能才最小,这对应为具有某个非零值的希格斯场,而其对称性明显地已破缺。

若现在写出一个描述对称场的无质量载体粒子能量的方程式,你将发现,如果引入一个具有上述特性的额外的场,那么在方程中将出现新的项,这些新项是与两个场的相互作用有关的,而其他项则具有大质量粒子的特征。换言之,引入一个新的场,将把无质量载体粒子的原有方程,转变成为一个有质量载体粒子的方程,包括跟新场(希格斯场)有联系的粒子,这个粒子被称为希格斯玻色子,它能跟任何东西相互作用。若大自然确实如此,那么它为揭开谜底提供了一把钥匙。