標準模型與大統一理論：宇宙萬物的質量來自哪里？

【標準模型與大統一理論：中篇】

如果我問你，你身體的質量來自哪里？

你可能有點懵，你下意識可能會回答到，我自身就有質量。

那你自身固有的質量又來自哪里？

當然，這就要從微觀層面入手，人體的質量來自于構成人體的所有原子的質量之和。

原子由核外電子和原子核構成。而原子核又由質子和中子構成，質子和中子的質量差不多是一樣的，但卻是電子質量的1836倍。所以原子質量的99.9%都來自原子核。

而原子核中的質子和中子又由夸克構成，而大部分人會認為質子或中子的質量來自內部夸克質量之和，其實這種看法是錯的。

以質子舉例，質子含有兩個上夸克和一個下夸克，而這三個夸克加一起能量只有9.4Mev，而質子總能量為938Mev,

所以夸克質量之和只占據質子質量的1%，其他99%的質量則來自于膠子產生強力的結合能。至于這種結合能產生的額外質量到底是怎么來的，文章接下來會講。

而對于夸克自身，它的質量則來自希格斯機制！

在我往期的視頻中，我經常說基本粒子本質上就是波，這條波可以延伸到宇宙各個角落，波上有個波包，波包在哪，我們就說粒子在哪。但是波包的概念也是比較傳統的說法。

按照量子場論的說法，波的概念被量子場取代。每一種基本粒子本質上都是自己的量子場，比如，光子場（電磁場），電子場，夸克場

粒子只是自身量子場的激發，電子場激發電子，光子場激發的光子，夸克場激發的夸克。

標準模型中所有的基本粒子都是自己對應的量子場，這種場彌漫整個宇宙，一般情況下，這些量子場處于基態，也就是能量最低狀態，由于能量的缺少，并不會激發出有質量的粒子。

但要注意，處于基態的量子場中會不斷產生正反虛粒子對，這些粒子對的能量是從真空中借的，很快就會湮滅，并將能量還給真空。這就是量子漲落，雖然每種量子場中不斷產生虛粒子對，但很快就會湮滅，最后量子場的真空期望能還是為0。

所以不要被量子場中的量子漲落迷惑了，量子漲落這種白嫖的能量并沒有什么卵用。

量子場要想在不白嫖的情況下，就能激發出粒子，就得獲取能量。

這種能量必須從非真空的外界攝入，也就是和其他量子場相互作用。

而大部分粒子會和希格斯場相互作用，也就是由希格斯場提供能量，比如夸克場與希格斯場作用后，會吸收能量，從而激發出夸克，但是要注意，這種吸收能量的數值是間隔的，并不是連續的，也就是說夸克場和希格斯場作用的時候，吸收的能量只能是激發整數個夸克所需的能量，假設一個夸克的能量為A，那夸克場吸收的能量只能是1A,2A,3A, 不可能存在0.5A,1.68A這種能量值。

因為量子場激發的粒子都是基本粒子，每一種基本粒子的能量都是一種基本單位，如果存在非整數的能量值，那么這種所謂的“基本粒子”就是一定還存在內部結構。

正是由于夸克場和希格斯場作用，所以才獲得了能量，而能量又等價于質量，所以夸克就擁有了質量。但是并不是所有基本粒子都會和希格斯場作用。比如光子場，膠子場就沒有和希格斯場相互作用，所以它們的沒有固有質量。

而關于希格斯機制為什么會賦予基本粒子質量，則暗示著大統一理論的線索。

剛才已經講過了，粒子只是各自量子場的激發，雖然量子場會產生量子漲落好像創造了能量，但是這是無效能量。

如果測量某個量子場所有可能出現的能量值，最后得出的真空期望值就為0，所以每一種量子場的期望值起初都為0，你可以直白理解成量子場起初的能量都為0，期望值為0就意味著，量子場要激發出有靜止質量的粒子，就需要和其他量子場作用獲取能量。

而如果所有量子場的期望值都為0，那量子場就無法從任何其他量子場中獲取能量。

就好像這61種基本粒子都是窮鬼，如果要想借錢花（激發有質量粒子），必須傍一個大款才行。這時候希格斯場就發揮這個大款的作用。

那為什么希格斯場就可以擁有能量？它的能量哪來的？

希格斯場自帶能量就要求希格斯場的期望不能為0。而量子場的真空期望值是否為0則取決于對稱性是否破缺。

在微觀世界，對稱性是很抽象的概念，而這東西本質上也無法用二維圖像呈現出來。比如強力的su3對稱性涉及8個維度，這根本就無法科普。

一般情況下，科普視頻中的對稱性都是找一些對稱性圖案比喻。

但要注意，這種科普絕對不是真實情況，比如生活中三原色合成白色也是一種對稱性。對稱性嚴格來說，就是物理屬性遵守一種還原和合成的一致性。

這種抽象概念無法具象呈現，所以視頻中的圖案比喻也是妥協后的無奈之舉。

所以接下來講到的對稱性，自己大概想想就是那么回事就行了，絕對不是動畫演繹的那樣，千萬不要對號入座。

對于基本粒子內在的對稱性而言，可以想象幾乎所有基本粒子都處于圖形中間，這是符合對稱性的。

而只有希格斯粒子會掉落到一旁，這就導致希格斯場的對稱性自發遭到破壞，類似于結構決定性質。對稱性的結構一旦遭到破壞，那么在性質上就導致希格斯場的期望值不為0，這就導致希格斯場擁有能量。所以其他量子場再和希格斯場作用的時候就會獲得能量，能量又等價于質量，從而激發出有質量的粒子。

而光子場由于沒和希格斯場作用，所以光子沒有獲得質量，那么光子場(電磁場)就不需要借助外部能量，就可以肆無忌憚的激發出光子，所以光子的激發成本為0。

講到這里，就剛好科普一下超導現象。

我們知道電子在線路運動會產生能量損耗。

這種損耗主要有兩種

第一種就是電阻，這個可以通過極低溫解決。

而另一種能量損耗就是電磁場會激發出光子，輻射部分能量。

對于第二種能量損耗來說，假設存在一種可以讓光子被類似希格斯場的機制賦予質量，那電磁場就不會肆無忌憚激發光子了，因為光子一旦擁有了靜質量，激發的門檻就存在了，在某些情況下，電磁場就不會向外輻射能量了。

而賦予光子質量的場就是庫珀玻色場，這也就是BCS超導理論研究的范疇了！

【未完待續：明天更新第三篇！】