接下来让我们探讨一下《不可思议的海洋中的波浪》这本科普书的内容。昨天我们讲到现代量子力学被称为量子场论。在这个理论中,每一个基本粒子都对应着一种充满整个空间的场,而这些粒子则被视为这些场的波动。
我们比较熟悉的是水面上的波,它是一种二维平面上的波。而量子场是三维的,它更像是声波。我们知道波也分为不同种类,常见的有两类:一类是行波,一类是驻波。行波的例子就是一头没有束缚的绳索,松软地放在地上,抖动另一头时就会有波动从抖动的一端跑向另一端。而驻波则出现在两端固定的弦上,如乐器的琴弦,它可以形成静止的波形。
这两种波对应了两种基本粒子。行波对应的是像光子这样永远以光速行进的玻色子。因为行波总在运动,所以就出现了爱因斯坦狭义相对论中所描述的现象:无论从哪个参照系观察,光速都是一样的。我们也无法追上它,所以也无法测量光子的静止质量,这也是为什么人们说光子的静止质量为零的原因。
而驻波则可以相对于某些参照系静止。这些能够产生驻波的场所形成的粒子就是费米子。人们可以测量出这些粒子的静止质量。之前我们也说过,根据爱因斯坦的质能方程,质量就是能量,同样是由爱因斯坦发现的光量子假说中能量就是振动频率,所以电子的静止质量就是电子场产生驻波时的频率。
接下来就只剩下最后一步了,我们就能理解希格斯场是如何让电子、夸克等费米子获得静止质量的。也就是为何这些场可以产生驻波,而光子场不行。其实从琴弦和松软绳子的类比中就可以看出端倪了。松软的绳子之所以不能产生驻波,只能产生行波,就是因为它没有足够的硬度,而琴弦能够产生驻波,就是因为它具有足够的硬度。
所以希格斯场实际上是一种硬化剂,让电子场、夸克场等基本粒子的场变得更硬了,于是可以产生驻波。每种场的硬化程度和这种场与希格斯场间相互作用的强度有关系。电子场与希格斯场的相互作用比较弱,所以电子场的硬化程度比较低,产生驻波的频率也比较低,所以电子的质量就比较小。而夸克场与希格斯场的相互作用要大得多,所以夸克的静止质量也远远大于电子。
希格斯场就是通过使其他的场变硬的方式,让这些场中的粒子获得静止质量,而不是像浓汤一样阻碍它们的运动。这样一来,这个直觉就比浓汤的说法更加符合理论本身,也更加准确。不过科学就是这样,当你知道的越来越多的时候,反而会产生越来越多的问题和疑问。所以量子场论的发现并没有解答人们所有的疑问,反而带来了更多的问题,特别是关于我们宇宙的本源。
虽然说希格斯玻色子在现实中几乎看不到,也无法检测得到,但希格斯场确实对我们这个宇宙的形成起到了非常关键的作用。其中一个就是希格斯场的强度刚刚好,只比零大一点点,这就使得它对电子场和夸克场的硬化作用也是刚刚好。假想一下,如果希格斯场的强度比现在的更小甚至为零,那么电子的质量就会比现在小得多,甚至像光子一样没有静止质量以光速运行,那这样的电子就更难被原子束缚住,原子也就不能长时间地稳定存在。如果原子不能稳定存在的话,哪有足够的时间进化出我们人类呢？
如果希格斯场不是现在这么非零但是很微小的值,而是一个很大的值的话,那么所有的基本粒子都会变得很重,甚至这些基本粒子本身就能够变成一个微小的黑洞了,那样同样也就不存在原子、行星和我们人类了。这就给我们出了一个谜团,是谁把希格斯场的强度调在这么一个恰好合适的位置上呢？
问题还不仅于此,还有更让人细思极恐的地方。虽然现在的希格斯场强度非常完美,可以产生稳定存在的原子,原子可以组成恒星、行星,还有我们人类本身。但是俗话说事无常,希格斯场的强度会一直保持在现在这种恰到好处的度上吗？如果有一天希格斯场的强度突然变得很小,或者变成零,就在一瞬间,我们所有人类和身边的万事万物就会在一瞬间消散。组成我们的原子就会分崩离析,变成离子体。或者这个场突然又变得很强,我们自身及地球都会变得非常沉重而动弹不得,甚至我们自身都可能被收缩成一个一个的黑洞。