希格斯理论创始人英国科学家希格斯，在预测希格斯粒子49年后，于2013获得年诺贝尔物理学奖
希格斯粒子是一种基本粒子，全名希格斯玻色子，绰号上帝粒子。希格斯粒子质量为125GeV（千兆电子伏），自旋为零且不带电荷，极不稳定容易衰变，只能存在10^−22秒（符号^表示多少次方）会立刻衰变成其它粒子。2013年3月，欧洲核子研究组织公开确认，探测到新粒子，即希格斯粒子。希格斯机制简单的说就是宇宙万物的质量都起源于希格斯场，“场”可以简单的理解为整个宇宙时空上的数学函数（或者称之为作用原理）。本文尽量用最通俗的语言解释希格斯场的前世今生，重要一些的通俗部分文字已涂黑。
墨西哥帽子外形是温度能量，圆球是希格斯场
为了形象的阐述上述理论，科学家常使用这个实例，上图是墨西哥草帽，草帽代表希格斯势能，圆球代表希格斯场。但是这样也不好让大家理解，我决定改变一下设置。设定墨西哥草帽的中心垂直轴线为对称线；草帽代表希格斯场能量的高低，就是表示了下面宇宙诞生的温度；草帽底部的凹槽代表基本粒子；圆球表示希格斯场；而圆球与草帽底部凹槽之间贴合的紧密程度表示耦合强度，耦合强度后面会介绍。
希格斯粒子的起源，涉及到宇宙的诞生过程，按照宇宙学理论：
1- 宇宙最初的状态就是一个奇点，奇点质量无穷大，体积无穷小，此时整个宇宙还不存在，没有时间，也没有空间。奇点是什么构成的我也不知道，有科学家认为是奇子或别的什么，叫什么并重要，重要的是原理。
2- 直到奇点发生大爆炸才开始生成宇宙，10^-36到10^-32秒之间，宇宙半径骤然膨胀了至少10^26倍，这就是“暴胀理论”。爆炸之初的全部能量由希格斯场携带，此时希格斯场为“暴胀希格斯场”状态，虽然各类基本粒子已经开始形成，但希格斯场还未激发，尚不能为各类粒子赋予质量。
宇宙大爆炸，最开始的小亮点就是奇点
3- 爆炸最初的温度超过大统一温度10^29K（开尔文K=摄氏度℃+273，而太阳中心的温度“仅仅”为10^7K)，则所有基本粒子都不具有质量。
4- 在大爆炸之后的10^-35秒之内，温度高于10^28K，实际上温度比最初已经开始下降了，强力、弱力、电磁力会统一成一种力称之为核力。
5- 以上过程中因为温度一直很高，图中的圆球（表示希格斯场）因爆炸温度提供能量足够大，一直在草帽（代表能量）的顶部处于高能量状态，并且相对草帽中心轴线具有对称性，希格斯场还不能起作用或称之为激发。能量足够大时，圆球（表示希格斯场）就可以一直保持在顶部因此有对称性。
6- 温度继续下降到10^28K以下时，强力与弱电力分离，此时统一希格斯场呈凝聚态，就像开水中的一锅粥。此时草帽顶部的圆球（表示希格斯场）处于摇摇欲坠的状态，希格斯场仍然不能激发。
7- 宇宙的温度再降到10^15K以下时弱力与电磁力分，随即发生跃迁至最低能量态，即希格斯场相变凝聚，此时希格斯场处于量子真空态：即能量最低的状态，此时场是不可观测的，而可观测的状态，而与之对应的有粒子的状态称之为场的激发态。此时圆球（表示希格斯场）从草帽的顶部滑落下来，来到草帽底部凹槽的位置，其连续对称性因此被自发打破，希格斯场就可以开始起作用了。这种滑落会导致自发对称性破缺：是指某些物理系统，遵守自然规律的某种对称性，但是其系统本身却不具有这种对称性，这是一种自发性过程，显然，如果能量足够大，圆球（希格斯场）就可以一直保持在顶部因此有对称性，但如果希格斯场能量不够，圆球就会很容易滚落到底部从而具有不对称性。
杨振宁的统一场理论，g是耦合常数，g值越大表示耦合强度越大
现在希格斯场就可以开始通过希格斯机制起作用了，下面将叙述希格斯机制，简单的说就是在希格斯场中，W/Z玻色子和费米子与希格斯场发生耦合获得质量，这里有必要先说一说耦合和耦合强度的概念，见上下两个图。
量子色动力学中的色流方程，g为耦合常数
耦合就是两个或多个物理量之间，产生了持续地相互作用，相当于“匹配”的功能。这个相互作用，是物理上可以测量的效应，这个效应的强弱可以用耦合常数来表示。耦合常数是量子物理中，相互作用强度的一种度量。举个例子，荷子的自旋磁矩与电磁场强度的比值，耦合强度即“精细结构常数”来表示，正因为物理单位不同，精细结构常数是一个无量纲的数字。精细结构常数最初表示电子在第一玻尔轨道上，其运动速度和真空中光速的比值，约为1/137，目前量子场论认为是电磁相互作用中电荷之间耦合强度的一种度量。所有耦合都有耦合强度，类似于电荷或色荷，其大小与相互作用粒子的性质有关。耦合强度可以使用耦合常数及多种因素一起来度量，常常用耦合概率来表示，耦合概率越大，耦合强度就越大。实际上强核力的色流方程和统一理论的杨米尔斯方程中，都有耦合常数项，它代表了粒子与作用场“吻合”或“适配”的程度。
耦合强度近似于圆球和草帽凹槽的吻合度
这些描述毕竟比较抽象，还是用草帽来说明，宇宙爆炸并充分冷却后，现在圆球已经滑落到草帽底部凹槽，表示希格斯机制开始激发。圆球（希格斯场）与草帽底部凹槽（基本粒子）如果能“匹配”我们就称之为耦合，如果凹槽是方形的，圆球就不能与之匹配或耦合；如果凹槽也是圆形的，圆球自然就能与之耦合。即使圆球能和凹槽耦合，但是因为它们的直径不同，接触面积自然也不同，二者的“贴合”或“吻合”程度就不同，二者直径越接近时，它们之间的表面接触面积越大，我们就可以说耦合强度越大，反之则耦合强度越小。
根据量子场论,每一种基本粒子是其对应量子场的微小振动，比如光子是电磁场的微小振动，电子是电场的微小振动，夸克是强核力场的微小振动……这种效应被称为量子化激发。希格斯机制认为，粒子就从希格斯场的振动中被量子化激发，通过耦合获得质量。就是说粒子都是各类量子场的振动形式或表象，粒子与希格斯场可以产生耦合作用获得了质量。希格斯机制产生质量的原理大致分类如下：
1- 希格斯粒子自身也会从希格斯场的振动中，通过自耦合而获得质量。自耦合可以不严谨的理解为自己和自己发生作用，打个近似的比方，电网中自耦高压变压器的线圈总有一段是输入和输出端公用的，相当于电压输入和输出端共同都使用这一部分。
2- 传播弱核力的W和Z玻色子，与希格斯场耦合强度高，因此从希格斯场获得了质量。
3- 夸克和电子是通过在希格斯场中的汤川耦合获得的质量，汤川耦合是不同于上述W和Z玻色子的耦合机制的，这里并不想做过多介绍。
光是由光子构成的，光子运动不是直线而是波动
4- 而作为规范玻色子的光子和胶子没有质量，是因为它们与希格斯场不耦合。光子为电磁力的传播子，胶子为强核力的传播子，分别应遵守U(1)和SU(3)规范对称性。以光子为例，如果对电磁场局部变换即在每一个空间点上给电磁势能加上一个任意函数，麦克斯韦方程组依然能够成立，这个局部变换不会改变电磁力和能量。就像上面的墨西哥草帽所描述的对称性那样，如果要保持局部变换下的不变性（设想一下，就是让球停在草帽顶部），就必须要求光子没有质量（因为希格斯场还没有开始起作用）。一旦光子有了质量，麦克斯韦方程组就会被破坏。所以量子理论中必须假设光子没有质量，而且不受到希格斯场的影响。另外一个更重要的原因是：光子是以光速运动的，胶子也是近乎于光速运动的，按照爱因斯坦狭义相对论的观点，任何有质量的物质均不能达到光速，因此光子和胶子被认为没有质量，或者在现有理论下它们被假定为没有质量。
5- 中微子也是自然界的基本粒子，质量约为电子的百万分之一，除了参与弱核力，其余作用常都对它无效，包括希格斯场。因为中微子不属于原子内部的粒子，其质量的产生机制目前依然是个谜团。
处在希格斯场中的粒子，如果能与场发生耦合，就会不断的发生相互作用，就像在水中运动的物体，会受到水分子的阻力一样，并且物体质量越大，运动受到的水阻力就越大，此时水阻力带来的就像物体的惯性质量一样，是阻碍物体运动状态的度量。进而言之，宇宙中的遍布的希格斯场就像是“粘稠的浓汤”，把质量以概率（即耦合强度）的形式，赋予其中的规范玻色子（W和Z玻色子）和费米子（夸克与轻子），然后这些粒子复合进一步组成复合粒子等一切物质。结论，质量最根本的来源，是希格斯场通过希格斯机制产生的，并且这个概率越大，耦合强度越大，质量就越大，概率越小则反之。
请再看一次草帽图，我们依然设定墨西哥草帽的中心垂直轴线为对称线；草帽代表希格斯场的能量，表示宇宙的温度；圆球表示希格斯场，圆球是石膏制作的容易掉粉。
草帽的凹槽是粒子，石膏圆球滚动中落在凹槽中的粉末是粒子的质量
总结，粒子产生质量的过程按照顺序排列，大致如下：
1- 宇宙大爆炸之初，圆球（希格斯场）一直处在草帽（能量）的顶部，代表了场高能量状态，但是具有对称性，此时圆球（希格斯场）静止不动就是不起作用，那么宇宙中全部粒子没有质量。
2- 宇宙温度降低，圆球（希格斯场）还处在草帽（能量）的顶部，圆球虽有轻微晃动勉强能保持平衡不掉下来，表示圆球（希格斯场）处于激发始态，但全部粒子仍然没有质量。
3- 宇宙冷却到临界温度时，对称性打破即圆球失去平衡，圆球从顶部滑落到草帽底部凹槽，能量降低，物理系统对称性打破，圆球（希格斯场）开始激发。
4- 圆球在草帽底部凹槽开始滚动，代表着圆球（希格斯场）激发过程，就是给基本粒子赋予质量的意思。注意，这是激发过程不是结果，此时基本粒子还没有获得质量。
5- 我们把凹槽想象为夸克、电子等基本粒子，石膏制作的圆球滚动过程中，会在草帽底部凹槽（粒子）中留下的石膏粉末（粉末在这里代表了粒子的质量，注意不是粒子哈）。如果耦合强度大（耦合强度详见前面的举例解释），圆球与凹槽接触面积大，那么在凹槽内留下的白色粉末就多，表示粒子从圆球（希格斯场）中获得的质量大；如果耦合强度小则完全相反。
6- 紧接上面第5条，如果草帽底部凹槽圆周方向有个洞使圆球在滚动中漏了出去，或者凹槽中间有其它杂物堵塞了通道，我们就可以说完全不耦合或说耦合强度极低甚至为零，凹槽上几乎没有白色粉末的痕迹即说明粒子没有从圆球中获得质量。“可怜”的光子和胶子就是因为草帽有问题，不与希格斯场耦合而没有获得质量，当然这也是“幸运”的，不然就少了光速这个我们最爱讨论的物理概念了。
7- 总结上面5、6两条产生质量的过程，凹槽（粒子）在圆球（希格斯场）滚动前是没有石膏粉末（质量）的，必须在圆球滚动后才会留下一圈圈的粉末，代表着通过希格斯场作用后粒子才能获得质量。
8- 回看上述圆球还在草帽顶部的状态，试想如果圆球一直处于帽顶的对称状态保持高能量，那么基本粒子就无法获得质量（因为圆球还在帽子顶部，凹槽中一定不会有白色粉末留下），圆球只有滑落到帽底希格斯场激发后才能让基本粒子获得质量，所以必须打破对称性，这就是自发对称性破缺在希格斯场机制下的作用机理。
从相对论和到量子物理，哪儿都有他，这就是我们喜欢他的原因
希格斯场并不能赋予粒子全部的质量，除了前面说的中微子外，还有夸克的质量来源。研究表明质子、中子这类复合粒子的质量只有约2%是归因于希格斯机制，剩余约98%则是夸克的动能与胶子的能量。运动的能量等价于质量,能量代表着运动；反过来能量等价于质量，运动可以产生动质量，这就是希格斯场符合相对论效应的具体体现。还有就是光子虽然没有静止质量，但目前有理论认为光子存在动质量，而且100%都是动质量，目前中国科学家光认为子的静止质量不会超过10的负54次方千克。从质能方程中E=mc^2能看出，是静止的光子达到了光速后拥有能量，能量又转化为其质量。
希格斯场与暗物质和暗能量的关系
让我们再次把目光投向宇宙，希格斯场不仅为原子核内的多数粒子提供了质量，还可能为暗物质提供了质量。我们猜测，宇宙大爆炸后除了粒子和能量构成了我们熟悉的一切物质，其余大爆炸残余物质和能量构成了暗物质和暗能量，它们也是在希格斯场的作用下从暗能量那里“借”来质量，然后随暗物质一起湮灭，又成为暗能量，相当于把能量又“还”给了暗能量，这样周而复始的物质诞生和湮灭就是量子涨落。这种“借”和“还”的关系不仅是能量平衡的方式，也是宇宙的对称性的一种表现。这让我想起上小学时和同学互相借钱买冰糕时大家爱说的一句话：有借有还，再借不难。
简单的总结，希格斯场为宇宙中的粒子带来了质量，这种质量是希格斯场从大爆炸中产生的能量转化来的，而大爆炸残余的能量继续在希格斯场作用下在宇宙的“真空”中产生暗物质。
质量的起源是很复杂的，希格斯理论试图解释从最宏观到最微观的一切质量起源，虽然实验已经部分证明了其理论的正确性，似乎还是不够完美的，因为它并不能解释一切，包括上面说的中微子的质量来源，以及光子和胶子可能有动质量的问题，至少部分理论可能有重整化的必要。不过这也是科学研究的必经之路，对未知领域先大胆猜想，再小心求证。宇宙是有限的，人类的思维是无限的。
旅游时拍的，苏州虎丘剑池
