打破"浓汤"谎言：重新认识希格斯场与物质质量（二）

接着谈谈阅读介绍希格斯玻色子的科普书《不可思议的海洋》的一些体会。

上次说到，科学家为了吸引大众对科学的兴趣，有时候也会使用一些噱头，比如将希格斯玻色子称为"上帝粒子"。其实这个名称有些夸张了。现在希格斯玻色子只能在大型强子对撞机（LHC）中产生，而且寿命极短，一眨眼就衰变成了其他的粒子。所以在日常生活中，我们几乎完全看不到它，更不用说发挥什么作用了。

同时，物理学家为了让普通人也能理解他们的工作，在希格斯玻色子的发现获得诺贝尔奖之后，科学家们也发明了很多善意的"谎言"来向公众解释这一发现。希格斯玻色子之所以会被夸张成"上帝粒子"，是因为有一种说法：产生它的希格斯场让组成普通物质的基本粒子（比如电子和夸克）获得了质量。这和宗教当中上帝是造物主的概念有些许相似。

但是，实际上后面会谈到这个问题的，我们身体组成的质量中的绝大部分其实和希格斯场并没有什么关系。为了解释希格斯场是如何赋予基本粒子以质量的，并且能够让普通人理解，科学家们编排了这样的一个"谎言"：

首先，一个前提是宇宙中存在没有质量的粒子，比如我们非常熟悉的光子。它的运动速度就是爱因斯坦发现的宇宙速度的上限——光速。而像电子这样构成普通物质的粒子，因为具有质量，所以无法被加速到光速。科学家们就这样向普通人科普：希格斯场就像一种特殊的、充满整个宇宙的"浓汤"。它不会阻碍光子以光速运动，但会和电子、夸克相互作用。对电子和夸克来说，在希格斯场中穿行就像在粘稠的浓汤中滑行一样，速度被减慢了。因为有质量的物体是无法被加速到光速的，因此，就是这种像浓汤一样的希格斯场环境赋予了电子等基本粒子质量。

这个"谎言"的优点是它非常容易理解，只要短短几句话就可以给一个完全不懂的外行解释清楚。但问题是它仅仅只是说了实际情况的很小一部分，而且还破坏了物理学中神圣的伽利略相对性原理。比如说，匀速直线运动是物体最自然的状态，如果一个物体不受外力的话，它会保持自己的速度不变。而且也没有绝对静止的事情，所有的静止都只是相对静止而已。如果希格斯场是这样一种充满宇宙的浓汤的话，那它就是一个绝对静止的参照系了。

同时，按照我们生活中的经验，一个物体在这样粘稠的环境中滑行，它的速度最终会减为0，也就是绝对静止状态。但电子的速度虽然无法达到光速，在不受外力影响的情况下，它也会保持自己的速度不变，并不会出现速度下降。

所以书作者的目的就是要提出一个更符合物理学现实的类比。当然要掌握并理解它就不是一两句话能够说清楚的。首先，这个类比不能够破坏伽利略的相对性；其次，我们还要理解质量到底是什么；最后还要去探索基本粒子长什么样，真的正如它的名字所暗示的那样是一些非常微小的小球吗？

伽利略的相对性原理应该在初中和高中物理中都详细地讲授过，刚才我也提到了。现在来看第二个问题：质量到底是什么？这也是造成这个问题非常费解的一个主要原因，就是很多物理学上的概念和我们通常被灌输和认识的概念是不一样的，其中质量也是这样一个。

作者提到，在美国高中的化学课本上，质量的定义是"物质的量"。如果我没记错的话，中国的课本，甚至物理课本上也是使用了这个定义。实际上，质量的真正定义应该从牛顿第二定律出发，也就是F=ma。用通俗的语言来说，物理学上质量的定义就是：改变一个物体运动状态的困难程度。对一个很重的物体，在地球上推动它是需要很大的劲的。当然这里面有很大程度是摩擦力在起作用。在失重的环境下不存在摩擦力，但对于一个这样大的物体，仍然需要更大的力气才能够赋予它一定的速度。更简洁的语言来说，质量是衡量物体惯性大小的量。

物体惯性的来源又是什么呢？这就要提到爱因斯坦那个著名的方程了，也就是E=mc²。把这个方程稍微变换一下，等号两边同时除以光速的平方，我们就得到了：质量就是能量除以光速的平方。而光速是一个常数，这个方程告诉我们物体的质量（也就是惯性的大小）来源于能量。

是什么能量呢？这个能量是指束缚在物体内部的、还没有释放的能量。我们压紧一根弹簧不把它松开，那么弹簧的内部就积蓄了势能。这时根据爱因斯坦的质能方程，弹簧的质量其实是增加了的，当然这个增加的数量几乎小到我们难以测量得到。

组成我们身体的原子所包含的原子核是由质子和中子组成的。质子和中子又是由夸克组合而成，夸克是靠着胶子连接在一起的。它们就像很多个小弹簧拉在一起，在这些"小弹簧"当中就蕴藏了巨大的能量。这些能量构成了我们人体绝大部分质量的来源。