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如果空间中存在某种场，场与在其中运动的粒子相互作用，这种作用的结果便有可能改变运动粒子的能量，从而赋予粒子以相应的“质量”，这是希格斯机制能够赋予粒子质量的基本原理。
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场的真空态是能量最低的状态。但是一般来说，能量最低的状态对应于场强为零。如果场的势能曲线比较特别，比如经常使用的所谓“墨西哥帽子”的形状（图5-4-3（c））。这时，能量最低的状态是无限简并的，即如图5-4-3（c）所示的墨西哥帽向下凹的一圈。这一圈的能量最低，但场强却不为零。希格斯场的真空态，便可以由这种势能曲线描述的系统，产生“自发对称破缺”而得到，就像图中所画的小球无法停在中间能量较高的不稳定位置，最后朝一边滚下到谷底某一点的情形。因此，真空中存在着场强非零的、稳定的希格斯场。这种场无处不在，质量为零的各种基本粒子身陷其中，与希格斯场相互作用，并且获得它应该具有的质量。
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从现代场论的观点，场的激发态便表现为粒子。希格斯场的真空态有4种激发模式（图5-4-3（c）的左上图），其中沿着势能曲线对称轴绕圈的相位变化模式有3种，对应于3种质量为零的Goldstone粒子，这些粒子在与其他粒子反应时消失不见，叫做被“吃”掉了，只有一种沿着势能曲线“径向”振动的激发模式对应于有质量的场粒子，也就是被大家称为“上帝粒子”的希格斯粒子。
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综上所述，希格斯粒子解决了质量的问题，物理学家们得以在杨—米尔斯规范场的基础上建立理论，将除了引力之外的其他3种力，统一在同一个标准模型中。标准模型包括了61种基本粒子，而希格斯粒子是这些粒子中最后1个被“发现”的。因此，如果能够确定CERN的LHC探测到的的确是希格斯粒子的话，毫无疑问这是验证标准模型的一个重要里程碑。
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 [:1700970785]
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爱因斯坦与万物之理：统一路上人和事 5．弱电同道
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李杨发现的宇称不守恒并不是孤立的。微观世界中的基本粒子有3个离散的对称方式：反映空间反射的宇称（P）是其中之一；另一个是粒子和反粒子互相对称，被称为电荷共轭（C）；还有一个是被称为时间反演的（T）对称。继这三位华人科学家打破了弱相互作用中的宇称对称性P之后，粒子物理学家们很快又发现，电荷共轭（C）及时间反演（T）也不是完全独立的对称守恒量，而只有当C、P、T这三者联合在一起变换，才能保持物理定律的不变，因而称为CPT守恒定理。
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也就是说，不仅仅要将左换成右，还得用反粒子代替粒子、颠倒时间的流向，三种变换一起进行才能保证物理过程仍旧遵循同样的物理定律。
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1896年，法国物理学家贝克勒发现了铀的放射性，这是物理学史上一次重大的发现。从100多年之后现代物理学的观点来看，仍然可以如此评价，因为它把强作用、弱作用、电磁作用同时展现在人类面前。铀的放射性有3种：α、β、γ。其中α射线是带正电的氦核，涉及核内的强相互作用；β射线是带负电的电子，衰变过程与弱相互作用有关；γ射线是不带电的光子，属于一种高频电磁波。
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不过当时，物理学家尚不了解强作用和弱作用，直到20世纪30年代，美国物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901—1954年）对弱相互作用研究作出了重要贡献。
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费米出生于意大利，是物理学界难得的理论和实验全才。他设计建造了第一座链式裂变核反应堆，被誉为“原子弹之父”；他因为对人工放射性衰变的研究以及对核物理理论的杰出贡献而荣获1938年诺贝尔物理学奖。
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费米还是一个杰出的导师，他培育和受其影响的学生中有7位得了诺贝尔物理学奖，包括我们熟知的杨振宁和李政道在内。
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4种基本作用中，引力的强度最弱，只有强相互作用的10-39；弱相互作用的强度大约为强相互作用的10-13；电磁作用是强作用的1/137。弱力不仅仅强度弱，并且作用范围很短，是基本作用中力程最短的，在10-17m之后便完全消失了。因此，我们在日常生活中感觉不到弱相互作用。但实际上，弱作用不断地在我们的周围发生，与我们的生活密切相关。比如刚才所举放射性的例子，恐怕大多数人都听说过它对人体的种种危害，也听过它在医学研究及疾病治疗方面的许多应用。放射性中的β衰变，就是原子核中的中子因为弱相互作用发射电子和中微子而转变成质子的过程，见图5-5-1（a）。此外，在太阳的热核反应中，由氢产生重氢和氦时，其中也包含了质子转变成中子、放射出正电子和中微子的过程。这也是一种弱相互作用，如图5-5-1（b）所示。
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图5-5-1 弱力通过中间玻色子W-、W＋、Z0起作用
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因为弱力的作用范围非常短，所以费米对弱力的最早描述，使用的是基于4个费米子直接接触而相互作用的一种唯象理论。费米理论在低能极限与实验结果符合得很好，但用于高能情况时不太成功。费米理论预言宇称守恒，显然与实验事实不符。此外，接触作用的模式有其局限性，从现代物理量子场论的观点，无论作用距离多近，都应该用它们之间的场来描述。特别是杨振宁提出杨—米尔斯规范场理论，李、杨、吴等证明了弱作用的宇称不守恒和CP不守恒之后，物理学家们考虑建立一个基于量子场论的弱相互作用理论。总结起来，弱相互作用是两个费米子之间互相作用而产生另外两个费米子的过程。或者如图5-5-1所示，可以将这个过程分成两步：首先，两个费米子通过交换中间玻色子（W＋、W-、Z0）相互作用和转变；然后，不稳定的中间玻色子衰变成另外两个费米子。因此，弱相互作用涉及的中间玻色子有3种，其中的W＋带一个单位正电，W-带负电，Z0不带电。根据中间玻色子带电与否，弱相互作用表现为两种形式：载荷流弱作用（β衰变、核聚变）和中性流弱作用（通过交换Z0而发生）。
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在物理学大统一的路上，量子电动力学可算是一个颇为成功的理论，它的理论形式美妙，能与实验结果精确符合。物理学家们希望能仿照它的理论形式，解决其他相互作用的问题[41]。
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美国科学家格拉肖（Sheldom Lee Glashow，1932— ）最早提出用规范场的方法，将电磁作用与弱作用统一到一个数学框架中[42]。
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弱力与电磁力虽然有某些共同点，比如说，电磁作用通过交换光子γ发生，而在弱相互作用中，费米子互相交换中间玻色子。但两者是完全不同的相互作用形式，并且弱作用的强度与电磁作用强度相差好几个数量级，如何能够将它们统一起来呢？
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然而，物理学家们注意到，两种相互作用的相对强度是随着作用距离的变化而变化的。当粒子之间的距离小于10-17m（在图5-5-2中，表现为能量增加到1012GeV(1)）之后，弱力将随着距离的减小而迅速增大，最后将达到可以与同样距离的电磁力相比较的程度。
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图5-5-2 电弱在高能（短距离）时统一成一种力
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因此，在距离很短时，刚才所说的弱力与电磁力之间强度的差别就不成为问题了。在那种情形下，将弱相互作用与电磁作用统一起来，应该是完全可能的。
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