在这篇文章中，改编自斯特拉斯的新书《不可能之海中的波》，物理学家马特·斯特拉斯勒解释了宇宙中质量的起源与音乐有很大关系。

2012年在大型强子对撞机（LHC）上发现希格斯玻色子证实了我们粒子物理学家长期以来的猜测：宇宙中存在一种场，它产生了基本粒子的质量。不幸的是，物理学家发现很难向其他人解释这个所谓的希格斯场是如何完成这一伟大任务的。

常见的一种方法是讲述一个夸张的故事。这里有一个版本：

宇宙中存在一种物质，就像汤一样，这就是希格斯场。粒子穿过它时，汤会让它们减速，这就是粒子获得质量的方式。

其他版本将希格斯场描述为类似糖浆、丛林、人群或一片雪地。

然而，所有这样的故事都与我们在大学一年级课程的最初几周所教授的物理学相冲突。通过暗示希格斯场通过产生阻力来创造质量，它们违反了牛顿的运动第一定律和第二定律。其他的灾难性后果包括，这种阻力早已导致地球螺旋进入太阳。此外，如果希格斯场真的是物质，它将提供一个参照点，我们可以借此测量我们的绝对运动，这违反了伽利略和爱因斯坦的相对性原理。

事实上，希格斯场与运动或减速无关。相反，它的故事全部与振动有关。

量子场论，现代粒子物理学的强大框架，告诉我们宇宙充满了场。其中包括电磁场、引力场和希格斯场本身。对于每个场，都有一个相应的粒子类型，最好理解为那个场中的一个小涟漪。电磁场的涟漪是光波，最轻微的涟漪就是我们称之为光子的光粒子。同样，电子是电子场中的涟漪，而希格斯玻色子是希格斯场中的最小涟漪。

一个静止的电子，就像吉他弦的振动一样，是一个以特定频率振动的驻波，这个频率被称为其共振频率。这种共振振动是常见且熟悉的。因为拨动的吉他弦始终在其共振频率上鸣响，它总是发出相同的音调。同样，摆动的钟摆的固定频率使其成为有效的时钟。基于同样的原则，每个静止的电子都以电子场的共振频率振动。

宇宙中的大多数场都具有共振频率。在某种意义上，宇宙大致类似于一件乐器；两者都有它们最易于振动的特征频率。

对我个人而言，共振是现实基础的事实，是我愉悦和惊奇的源泉。作为一个终身业余音乐家和作曲家，我早已理解了钢琴、单簧管和吉他的内部运作原理。但当我还是研究生时，得知宇宙的结构，甚至我自己身体内的结构，都运行在类似的原则之上，我感到非常惊讶。

然而，如果没有希格斯场，我们宇宙的这种隐秘的音乐性是不可能的。

在量子场理论中，量子物理和爱因斯坦的相对论的结合导致了共振频率与基本粒子质量之间的一个关键关系：一个静止粒子振动得越快，其质量就越大。缺乏共振频率的场对应于没有质量的粒子；这样的粒子，包括电磁场的光子，永远无法静止。

虽然关于希格斯场的夸张故事表明，质量是由类似糖浆的物质减慢基本粒子而产生的，但事实是，更强的希格斯场使基本粒子以更高的频率振动，从而增加了它们的质量。因此，人们可以将希格斯场视为一种宇宙硬化剂，其作用是提高其他场的共振频率。

一个场如何能够改变另一个场的频率呢？一个简单的摆锤就给了我们一个简单的例子。

想象一下，将一个球放在一根绳子的末端，放到太空中，那里的重力场基本上为零。球将无目的地漂浮。如果你给它一点推力，它的位置可能会慢慢漂移，但它不会振动。

然而，如果你把这个临时的摆锤放在一个非零重力场中，一切都变了。球会垂直悬挂，如果受到干扰，它会摆动。

当球静止时，它被称为处于平衡状态——稳定、平衡且没有移动的理由。如果球向右移动，重力会使它向左摆动，反之亦然。球的位置倾向于回到平衡点，这种被称为恢复效应的特性，是使它摆动的原因。

在这里，重力场充当了硬化剂：它加固了摆锤，从而使它具有非零的共振频率。重力场越强，恢复效应越强，摆锤的共振频率就越高。

类似地，希格斯场对其他基本场产生了恢复效应，改变了它们的振动方式。尽管任何场都可以有像穿过池塘的波纹一样的行波，但恢复效应允许场具有静止的波纹，即类似于吉他弦上的驻波。正如我之前提到的，这些驻波正是静止的基本粒子，在它们各自的场中波动。

这一概念是已故英国物理学家彼得·希格斯（希格斯场的命名者）及其竞争者在20世纪60年代指出的核心：一个场可以使其他场硬化，从而允许它们的涟漪以共振频率就地振动，从而赋予它们的粒子质量。在大型强子对撞机上对希格斯玻色子的实验研究证实了这一点。通过使用粒子物理学标准模型的数学——描述所有已知基本粒子以及宇宙场之间相互作用的量子场理论——科学家们对希格斯玻色子的行为做出了与实验精确匹配的预测。毫无疑问：希格斯场对许多其他场产生了恢复效应。

因此，随着对希格斯场更深入的理解，让我提出一个不同的故事：

从前，有一个宇宙诞生了。它炽热无比，充满了基本粒子。在它的场中有一个希格斯场，最初是关闭的。但随着宇宙的膨胀和冷却，希格斯场突然打开，发展出非零的强度。当这种情况发生时，许多场变得僵硬，结果它们的粒子获得了共振频率和质量。这就是宇宙如何通过希格斯场的影响，变成了今天这个量子乐器。