宇宙学家提出了一个前沿问题：宇宙是否曾经沸腾过？此问题与自然界的四种基本相互作用中的两种紧密相关，涉及基本粒子质量的起源以及物质和暗物质的生成。而判断宇宙是否沸腾过的关键在于对希格斯玻色子进行一番 “品味”。

一、电弱真空与希格斯场

现在让我们一同深度探寻宇宙的炽热喧嚣。宇宙那无尽的奥秘与蓬勃的态势，正等待着我们去揭开去领略。水的沸腾乃液态至气态的相变进程，宇宙的沸腾则为早期宇宙里真空的相变，具体系电弱真空的相变，此二者虽不同却皆具深刻科学内涵。在粒子物理学及宇宙学范畴，真空蕴含多重意涵。此中所提及的电弱真空，即满是凝聚希格斯场的真空乃是基本粒子质量之源。目前我们尚不清楚希格斯场在早期宇宙中的相变是否为一级相变，即宇宙在这一过程中是否具有清晰的新旧相边界，这也正是宇宙有没有沸腾过的关键所在。

希格斯场

起初真空向来被视作空无一物的空间，可后续量子场论却表明，真空中竟存在量子涨落。而电弱真空则更加神奇，即便在宏观层面的经典场论意义下，真空也充满着凝聚的希格斯场，其能量密度极高，这一结论源于对弱相互作用的研究。

自然界存有强力、弱力、电磁力与引力这四类基本相互作用，其主宰宇宙之演化，亦对我们的生活施加影响。引力和电磁力的重要性不言而喻，人类对它们有着悠久的认识和研究历史。强力与弱力主要于微观层面施展其作用，直至19世纪末才渐为人们所洞悉。强力促使夸克形成核子和原子核，弱力在核聚变和元素衰变中起着重要作用。若弱力强度超乎寻常地大，太阳将会提前燃尽；而倘若强度过小，太阳便无法启动聚变反应。正缘弱力强度适度，地球上方有了生命粒子的出现。这一恰到好处的弱力，为生命粒子的诞生创造了条件，让生命的可能得以呈现。

在物理学中，强、弱和电磁力都遵循统一的规范原理。20世纪60年代，当这一原理被应用到弱力时却发现基本粒子必须没有质量，这与现实情况不符。于现实之境，诸如电子、夸克等粒子，连同弱力媒介粒子W及Z玻色子皆具质量之属性。

为化解此难题，1964年来自美国的布劳特、比利时的恩格勒以及英国的希格斯等人，开创性地引入了希格斯场。一般场的势能如同山谷，真空即能量最低点位于谷底原点处，而希格斯场的势能则像一顶墨西哥帽，真空处于帽沿上，场的值不为零，这被称为场的凝聚。在理论上，四次多项式函数就能产生这种效果，并且与实验结果相符，大自然似乎偏爱简单。

在真空中，希格斯场会对其他粒子于空间中的穿行造成阻碍，此现象表现为这些粒子获得了质量。恰似于泳池中行走时体感增重，电磁场宛如充斥空间之水，阻碍电子前行，进而赋予其质量。19世纪的物理学家曾用充满空间的以太来解释电磁波，希格斯场与以太不同，它是真实存在的。通过希格斯机制，质量可以在不违反规范原理的情况下产生，因为它来源于希格斯场的作用。此种借助真空凝聚以使基本粒子获取质量的方式，名曰自发对称性破缺机制，它在物理学领域具有重要意义，为相关研究提供了关键思路。

1967年前后，美国的温伯格、格拉肖，还有巴基斯坦的萨拉姆，基于此提出电弱理论，成功把电磁力与弱力置于统一框架阐述，将四种基本相互作用中的两类予以统一。自此，一个新的术语 “电弱（electroweak）” 诞生了。电弱理论与描述强力的量子色动力学一起构成了粒子物理学的标准模型，这是我们目前对物质微观结构最为深刻的认识。在高温下希格斯场的真空凝聚会消失，基本粒子变回无质量粒子。

二、希格斯场的相变难题

那么希格斯场是如何完成这场相变的呢？这取决于它的演化历史。随着宇宙的膨胀和冷却，势能的形状会发生变化。如果势能出现由势垒隔开的两个极小值，宇宙会从能量更高的真空隧穿到更低的真空，这就是一级相变。宇宙中不同区域的隧穿时刻不同，先隧穿的区域会形成包含新真空的泡泡，就如同水沸腾时的气泡。这些真空泡会膨胀、碰撞、融合，最终填满整个宇宙，完成相变。相反，如果势能没有势垒，真空就会平滑地渐变，全程不存在明确的新旧项界限。

按照标准模型电弱相变是平滑的没有边界。但我们对这个标准答案并不完全信服，因为标准模型没有揭示电弱对称性破缺的更深层次原因，存在许多未解之谜。例如为什么希格斯势能具有与众不同的形状？标准模型无法回答这个问题，希格斯势能只是作为基本假设被放入，比如四次多项式的函数形式，我们并不清楚它为何如此。

此外希格斯场还面临理论上的重大疑难，场论认为越小尺度上能量涨落越高，希格斯场在这种涨落下会变得极不稳定，场的凝聚值远大于观测值，这被称为规范层级问题或自然性问题。同时希格斯场还可能引发宇宙学危机，电弱真空的能量密度与实际测量的宇宙能量密度相差巨大。

针对这些困难，理论家们提出了种种构想，试图解释电弱真空的起源。新物理可能从更基本的原理中导出希格斯势能，为电弱对称性破缺的原因提供更深层次的解答，并且可能引发一级电弱相变，为解决正反物质不对称和暗物质等宇宙学难题提供契机。

三、探索之路：实验与未来展望

在实验上，研究希格斯玻色子有可能确定电弱相变的模式。希格斯玻色子是场的量子激发，与希格斯场不同。2012年欧洲核子中心的大型强子对撞机（LHC）实验组宣布发现了希格斯玻色子。但当前的实验远不能解答电弱相面的性质，因为粒子物理实验探测的只是真空附近的局域性质。物理学家们想出了一些方法，有可能通过希格斯玻色子的 “味道” 尝出早期宇宙有没有沸腾过。一是更仔细地检查希格斯玻色子的身份，通过精确测量获取势能在真空附近的导数值，与标准模型进行比较以了解势能的整体形状和电弱相面的性质；

电弱相面的性质是后希格斯时代最重要的科学课题之一。在未来20年，LHC将持续积累数据，投建中的下一代对撞机如中国的环形正负电子对撞机（CEPC）、日本的国际直线对撞机（ILC）和欧洲的未来环形对撞机（FCC-ee）等将提供更精确的实验结果。

天文观测也能帮助研究电弱相变，计划于2030年代发射的天机引力波探测器，包括欧盟的激光干涉空间天线（Lisa）、中国的天琴和太极有可能直接探测到电弱相变产生的引力波。让我们期待未来的理论研究和实验数据，为电弱相变提供更多洞见。也许有一天，我们能在广袤而冰冷的宇宙背后看出曾经有一个沸腾的宇宙，并由此洞悉宇宙的未来。正如德国诗人里尔克的诗所说：“我认出风暴而激动如大海。”

文本来源 @袁岚峰 的视频内容