共振是自然中最重要的現象之一。無論是日常生活中的音樂，還是宇宙中垂死恒星的聚變，共振都發揮著不可或缺的作用。

其實，在物理世界的基本過程中，特別是在粒子物理學領域，共振同樣至關重要。它甚至可以說是一切存在的根本原因。

想要理解這一點，我們可以從生活中最平凡的一架秋千說起。

最簡單的共振

先回想一下秋千的樣子。秋千其實就是一種振蕩器，它和任何種類的擺都一樣。它會以一個確定的頻率來回擺動，而且這種頻率通常并不取決于擺動的幅度。

你可能有過這樣的體會，如果想讓秋千蕩得更高，就要在每個周期中準確地將秋千向前推一次，這樣就能一直增加秋千的振幅。如果不是這樣，比如在一個周期里多推了幾次，你有時或許能讓它蕩得更高，但有時卻反而會降低了它的幅度。

在這種最簡單的形式中，當一個物體受到一個接近它的 " 自然 " 頻率的振蕩力時，就會發生共振，它會很容易在這個頻率上振蕩。你推動秋千的頻率與秋千本身的自然頻率保持一致，它就能越蕩越高。物體具有的這種自然頻率是數學和宇宙的基本屬性之一，它取決于系統的內稟屬性。

在正確的頻率下過度驅動一個系統，也可能會產生劇烈的影響。比如，一位訓練有素的歌手，可以在共振頻率下用持續的音符 " 震碎 " 玻璃杯。

但這僅僅是極端的情況。更常見的則是，能量損失可以防止物理系統的運動不受限制地增長。如果歌手先從小聲歌唱開始，玻璃中的振動起初會增長，但更大的振動會導致更多的能量以聲波的形式向外輻射，所以最終會達到一個平衡，導致振幅恒定的振動。

假設歌手從一個低沉的音符開始，然后不斷升高音高。當聲音掠過酒杯共振的頻率時，就會瞬間變大。這種增強是由于聲波到達酒杯時與已經存在的振動同步了。聲音振幅與頻率的函數關系圖會在共振頻率周圍出現一條明顯的凸起曲線，這實際上與預示著粒子發現的凸起驚人地相似。

粒子世界的共振

無論是大名鼎鼎的希格斯玻色子，還是最近剛剛被 " 收入囊中 " 的雙粲四夸克，幾乎在所有情況下，當物理學家宣布他們發現了一種新的粒子，他們看到的實際上是圖像中的一處小凸起，從一條平滑的曲線中升起。這就是共振的確切標志。

在這兩種情況下，凸起的寬度反映了系統的損耗程度，比如玻璃杯在被敲擊一次后會響多久，或者一個粒子在衰變前會存在多久。

但是，為什么粒子會表現得像酒杯一樣？

20 世紀量子力學的發展告訴我們，曾被認為是電磁波的光，有時會表現得像一個粒子，也就是光子，它擁有與相關波的頻率成正比的能量。同時，像電子這樣的物質粒子有時也表現出波式的行為，它的頻率和能量之間有著相同的關系。

1925 年，受到這種對應關系的啟發，物理學家薛定諤（Erwin Schrödinger）得出了一個有關氫原子的方程，它的解是在一組自然頻率下振蕩的波。

薛定諤方程的每個解都代表了原子軌道上的電子的一種可能狀態。電子可以通過吸收一個光子躍遷到一種更高能的狀態，這個光子的頻率就是兩種狀態的自然頻率之間的差。這種躍遷本身就是一種共振的形式。原子只從特定頻率的波中吸收能量，它也可以通過發射相同頻率的波來釋放能量。

量子理論同樣揭示出，原子的結構與共振密切相關。比如，20 世紀 30 年代的進一步研究表明，許多種類的原子核因為共振才會存在于今天的宇宙。

共振躍遷對于將一種原子核轉變成另一種原子核的核聚變反應至關重要。最有名的或許是將三個氦原子聚變成一個碳原子的反應。要知道，沒有它，恒星就無法產生碳或更重的元素，而我們這種生命也就不復存在。

更深的根源

但基礎物理學中共振的根源其實更深。

在 20 世紀 20 年代末，物理學家開始發展一種更強大的數學框架，也就是量子場論，它至今仍是粒子物理學領域的 " 通用語言 "。

在量子場論中，宇宙的真正基本實體是充滿了所有空間的場。粒子是這些場的局部共振激發。振動的頻率源于基本常量，但這些基本常量的來源仍然不明確。這些頻率反過來決定了相應粒子的質量。

也就是說，在適當的頻率下轟擊看似空無一物的真空，就會彈出一大堆粒子。從這個意義上來說，共振是粒子存在的根本原因。它也日益成為實驗粒子物理學的主力。

在 20 世紀中期，物理學家看到了比他們預期的多得多的凸起，逐漸形成了一個越來越大、越來越豐富的粒子動物園。許多新粒子的存在時間幾乎不超過一秒的萬億分之一的萬億分之一，與可以直接檢測到的更熟悉的粒子不同，這些新加入的成員只能通過共振過程來觀察。

物理學家后來認識到了這些新粒子的本質，并最終帶來了傳統強子的夸克模型。有時候，這些短壽命的粒子常常被簡單地稱為 " 共振 "。這也很好地證明了，這種現象在加深我們對世界的理解方面發揮了驚人的作用。