歌剧演唱家的声音可以震碎酒杯。其中的原理也是亚原子粒子存在的基础。
每当物理学家宣称发现了一种新粒子的时候，无论这种粒子是希格斯玻色子还是最近发现的双粲四夸克态，他们实际上发现的是从原本平滑的曲线上升起的一个小凸块。这样的凸块是“共振”的明显特征。共振是自然界中最普遍的现象之一。
共振现象可以说是各个领域的基石，无论是音乐，还是垂死恒星的核聚变，甚至是亚原子粒子的形成，从日常生活到极小的尺度，都受到共振的影响。
在最简单的形式中，当物体受到频率接近其“自然”频率的振荡力时，就会发生共振。在自然频率下，物体很容易发生振荡。物体具有自然频率“是数学领域甚至整个宇宙的基础性质之一”，马特 · 斯特拉斯勒（Matt Strassler）说。斯特拉斯勒是哈佛大学粒子物理学家，他正在写一本关于希格斯玻色子的书。操场上的秋千是一个我们很熟悉的共振的例子。“敲击某个东西，它总是会自动挑选出自己的共振频率。” 斯特拉斯勒说。轻弹酒杯，酒杯的边缘每秒振动几百次，振动传递到周围的空气中，产生一种特有的音调。
系统的自然频率取决于其自身的特性。例如，长笛的自然频率是完全适合其圆柱形状的声波频率。
瑞士数学家莱昂哈德 · 欧拉（Leonhard Euler）于1739年求解了一个描述系统在其共振频率附近受到连续驱动力的方程。他发现，该系统表现出了“各种各样奇妙的运动”。正如他在给数学家约翰 · 伯努利（Johann Bernoulli）的一封信中所说的那样，当该系统精确地受到共振频率下的驱动作用时，运动的幅度“不断增加并最终增长到无穷大”。
某一频率过度驱动一个系统会产生惊人的效果。例如，一位训练有素的歌手可以通过在共振频率附近持续地吟唱来震碎玻璃。士兵在桥上行进时的脚步声的频率如果与桥的共振频率相同，就可能会使得桥坍塌。但欧拉忽略了更常见的情况，即能量的损失会阻止系统运动的失控发展。如果歌手平稳地歌唱，玻璃中的振动先会增加，但大幅度的振动会导致更多的能量以声波的形式向外辐射，因此最终会达到平衡，使得振幅保持恒定。
我们现在假设，歌手从一个低音开始，然后连续地改变音调。当音调达到酒杯共振的频率时，声音会一下子变得很响。这种现象的产生是因为声波与已经存在的振动同步到达了玻璃杯，就好像在某一时刻推动秋千就可以放大其初始运动一样。声音的振幅与频率的函数图像在共振频率周围有一个明显的凸块，这与发现新粒子时的曲线上的凸块惊人地相似。在这两种情况下，凸起的宽度都反映了系统的损耗程度。例如，凸起的宽度可以表明玻璃在被撞击一次后嗡嗡作响的时间，或者粒子在衰变之前会维持多长时间。
可是，为什么粒子会与嗡嗡作响的酒杯有相同的表现？20 世纪初，科学家认为共振是振动和振荡系统的一种特性。粒子沿直线传播，碰撞时像台球一样散射开，这似乎与共振这样一个物理学的分支相去甚远。
量子力学的发展表明，事实并非如此。实验显示，光作为一种电磁波，有时会表现得像粒子：我们把它叫作“光子”。光子也拥有与波的频率成比例的能量。并且，像电子这样的实物粒子有时也会表现出类似频率和能量关系的波动现象。
1925年，受此启发，奥地利物理学家埃尔温 · 薛定谔（Erwin Schr?dinger）推导出了氢原子波动方程，其解是以一组自然频率振荡的波，形式上很像是某种管乐器的声波方程的解。
薛定谔方程的每个解都代表电子轨道的一种可能状态。电子可以吸收光子跃迁至更高能量的状态，而光子的频率代表了两个状态的自然频率之间的差值。
这种跃迁本身就是一种共振形式：就像酒杯一样，原子只能从特定频率的波中吸收能量，并且也可以通过发射具有相同频率的波来释放能量。（原子在某一频率被激发时，将会振荡超过10万亿个周期，并以光子的形式释放能量——这是一种极为准时的原子共振，它是世界上最精确的原子钟的工作基础。）
根据量子理论，原子的结构与交响乐一样，和共振密切相关。原子中的电子就像是长笛内回荡的声波。20世纪30年代的进一步研究表明，正是由于共振，多种多样的原子核才得以在宇宙中存在。对于将一种原子核转变为另一种原子核的核聚变反应而言，共振跃迁至关重要。在核共振中，最著名的一种是三个氦核结合成一个碳核的过程。如果没有这一过程，恒星就无法产生碳和更重的元素，我们所熟知的生命也就不可能存在。
但在基础物理学中，共振的根源还要更深。在20世纪20年代后期，物理学家开始构建一种强大的数学框架，我们称之为量子场论。直到今天，量子场论仍然是描述粒子物理学的重要语言。在量子场论中，宇宙的基本构成是充满了所有空间的场。粒子是这些场在局部区域的共振激发，它们像床垫中的弹簧一样振动。振动的频率源于某些天然存在的基本常数。这些频率反过来又决定了相应粒子的质量。以某些频率足够猛烈地振动真空空间，就可以生成一大堆粒子。
从这个角度上来说，共振是粒子存在的原因。它也日益成为实验粒子物理学的主要研究对象。当测量高能碰撞中产生的特定粒子组合的频率时，物理学家会在改变碰撞能量后看到，检测率出现了明显峰值。这是关于共振曲线的一个新的发现。“就像酒杯一样，这是一个具有共振现象的系统，”斯特拉斯勒说，“任何研究对象都可能发生振动。”
在20世纪50年代和60年代，物理学家观测到的峰比他们预期的要多得多。起初没有人知道它们是什么。许多凸起都非常宽，这表明这些粒子的存在时间仅仅略多于万亿分之一秒。与可以直接检测到的那些我们更熟悉的粒子不同，这些新粒子只能通过共振过程来观测。
之后，物理学家们意识到，这些存在时间极短的新粒子基本上与质子和中子没有什么不同，只是寿命很短罢了。这些短寿命粒子通常被简称为“共振态粒子”——这可以说明，共振这样一种现象对于我们对世界的理解发挥了至关重要的作用。
资料来源 Quanta Magazine
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本文作者本·布鲁贝克（Ben Brubaker）是耶鲁大学物理学博士，如今是一位科普作家