E=mc2的发现是个转折点，标志着物理学家看待能量的新方式。它让我们认识到，质量本身储存着一种巨大的潜在能量。之前，没有人能够想象到这种能量的规模：单个质子质量中所储存的能量是典型化学反应所释放能量的10亿倍。乍一看，我们好像找到了解决能源问题的办法，并且这种方法长期有效果。但美中不足的是：物质很难被完全摧毁。在核电站中，只有很小一部分核燃料的质量被摧毁，其余的则转化为较轻的元素，其中一些还是剧毒的核垃圾。即便是太阳内部的核聚变过程，质量转化为能量的效率也非常低。被摧毁的质量占比微乎其微，这仅仅是原因之一。另一个原因是质子发生核聚变的机会非常渺茫，因为反应的第一步是质子转化为中子的过程，这是一个非常罕见的过程。事实上，在太阳的内核，一个质子与另一个质子聚合成氘核，并释放能量的过程，平均需要大约50亿年的时间。此外，若不是量子理论在小尺度占据了核心地位，这个过程可能永远不会发生。在前量子世界里，太阳的温度根本不足以让质子靠得足够近，引发聚变反应——太阳的温度必须是1000万度，比当前太阳温度高1000倍。1920年，当英国物理学家阿瑟·艾丁顿爵士首次提出核聚变可能是太阳的能量来源时，他很快意识到这一理论所潜在的问题。艾丁顿十分坚信氢聚变成氦是其能量的来源，并且坚信很快就会找到解决低温难题的方法。他说：“我们拥有的氦气一定是在某个时间某个地方通过挤压而形成的。”他还说：“不要与那些认为星星的温度不足以产生这个过程的专家争论，告诉他们去寻找一个更热的地方。”
“半斤换八两”，质子转化为中子的过程非常难实现，以至于太阳将质量转化为能量的效率比人体低几千倍[51]。平均来说，1千克太阳上的物质只能产生1/5000瓦的能量，而1千克人体产生的能量一般在1瓦以上。当然，太阳巨大的身段最后弥补了相对低效的质能转换效率。
本书一直强调自然运行的规律性。因此，不要因为像E=mc2这样的方程预示了某种希望就兴奋不已。人类的想象和实际的事物有着天壤之别。尽管E=mc2给予希望，让我们兴奋，但是我们必须理解质量是如何被摧毁的，能量是如何被释放的。毕竟，从这个方程，我们看不出任何把质量转化为能量的方法。
过去的一百年，物理学取得了长足的发展。其中，最奇妙的一点是，它让人认识到，一小部分定律就可以解释几乎所有的物理现象，起码原理上可以摆平它们。早在17世纪末，当牛顿写下他的运动定律时，物理学似乎已达到了这个目标，因为，他之后的两百年，几乎没有任何科学发现与之相悖。在这件事上，牛顿相当谦虚。他曾经说过：“我就像一个在海边玩耍的孩子，不时地捡起一块光滑的鹅卵石或漂亮的贝壳，然而我对浩瀚的真理之海却熟视无睹。”牛顿的比喻捕捉到了物理研究的本质，我们花费时间，我们收获一个个小的奇迹。对于美丽的自然，宣称找到了终极理论几乎是没有必要的，甚至是鲁莽的。尽管科学的哲学思考有着适当的谦虚态度，但是后牛顿时代的世界观却认为，万物是由完全遵守牛顿物理定律的小单元组成的。不可否认，这一世界观有很明显的问题没有给出解答：事物到底是如何组合在一起的？这些小单元究竟又是由什么组成的？即便如此，也很少有人怀疑牛顿理论在事物中的核心地位，剩下要做的事被认为是些修修补补的工作。然而，随着物理学的发展，等到了19世纪，人们发现了一些新的现象，对这些现象的分析推翻了牛顿理论，并最终打开了爱因斯坦相对论和量子力学的大门。牛顿建立的理论大厦最终被推翻了，更准确地说，它成了一个自然理论的更准确近似理论。一百年后，情形相同，我们可能没能吸取教训，再次声称我们有了一个关于（几乎）所有自然现象的理论。我们很可能又错了，当然，这也不是坏事。需要铭记的是科学的傲慢往往最后自取其辱。那种认为我们对自然界的运作了解得足够多，甚至都要了解的看法，损害了，也将永远损害人类的精神。在1810年，汉弗莱·戴维做了一次公开演讲，对此他给了一个完美的阐述：“认为我们的科学是终极的，认为自然界中不再有新的秘密，认为我们取得了最终胜利，认为再没有可征服的新领域了，没有什么比这些假定更损害人类心智的进步了。”
也许现有的物理学只是冰山一角，也许我们正在接近一个“万有理论”。无论是哪种情况，可以肯定一件事：我们掌握了一个确实被证明的理论。为此，全世界成千上万的科学家，付出了巨大的努力，历经了艰辛的过程，研究了各个领域的实验现象。这个理论相当惊人，尽管它统一了许多内容，但它的核心方程却能写在一张信封的背面。
这个核心方程为主方程，它是粒子物理标准模型的核心。虽然对大多数读者来说，瞅一眼这个方程没有多大的意义，但我们还是忍不住把它拿了出来。只有专业的物理学家才会去搞懂方程里面的细节，我们不为他们费心思。我们首先讲述一个最奇妙的物理学方程，一会儿我们会多花点时间解释它的奇妙特性。我们完全可以把里面的数学丢在一边，仅凭符号的讨论取得对它的理解。那么先让我们热热身，介绍下主方程吧，它用来做什么，它能干什么。主方程的作用是给定宇宙中粒子与其他粒子相互作用的规则。唯一例外的是没有考虑万有引力，这使很多人懊恼不已。尽管没包括万有引力，它的应用范围还是非常广泛的。因此，主方程的求解无疑是物理学史上最伟大的成就之一。
首先，让我们弄清楚两个粒子相互作用的意思。当我们说两个粒子相互作用时，我们是指粒子的运动由于一个粒子作用到另一个粒子上发生了改变。例如，当两个粒子相互作用时，它们改变了运动方向，从而互相散开。或者它们会因相互作用，旋转着进入彼此环绕的轨道，从而被俘获到物理学家常说的“束缚态”中。原子就是这样，拿氢原子来说，一个电子和一个质子就是根据主方程的规则束缚在了一起。上一章中，我们了解了许多有关结合能的知识，了解了计算原子、分子和原子核的结合能的规则，这些规则都包含在主方程中。从某种意义上说，知道了这一规则意味着我们是在一个非常基本的层面解释宇宙运行的。那么构成万物的粒子是什么？它们又是如何相互作用的呢？
标准模型的起点是物质存在。准确地说，它假定物质存在包含6种“夸克”，3种“带电轻子”（电子是其中之一）和3种“中微子”。这些构成物质的基本粒子出现在主方程中，你可以看到，它们用希腊字符Ψ（发音为“psi”）[52]表示。此外，每个粒子还对应一个反粒子。反物质不仅仅出现在科幻小说中，它是宇宙必不可少的组成部分。20世纪20年代末，英国理论物理学家保罗·狄拉克（Paul Dirac）最先意识到引入反物质的必要性。当时，他预言了正电子的存在。正电子对应着电子，与电子的质量完全相同，但电荷却相反。我们之前遇到过正电子，两个质子聚合成氘核的过程就有正电子产生。科学理论若想取得成功，得到人们的认可，那么它必须能够预测一些以前从未见过的事物。这个“事物”被之后的实验观察确证，就能说明我们取得了对宇宙运行的真实情况。进一步讲，一个理论做出的预测越多，并得到实验的验证，我们对这个理论就越深信不疑。相反，若实验检测不到理论预测的东西，那么这个理论就不可信，必须抛弃。在寻求科学理论的过程中，实验是最终的仲裁者，没任何商量的余地。几年后，卡尔·安德森首次在宇宙射线中直接观测到了正电子，狄拉克迎来了他的辉煌时刻。由于他们的努力，狄拉克被授予了1933年的诺贝尔奖，安德森被授予了1936年的诺贝尔奖。尽管正电子看起来很神秘，但如今，它在世界各地医院中发挥着日常作用。PET扫描仪（正电子发射计算机断层扫描的简称）借助正电子能使医生构建人体的三维图像。当狄拉克思考反物质的概念时，他不可能想到该概念会应用到医学成像中。这再次表明，了解宇宙的内部运作是非常有用的。
除了以上粒子，还有一个粒子被认为是存在的，但现在讨论它有点早。它在主方程的第三行和第四行中，由希腊字符ϕ（发音为“phi”）[53]表示。除了这个“特殊粒子”，所有的夸克、带电轻子和中微子（以及它们对应的反物质粒子）都被实验发现了。当然，不是用眼看到的，而是用最新的离子探测器。这种探测器类似于高分辨率相机，可以快速拍下基本粒子闪现时的快照。一般，物理学家发现基本粒子中的一个就能获得诺贝尔奖。2000年，最后一个基本粒子τ子中微子(tau neutrinos)被发现。这个粒子是电子中微子幽灵一般的兄弟，它们在核聚变中生成，从太阳不断地流出。τ子中微子的发现完成了12个物质粒子拼盘。
“上夸克”和“下夸克”是最轻的夸克，质子和中子就是由它们构成的。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，而中子则由两个下夸克和一个上夸克组成。质子和中子构成原子核，原子核又被相距较远的电子包围形成原子。我们身边的物质就是由这些原子构成的。因此，上下夸克和电子是常见物质的基本粒子。顺便提一句，这些粒子的名字没有任何科学意义。“夸克”一词就取自爱尔兰小说家詹姆斯·乔伊斯的《芬尼根守灵夜》（Finnegan’s Wake），它由美国物理学家默里·盖尔曼引入。盖尔曼需要三个名字来解释当时发现的粒子，他觉得乔伊斯的这一段话非常合适：
冲麦克老人三呼夸克！他一定没从吼叫（bark）中得到什么，他拥有的东西肯定都远离这mark[54]。
盖尔曼后来写道，事实上，在遇到《芬尼根守灵夜》语录之前，他脑海中已经有了一个声音来命名核子，因此，他想把这个词读成“郭克”（qwork）[55]。但在这首押韵的诗中，“夸克”显然要与“马克”和“巴克”（bark）押韵，因此读音有点问题。盖尔曼继续争辩道，这个词的意思可能是一种啤酒的计量单位——“夸脱”[56]，而不是那种“海鸥的叫声”，因此，他要维持原来的发音。也许我们永远不会知道它该怎么读。后来又有三种夸克被发现，其中，最后一个夸克顶夸克在1995年被发现。这让夸克的出处显得更加不合适。这是对之后物理学家的一个警示，不要在晦涩难懂的文学参考中寻求命名的方法。
尽管盖尔曼遇到了命名的困难，但他有关质子和中子是物体更小单元的假设得到了证明。1968年，理论做出预测的四年后，人们在加利福尼亚州斯坦福的粒子加速器上发现了夸克的身影。随后，盖尔曼和发现夸克证据的实验人员获得了诺贝尔奖。
除了刚才讨论的物质粒子和神秘的ϕ之外，我们还需要提一下其他一些粒子。它们是W粒子和Z粒子，光子和胶子。我们首先对它们扮演的角色做一两句说明。这些粒子负责其他粒子之间的相互作用。如果这些粒子不存在，那么物体之间不会产生任何相互作用。宇宙也将因此变得沉闷，死寂，令人恐怖。我们说，这些粒子是以承载物质粒子间的相互作用力为己任的。光子在带电粒子（如电子和夸克）之间传递相互作用力。从一定意义上讲，它是法拉第和麦克斯韦所发现的所有物理的基础。此外，它还构成了可见光、无线电波、红外线和微波、X射线和伽马射线。这样说没错，光子流从灯泡发出，遇到书本页面被反弹，然后流入你的眼睛中，这里你的眼睛是一个无比精密的光子探测器。按照物理学家的说法是：光子传递电磁相互作用。与无处不在的光子相比，胶子在身边就没那么普遍了，但它的作用同样重要。原子核是一个带正电荷的球（回想一下，质子都是带电荷的，而中子不是），它位于原子的中心。在原子核中，由于电磁力，质子相互排斥，就像两个同极磁铁极推到一起所发生的事情一样。它们不想挤在一起，更倾向于相互飞离。幸运的是，这并没发生，原子也没有散开。胶子因传递将核内质子“胶合”在一起的力而得名。它还负责将质子和中子中的夸克黏合在一起。这个力必须足够强，以克服质子间电磁相互作用引起的排斥力，因此它被称为强力。你看，在命名方面，我们并没有什么荣耀可言。
W粒子和Z粒子可以放在一起来讲述。没有它们，行星就不会发光。在太阳的核心，W粒子尤为重要，它在质子转化为中子时发挥了重要作用（氘核形成过程）。将质子转化为中子（其反过程）并不是这种弱力的唯一作用。它负责自然界基本粒子之间数百种不同的相互作用，其中许多已经在欧洲核子研究中心的实验中进行了研究。除去太阳光芒，W和Z的作用在日常生活中并不那么明显，这一点更像胶子。中微子只能通过W和Z粒子产生相互作用，正因如此，我们很难捕捉到它们。如上一章所讲的，每秒有几十亿个中微子穿过大脑，而你什么也感觉不到，原因就在于W粒子和Z粒子所携带的力是极其微弱的。你肯定已经猜到了，我们把它命名为弱力。
讲述至此，我们也只是列出了在主方程中“玩耍”的粒子。12个物质粒子被事先安插到了理论中，为什么会有12个粒子呢？我们对此一无所知。20世纪90年代，欧洲核子研究中心对Z粒子衰变为中微子的过程进行了观察，有证据表明物质粒子确实不超过12个。然而，只有其中的4个（上夸克和下夸克、电子和电子中微子）好像才是宇宙构建所必需的，那么其他8个的存在就显得有点神秘了。我们怀疑它们在极早期宇宙中扮演了重要角色，但是它们又是如何参与到当今宇宙中的呢？这是物理学中的一个重大问题，尚未有明确答案。汉弗莱·戴维的观点未被挑战。[57]
在标准模型中，这12个物质粒子都是基本粒子，它们不能被拆分成更小的部分，它们是建筑的砖块。这看起来与常识相违背——小颗粒可以被切成两半，这是很自然的事情。但是，量子理论就不是这样——再次表明常识不能指导我们走向基础物理。在标准模型中，粒子没有结构，它们被认为是一些“点”，问题暂时这样解决。在未来的某个时候，也许可能会出现一个实验，表明夸克可以分裂成更小的部分，但关键是夸克不一定是这样的。点状粒子很有可能是故事的终点，子结构问题毫无意义。总之，一大堆粒子组成了我们的世界，主方程是理解它们如何相互作用的关键。
尽管我们一直在说粒子，粒子，但比较微妙的一点是“粒子”这个词可能不恰当。这些粒子不是通常意义上的粒子，它们不会像缩小的台球一样相互弹碰。相反，它们更像游泳池表面的水波一样相互作用，这些水波在池子的底部产生晃动的光影。这好像是说这些粒子在保持粒子特性的情况下，还具有波的特性。这种粒子与波结合的画面起源于量子力学，与直觉极其相悖。然而，主方程严格（即以数学形式）规定了这些相互作用的波动特性。可是，当我们写下主方程的时候，我们究竟写了什么？该如何理解它？主方程又起源于哪些原理？在解决这些非常重要的问题之前，让我们更深入地去研究下主方程，了解下它的真实含义。
主方程的第一行代表W粒子、Z粒子、光子和胶子所携带的动能，这行告诉我们这些粒子是如何相互作用的。有一点我们还没提起但确实在方程里面：胶子可以与其他胶子相互作用，W粒子和Z粒子可以相互作用；W粒子也可以与光子相互作用，但光子和光子的作用却没有，事实上它们确实没有相互作用。我们很幸运，因为假使它们之间有相互作用的话，我们就很难再看到东西。也就是说，我们能读这本书全仰仗于光子这样了不起的性质。奇妙的是，从书本中发出的光在进入眼睛前，不会因其他光子（周围转脸就可以看到的物体发出的光子）的挡道而发生偏离。光子径直划过，彼此“透明”。
这方程的第二行包含大部分作用。它描述物质粒子是如何相互作用的。其中包含由光子、W粒子、Z粒子以及胶子传递的相互作用。还包含了物质粒子的动能项。我们暂时放一放主方程的第三和第四行。
正如我们所强调的，除重力外，主方程暗藏着其他所有的基本物理定律。18世纪末，查尔斯·奥古斯丁·德·库仑（Charles Augustin de Coulomb）用公式描述的静电排斥就在这里（暗藏在前两行中），同样，整个电学和磁学也在这里。当我们“询问”主方程带电粒子的相互作用时，法拉第的理解和麦克斯韦优美的方程都会浮现出来。当然了，这里所有的结构都以爱因斯坦的狭义相对论为基础。事实上，标准模型中，描述光和物质相互作用的部分被称为量子电动力学。“量子”的意思是指麦克斯韦的方程组必须用量子理论来修正。这些修正很小，却引起了微妙的效果，20世纪中叶，理查德·费曼等人首次对此做了探索。除此之外，主方程还包含有关强相互作用力和弱相互作用力的物理内容。它详细明确了这三种力的特性，这意味着自然的规则被数学方法精准地表述了出来，没有半点歧义和冗余。因此，除了万有引力外，我们的理论似乎接近了大统一理论。毫无疑问，没有人从实验中或从对宇宙的观察中发现任何证据，表明宇宙中存在第五种相互作用力。绝大多数日常现象都可以用电磁学和万有引力定律完美解释。弱相互作用力使太阳保持燃烧，但却很少在我们日常生活中发挥作用。强相互作用力使原子核保持完整，但几乎没有从原子核走出来，把它的巨大威力延伸到宏观世界上来。像桌子和椅子这样的固体属性，实际上是一种错觉，它是由电磁力产生的。实际上，物质内部绝大部分是空的。对于一个原子，若把原子核想象为一颗豌豆，那么电子就是距离豌豆一千米的一粒高速运动的沙粒，除此之外，原子都是空的。把电子比作“沙粒”有些牵强了，应该知道的是它更像波而不是沙粒，这里采用“沙粒”的类比意在烘托原子与原子核的大小对比。当我们用一个原子的电子云推动隔壁绕核呼啸运行的电子云时，物质的固体属性就产生了。因为电子是带电的，所以电子云会相互排斥并阻止原子通过，即便是它们基本上是空的也没有用。当我们透过玻璃窗向外看时，就会很容易发现一条物质为空的线索。虽然玻璃是固体，但光能轻而易举地穿过，带给我们窗外世界的图像。事实上，我们更应该感到惊讶的是为什么木头不是透明的！
能把那么多的物理理论塞进一个方程确实令人印象深刻。这充分体现了维格纳的“数学极不合理的有效性”。为什么这个世界不能再复杂一点？为什么我们可以把庞杂的物理浓缩成一个方程？为什么不需要一个复杂编目的数据库和百科全书？没有人知道大自然为什么允许我们以这样的方式对其进行概括。当然，正是它内在的优美和简洁，吸引了大量的物理学家沉浸在自己的工作中。因此，在提醒自己大自然不会屈服于这种美妙的简化之前，我们可以暂时陶醉于自然被揭示的大美之中。
说了那么多，我们还没有讲完，还没有触及标准模型至高无上的荣耀。它不仅包括了电磁相互作用，强相互作用和弱相互作用，而且把其中的两个统一了起来。表面上看来，电磁现象和弱相互作用现象没有任何关系。因为电磁现象是典型的可以被直观感知的现实，而弱力则深埋于黑暗的亚原子世界中。然而，令人称奇的是，它们实际上只不过是同一件事的不同方面罢了。仔细观看下第二行主方程，即使不懂数学，我们也可以“看见”物质粒子之间的相互作用。第二行涉及W、B、G（胶子），它们夹在两个物质粒子Ψ之间。主方程的这一小部分告诉我们物质粒子是如何通过这些传递力的媒介和一些短线“耦合”在一起的。光子部分地存在于符号“B”中，同时部分地存在于符号“W”中，Z粒子和光子一样。相比之下，W粒子则完全存在于符号“W”中。这样的数学表述好像把W和B看作基本物体，然后它们的组合巧妙地变出了光子和Z粒子。结果是电磁力（光子作为媒介）和弱相互作用力（W粒子和Z粒子作为媒介）交织在了一起。从实验角度来看，这意味着所测得的电磁实验现象的性质应该与弱力实验现象的性质相关。这是标准模型的一个预测，给人的印象非常深刻。因为这个预言，标准模型的设计者谢尔登·格拉肖夫、史蒂文·温伯格和阿卜杜斯·萨拉姆共享了诺贝尔奖。他们的理论能够预测W粒子和Z粒子的质量，并且是在20世纪80年代欧洲核子研究中心发现它们之前。标准模型让事物完美地结合在一起。格拉肖夫、温伯格和萨拉姆又是怎么知道方程的形式的呢？他们是怎么认识到“W和B结合产生光子和Z粒子的”？这些问题触及了现代粒子物理的奇妙核心。他们不是仅仅靠猜测，他们有一条明晰的线索：大自然是对称的。
对称性非常常见。抓一片雪花拿在手中，仔细观察下这个美丽的大自然雕塑作品。它的图案按照数学的规律重复着，就像照镜子一样。更常见的是球体的对称，当它转动时，看起来没有发生什么变化；还有正方形的对称性，当沿着它的对角线或中心翻转时，也看不出什么变化。在物理学中，对称性的方式与之大致相同。如果我们对方程进行一种操作，方程却不发生改变，那么这个操作就是方程的一种对称。这听起来有点抽象，但是请记住，方程仅仅是物理学家用来表达真实事物之间关系的一种方式。所有重要的物理学方程都具有一个简单而重要的对称性，它表明这样的事实：把实验搬到火车上去做，如果火车没有加速，那么实验结果不会改变。我们对这个观点已经非常熟悉了，它就是伽利略的相对性原理，也是爱因斯坦理论的核心。用对称性的语言来讲，描述实验的方程并不取决于实验是在站台上还是在运动的火车上。因此，移动实验装置的操作，是方程的一种对称性。我们已经看到，这么简单的事实促使爱因斯坦最终发现了相对论。情况往往如此：简单的对称性引起深远的影响。
我们已经准备好去讨论格拉肖夫、温伯格和萨拉姆在发现粒子物理标准模型时所使用的对称性了。这个对称性有一个绚丽的名字：规范对称性。那么，什么是规范呢？在讨论它之前，我们先说说它有什么帮助吧。假设我们是格拉肖夫、温伯格和萨拉姆，正埋头寻找物体间的相互作用理论。首先，我们从建立一个粒子理论开始，这些粒子微小且不可分割。对于实验已经发现的粒子，我们最好囊括它们；否则，这一理论就是个半生不熟的理论。当然，我们可以绞尽脑汁，去弄清楚为什么是这些粒子构成了宇宙万物，或者为什么它们是不可分割的，但这会分散我们的注意力。事实上，这是两个很好的问题，只是我们仍然没有答案。优秀的科学家所要具备的一个素质是甄别哪些问题该问，以便推动发展，哪些问题应该放一放，留待未来解决。接着，让我们在这些现成的基础上，看看能否弄清楚粒子之间是如何相互作用的。如果它们之间没有相互作用，这个世界将会变得非常无聊——物体会穿过其他物体，毫无阻碍，没有东西聚合在一起，我们也永远得不到原子核、原子、动物或恒星。然而，物理学家做研究往往是先迈出一小步。当粒子之间没有相互作用时，构建粒子理论就不那么困难了——我们只能得到主方程的第二行，并且还要把W、B、G划掉。这就是量子理论，在粒子没有任何相互作用下的全部量子理论。我们迈出了一小步，即将迎来神奇的一幕。接下来，我们要求世界，以及我们的方程，具有规范对称性。结果是惊人的：主方程的第二行剩余部分和第一行便“免费”出场了。也就是说，如果理论要满足规范对称性的要求，我们必须依法修改“无相互作用”的粒子理论。理论突然间摇身一变，从世界上最无聊的理论变成了包含光子、W粒子、Z粒子和胶子的理论，并且，这些粒子传递物质粒子之间的相互作用。也就是说，我们从对称性得到一个这样的理论，它能描述原子的结构，恒星发光，以及像人类这样复杂的物体的组合。我们得到了这个万物理论的前两行公式。剩下的任务是解释这个神奇的对称性到底是什么，然后解释理论的后两行又是什么。
雪花的对称性是一种几何对称性，我们可以用肉眼看到。伽利略相对性原理背后的对称性用肉眼是看不到的，它很抽象，但却不难理解。规范对称性和伽利略相对性原理一样抽象，但稍微想象一下也可以理解它。为了把我们提供的描述和数学联系起来，我们刚才深入到了主方程中。让我们再来一次。我们刚才说过，物质粒子在主方程中用希腊符号Ψ表示。现在更深入地研究下。Ψ是场。它可能是电子场，或者上夸克场，或者是标准模型中的任何物质粒子场。无论是哪个，场有最大值的地方就是离子最有可能出现的地方。现在把讨论集中到电子身上，但是这些讨论对夸克、中微子等其他粒子都是一样的。如果某个地方的场为零，那么那里就找不到粒子。提起场，你可能首先想象到一块长满了草儿的原野。但也许有山峰和峡谷的起伏地形更能使场形象化。有山峰的地方场最大，有峡谷的地方场最小。我们鼓励你想象出一个假象的电子场出来。令人惊讶的是，主方程是模棱两可的，它不能给出确切的答案，我们不能因此确定周围电子的位置。我们所能做的是指出，电子更可能出现在这里（有山峰的地方），而不太可能在那里（有峡谷的地方）被发现。我们可以确切地给出这里或那里发现电子的概率。这已经不错了。这种对微观世界描述的不确定性是由占主导地位的量子理论引起的，它只能处理事情发生的概率。对于微观距离，位置和动量等概念确实存在基本的不确定性。顺便说一下，爱因斯坦非常不喜欢世界按照概率定律运行的事实，对此他讲过一句著名的话：“上帝不投骰子。”但是，他不得不承认量子理论是非常成功的。它完美解释了我们在亚原子世界做的所有实验。如果没有量子物理，我们都无法理解计算机芯片的工作机制。也许将来会有人提出更好的理论，但目前量子理论是我们最好的工具。本书一直强调，当解释日常感受之外的现象时，我们发现大自然一点也没按照常识给出的规则运行。我们的常识发展出了宏观世界的力学，而不是量子力学。
现在，我们回到手头的任务上来。既然量子理论定义了游戏规则，那么我们就不得不谈谈电子场。但是，在明确场并布置了场的类比地形后，我们还没有完全把它讲完。量子领域的数学还潜伏有一个令人惊讶的问题。它们的描述有多余的地方。对地形上的点，无论是山峰还是峡谷，数学表明，我们必须指定该点的场值（比如，在地形类比中的海拔高度），这个场值对应着在该点发现粒子的概率；除了指定场值外，数学还要求我们必须指定该点处一个称为场的“相位”的量。最简单的相位图像可能是带有一个指针的表面或表盘（或仪表）。指针指向12点对应一个相位，指针指向12点半，对应另一个相位。想象一下，在电子场地形中的每一点上都放置一个微小钟面。每个钟面显示所在区域的相位。当然了，这些不是真正的钟表（它们不测量时间）。早在格拉肖夫、温伯格和萨拉姆之前，相位就已经被量子物理学家所熟知。除此之外，量子物理学家也普遍相信，不同点之间的相对相位很重要，但相位的实际值并不重要。比如，若把所有的小时钟拨快10分钟，什么也不会改变。重要的是每个时钟必须拨同样的量，若忘记一个，那么将会得到一个不同的电子场。因此，这个世界的数学描述有它多余的地方。
1954年，在格拉肖夫、温伯格和萨拉姆建立标准模型的前几年，在布鲁克海文实验室，共用一间实验室的两位物理学家杨振宁和罗伯特·米尔斯（Robert Mills）就在思考相位冗余可能带来的重大意义。当人们无缘无故地摆弄想法时，物理学往往会因此取得进展，杨和米尔斯当时就做着这样的事情。他们很好奇，如果大自然根本不关心相位的话，会发生什么。也就是说，他们搞乱了相位，摆弄着方程，以便找出可能的结果。这事听起来很奇怪。但如果真让几个物理学家闲坐在办公室里，他们一定会干这种事情。现在，回到场的地形类比中，这好比走在场中，随意拨动着小时钟指针的场景。这看起来很简单——但是你不能这样做。这不是大自然的一种对称。
具体地讲，让我们回过来看看主方程的第二行，划掉所有的W、B、G项。这样我们得到了可以想象的最简单的粒子理论：粒子就在那里，从不发生相互作用。如果我们突然拨动小钟面，这方程的这一小部分肯定不会保持不变（光看方程这一点是看不到的）。杨和米尔斯知道这一点，但他们更加执着。他们问了一个很棒的问题：我们怎样才能操作这个等式，使它保持不变？答案很神奇。我们必须精确地往主方程中加入刚才删除的项，没有别的办法。这个操作魔法般地得到了传递力的媒介，刹那间，一个没有任何相互作用的理论蜕变成一个能够描述我们真实世界的理论。主方程不关心钟面（或仪表）上的值，这就是我们所说的规范对称性。然而，规范对称性限制了我们的选择：规范对称性必然导致主方程。也就是说，使世界丰富多彩的力来源于自然所遵守的规范对称性。还需要再多说一点，杨和米尔斯开创了这个局面，但他们的工作兴趣主要是数学，这个工作在粒子物理学家找到基础理论适用的粒子之前就已经完成了。正是格拉肖夫、温伯格和萨拉姆明智地接受了他们的想法，并用它来描述现实世界。
我们看到了主方程（支撑标准模型的方程）的前两行是如何写出来的。我们了解了其适用范围和内容。此外，我们也看到了它不是什么特别的，相反我们在规范对称性下不可避免地导出它。既然我们更好地理解了这个重要的方程，我们就可以回到最初引导我们的任务上来了。我们的任务是搞清楚自然法则允许质量和能量可以在多大程度上相互转化。当然，答案就在主方程中，因为它给出了规则。但是还有一种更有吸引力的方法来搞清楚这回事，同时解释粒子是如何相互作用的。这种方法涉及一种图形，它们最初是由理查德·费曼引入到物理学中的。
当两个电子相互靠近时会发生什么？两个夸克呢？中微子靠近反中微子呢？等等。这些粒子将以主方程精确规定的方式发生相互作用。两个电子因带有相同的电荷相互排斥。电子和反电子会因带相反的电荷相互吸引。这些物理知识都在主方程的前两行中，而所有的这些都可以总结为几条规则，并且这些规则可以形象地画出来。这确实是一件非常简单的事情，虽然搞清楚细节需要多些努力。我们将坚持基本规则。
再看看第二行，主方程包含两个Ψ和G的项是唯一与夸克相互作用相关的部分，该项表明两个夸克通过强力产生相互作用。主方程揭示了两个夸克场和一个胶子在时空中的一点产生相互作用。它还揭示了这是它们产生相互作用的唯一方式。因此，这一部分的主方程告诉我们夸克和胶子是如何相互作用的，一旦理论具有了规范对称性，这一切都被准确地规定好了。我们别无选择。费曼意识到所有基本相互作用本质上都是这样简单的，他为理论允许的可能相互作用绘制了图。图14展示了粒子物理学家绘制的夸克—胶子相互作用图。图中，曲线代表胶子，直线代表夸克或反夸克。图15给出了标准模型允许的其他相互作用，这些相互作用来自主方程的前两行。不要担心图中的细节问题。我们通过图想说明的是，这些相互作用可以被写出来，并且数量有限。光的粒子（光子）用符号γ表示，而W粒子和Z粒子用它们本身进行标注。六种夸克一般标记为q，中微子显示为ν（发音为nu[58]），三种带电轻子（电子、μ子和τ子）标记为l。反粒子通过在相应的符号上画一条线来表示。这样就简洁多了。粒子物理学家常把这些图称为相互作用顶角（interaction vertices）。你可以把这些顶点串起来，形成更大的图，每一个图都表示自然界中发生的过程。相反，如果一个过程不能用这样的图像刻画，那么这个过程就不会发生。
费曼的贡献不仅仅是引进费曼图。他还把从主方程导出的数学规则与顶角联系起来。合成的费曼图中，这些规则叠加起来，就能使物理学家计算出与该图对应的实际过程发生的概率。例如，两个电子相遇的问题，最简单的费曼图由图16给出，该图由两个电子—光子顶角连接而成，表示电子通过交换光子发生散射。通过该图很容易想象这一图像：两个电子从左边进入，然后交换光子发生散射，最后从右边离开。实际上，我们在这里偷偷地加入了另一条规则：只要你把粒子引进来，你可以把它翻转成一个反粒子（反之亦然）。图16就给出了另一种将顶角连接的方法，同样，它也对应电子相互作用的一种可能方式。稍微思考下就会发现有无数种可能的费曼图，代表着无数种方式的电子散射。幸运的是，某些图比其他图重要，这对我们做计算是非常有利的。判断费曼图的重要性很容易，一般说来，图越重要，顶角越少。因此，针对一对电子相互作用，图16（a）所示的费曼图是最重要的，因为它只有两个顶角。这意味着我们只需要根据费曼规则对该图展开计算，就可以很好地理解发生了什么。令人兴奋的是，在处理两个带电粒子相互作用时，从这些数学里赫然显现的物理学，正是早先法拉第和麦克斯韦发现的物理学。但是，现在我们可以宣称，我们更好地理解了这些物理的起源，因为我们从规范对称性导出了它们。除了为理解19世纪物理学提供了一种新方法，费曼规则还给我们带来了更多的东西。即使是对两个电子相互作用的问题，费曼规则的计算也能够对麦克斯韦的预测进行改进，这些小的改进，修正了麦克斯韦方程组，使得方程组所得到的数据与实验结果更加一致。因此，主方程正在开辟新的天地。这里我们只是触及了冰山一角。正如我们所强调的，标准模型描述了我们已知的粒子相互作用方式，它是关于强力、弱力和电磁力的完整理论，它甚至还成功地将其中的两个统一了起来。这个理解宇宙事物间如何相互作用的宏伟图景，只有引力没被纳入其中。
但是我们仍旧需要保持信息畅通。归纳了标准模型核心内容的费曼法则是如何规定了毁坏质量并将其转化为能量的手段呢？我们该如何使用它们来最好地利用E=mc2？首先，让我们回顾下第五章的一个重要结论——光是由无质量的粒子组成的。也就是说光子没有任何质量。现在有一幅非常有趣的图，如图17所示，一个电子和一个反电子（正电子）碰撞，湮灭并产生一个光子（为了清晰起见，我们把电子标记e-，把正电子标记为e+）。这个过程是费曼规则所允许的。我们必须重视这幅图，因为它代表着这样一种情况：碰撞前是有质量的（一个电子和一个正电子带有质量），而碰撞后质量消失了（一个光子）。这是一个质量全部毁灭的过程，所有禁锢在电子和正电子质量中的能量被释放出来了，变成了光子的能量。不过，有个问题。世间万物的反应过程必须同时遵循能量守恒定律和动量守恒定律。电子和正电子湮灭成单光子的过程不能同时满足这两个规律，是不被允许的（这不太容易看出来，我们也不去证明它）。但这个问题很容易绕过去——再加入一个光子。图18再次显示了该过程的费曼图，质量被全部毁灭，100%转化为能量，并产生两个光子。这类过程在宇宙的早期有着举足轻重的作用，那时物质和反物质相互湮灭，几乎完全抵消。今天我们看到了那场湮灭的遗迹。天文学家观察到，宇宙中每一个粒子对应着大约1000亿个光子。也就是说，对于宇宙大爆炸产生的物质粒子，每1000亿个当中，只有一个能够幸存下来。其余的会像费曼图所描绘的那样，找准机会，剥离出质量，变成光子。
现实表明，组成恒星、行星和人类的物质只是宇宙早期大规模湮灭后的小部分残留。还有东西留下来，这简直太幸运了，太奇妙了！直到今天，我们也还不知道为什么会这样。“为什么宇宙不是仅仅充满了光，而不存在其他东西？”仍然是个开放的问题，为寻找答案，世界各地的实验室都开动了起来。我们不乏聪明的想法，但到目前为止，仍没能找到决定性的实验证据，也没能证明理论是错误的。俄罗斯的安德烈·萨哈罗夫以善于提出不同意见而出名，他在这一领域取得了开创性的工作。他首先提出了一些标准，任何试图回答为什么大爆炸会遗留物质的理论都必须满足他的标准。
我们了解到了自然界毁坏物质的机制。不幸的是，这种机制在地球上并不实用，因为，我们缺少生产和储存反物质的方法。据我们所知，尚没有发现有什么地方储存着反物质的矿产可供我们开采，即使是外太空，也没有反物质颗粒。反物质作为一个理想燃料却无法被利用，因为没有可开采的矿产。反物质可以在实验室中产生，但必须首先注入大量能量。因此，尽管物质—反物质湮灭是物质转化为能量的最彻底方式，但它并不能帮助我们解决能源危机。(www.xing528.com)
那为太阳提供动力的核聚变呢？用标准模型的语言，该如何实现这样的过程？我们应该将注意力集中在W粒子的费曼图顶角上，这是关键所在。图19显示了两个质子聚变成氘核时的过程。不要忘记，质子是由三个夸克组成的：两个上夸克和一个下夸克。氘核是由一个质子和一个中子组成。其中，中子又主要由三个夸克组成，但这次是一个上夸克和两个下夸克。这张图显示了一个质子是如何转化为中子的，你会发现W粒子是关键。事实上，质子内部的一个上夸克通过发射一个W粒子变成了下夸克，从而将质子转变成了中子。从图上还可以看出，发射出来的W粒子不会停留在周围，随后它会消亡，转化为正电子和中微子[59]。在氘核形成过程中发射出的W粒子总是消亡的，现实中，没有人直接看到过W粒子，只是通过它消亡时产生的粒子追寻到了它的踪迹。经验表明，几乎所有的基本粒子都会消亡，因为对于每个粒子都会有一个令其消亡的费曼图顶角。但是也有例外，例外出现在当消亡的过程能量和动量不可能守恒时。这往往意味着最轻的粒子会存留下来。这是质子、电子和光子充斥着这个世界的原因。上下夸克是最轻的夸克，电子是最轻的带电轻子，光子没有质量，已经没有粒子可以让它们去衰变。例如，μ子与电子几乎相同，只是比电子重些。还记得吗，在谈论布鲁克海文实验时，我们遇到过它？因为μ子质量比电子大，所以μ子衰变为电子而不违反能量守恒定律。此外，如图20所示，这种情况符合费曼规则，并且动量守恒也没问题，因为一对中微子也被发射出来。因此，μ子确确实实可以衰变，它的平均寿命只有短暂的2.2微秒。顺便提一下，2.2微秒相比于大多数粒子物理过程来说是一个比较长的时间尺度了。相比于μ子，电子是最轻的标准模型轻子，通过衰变，没有什么它能转化的。因此，一个独立的电子永远不会衰变，而消灭一个电子的唯一方法是让它与它的反粒子一起湮灭。
回到氘核的问题。图19解释了如何通过两个质子的碰撞形成氘核，并且它还告诉我们，这样的每次核聚变都会产生一个反电子（正电子）和一个中微子。我们之前提到过，中微子与宇宙中其他粒子的相互作用非常微弱。因为主方程表明中微子是唯一仅凭弱力传递相互作用的粒子。因此，在太阳核心深处产生的中微子可以毫无阻拦地逃逸出来，它们流向四面八方，其中一些径直朝地球飞来。同样，地球对它们来说也是透明的，它们穿越地球，视若无物。但中微子与地球上的原子产生作用的可能性非常小，但还是有的，并且“超级神冈”实验已经探测到了它们，这一点我们之前提起过。
在目前实验的精度范围内，我们能在多大程度上确定标准模型是正确的？多年来，标准模型在世界各地的实验室中经历了严格的测试。我们不用担心科学家会袒护这个理论。事实上，那里进行测试的科学家更希望发现模型的漏洞，并试图去推翻它。抓住新物理的闪光，开启令人眩晕的新天地，展现宇宙内部运作的新观点，这才是他们的梦想。然而，时至今日，标准模型经受住了一次次的测试检验。
近来，检验标准模型的设备是欧洲核子研究中心的大型强子对撞机[60]。世界范围内的科学家在那里紧密合作，为了确认或打破这个模型理论。稍后我们会对强子对撞机进行讨论。我们先讨论下它的前身：大型电子—正电子对撞机（LEP）[61]。LEP成功地进行了目前最精密的测试。在日内瓦和几个风景如画的法国村庄下面，它蜷缩在一个长达27千米的圆形隧道内，1989到2000年间，它对标准模型进行了长达11年的探索。它用强电场朝一个方向加速电子束，同时朝反方向加速正电子束。粗略地讲，LEP加速带电粒子的过程，类似于阴极射线管（CRT）朝电视机屏幕发射电子产生画面的机制。电子从电视机的背面发射出来，这是老式电视机相当笨重的原因。然后，发射出来的电子被电场加速到屏幕上，这个过程中，磁铁使电子束弯曲并覆盖整个屏幕产生图像。
在LEP中，磁场同样被采用了，这里采用磁场是为了将粒子轨道弯成一个圆，让它们沿着隧道的弧线运动。这样做的目的是让两束粒子汇聚到一起，从而使它们迎头相碰。如前所述，电子和正电子相碰，导致两者湮灭，从而它们的质量转化为能量。这样产生的能量引起了LEP物理学的强烈兴趣，因为根据费曼规则，它可以转化为更重的粒子。在LEP运行的第一个阶段，电子和正电子的能量值被精确调整，以提高碰撞过程Z粒子的生成概率（你可能会翻阅标准模型中的费曼规则表，去确定电子-正电子湮没成Z粒子是否是允许的）。与其他粒子相比，Z粒子实际上是相当重的，它的质量近乎是质子的100倍，差不多是电子和正电子的20万倍。因此，电子和正电子必须被加速到零点几倍的光速，才能得到足够产生Z粒子的能量。当然了，仅凭囚禁在质量中并在湮灭时释放出来的能量是远远不够产生Z粒子的。
设计LEP的初衷很简单：通过电子和正电子反复的碰撞持续不断地产生Z粒子。当粒子束碰撞时，电子束中的一个电子有一定的概率与正电子束中的一个正电子发生湮灭，并产生一个Z粒子。通过快速对射粒子束，让电子—正电子湮灭，LEP运行期间已经生产了超过2000万个Z粒子。
和其他标准模型的重粒子一样，Z粒子也是不稳定的，它的存在稍纵即逝，寿命仅有短短的10-25秒。图21展示了Z粒子各种可能的产生过程，这些过程引起了1500名LEP物理学家的强烈兴趣，另外它们还吸引了全球范围内上万名物理学家，他们期待着测试结果。电子和正电子周围环绕着巨型粒子探测器，粒子物理学家利用它捕捉Z粒子衰变产生的物质并对此加以识别。如LEP使用的现代粒子物理探测器有几米宽，几米高，像一个巨大的数码相机，可以追踪穿过它的粒子。和加速器一样，它们也是现代工程的辉煌成就。在教堂般大的空间中，它们能够精确测量单个亚原子粒子的动量和能量。它们不愧是当今工程能力的巅峰，是我们探索宇宙运行规律的丰碑。
有了探测器和高性能计算机的帮助，科学家下一个目标是制订一个简单策略。他们需要对数据进行筛选，识别产生Z粒子的碰撞，然后确定每次碰撞过程中Z粒子是如何衰变的。有时它会衰变产生一对电子—正电子，有时会产生一对夸克—反夸克，或者是一对μ子—反μ子（如图21）。科学家的工作是记录标准模型预测的Z粒子每种可能机制的次数，并将结果与理论预测值进行对比。手上有了2000万个Z粒子的探测数据，他们能够对标准模型进行严格的检验，结果表明理论很完美。这个测试被称为分宽度测试，是LEP检验标准模型一种最重要的测试。此外，LEP还进行了许多其他测试，这些测试都表明标准模型理论是可行的。直到2000年LEP在被最终关闭时，它的超精确数据使得标准模型的检测精度达到了0.1%。
在离开检验标准模型这一话题之前，我们忍不住讲另一个例子，它来自完全不同的实验。电子（和许多基本粒子一样）就像微小的磁铁，一些非常精妙的实验被设计出来检测这类磁效应。这不是大型对撞机实验，没有物质和反物质的剧烈碰撞。取而代之的是一些精妙实验，能够测量到万亿分之一的磁性，精度非常惊人。这相当于用头发丝直径的精度去测量伦敦到纽约的距离。表面上看起来这不够惊艳，因为理论物理学家们也付出了辛苦的劳作。他们计算了同样的事情。像这样的计算过去只需要用笔和纸，但现在连理论学家也需要一台好电脑。
然而，理论学家从标准模型出发，带着清醒的头脑对模型的预测进行了计算，结果与实验值完美吻合。时至今日，理论和实验能够在一亿分之一量级上吻合。这是自然科学中，对理论最精准的检测。多亏了LEP和电子磁学实验，目前我们非常确信，粒子物理标准模型是正确的。这个万物理论状态良好，但是还要排除最后一个细节，一个比较大的问题。主方程的最后两行是什么？
我们刚才隐藏了一条重要信息，这对本书探索的核心问题非常重要。现在是拿出来的时候了。根据规范对称性的要求，标准模型中的所有粒子都没有质量。这是完全错的，物体拥有质量，不需要复杂的科学实验就可以证明。我们花了将近整本书来思考质量的问题，我们推导出了物理学中最著名的方程，E=mc2，它里面就有一个“m”。主方程的最后两行就是解决质量问题的。理解了方程的最后两行，有关质量的起源问题，我们将有一个解释，这本书的探索旅程也将完成。
质量问题不难说明。如果把质量直接加到主方程中，方程的规范对称性就会被破坏。规范对称性是理论的核心，从中我们推出了自然界中所有的相互作用力。糟糕的是，在20世纪70年代，理论物理学家证明，放弃规范对称性是不可取的，因为那样模型就会崩溃，变得毫无意义。到了1964年，这一僵局被三个相互独立团队打破了。来自比利时的弗朗索瓦·恩格勒特和罗伯特·布劳特，来自伦敦的杰拉尔德·古拉尔·尼克、卡尔·哈根和汤姆·基布尔与来自爱丁堡的彼得·希格斯分别发表了具有里程碑意义的论文，并最终形成了希格斯机制。
怎么来解释质量呢？我们从一个没有质量的理论开始。在这个理论中，质量根本不存在，我们也根本不会为它发明一个词。如前所述，一切都会以光速来回运动。现在，假设理论发生了一些变化，粒子运动的速度不再是光速了，它们开始分别以较慢的不同速度移动。那么，你可以说理论中发生的事情就是质量起源的原因。那个“事情”就是希格斯机制，现在是揭示它是什么的时候了。
假定你蒙着眼睛，拿着一根绳，绳端吊着一个乒乓球。猛地拽一下绳子，就会感觉到另一端有一个小质量的物体。进一步假定乒乓球不是自由移动的，而是浸在糖浆里。这种情况下，如果你猛拉绳，会遇到更多阻力，因此可以得到结论：末端的东西比乒乓球重得多。因为乒乓球被糖浆阻碍着，球表现得更重了。现在假定整个宇宙中弥漫着糖浆，糖浆无处不在，以至于我们都不知道它在那里。然而，它却是宇宙的背景，事物在其中生灭。
当然，糖浆的类比仅限于此了。这样的糖浆必须具有选择性，它阻挡夸克和轻子，但允许光子自由穿过。你可以这样进一步推进类比来匹配真实的情况。但是不要忘记，这毕竟只是一个类比。希格斯等人的文章并没有提到什么糖浆。
它们提到的是希格斯场。希格斯场与电子场一样，有一个与之对应的粒子：希格斯粒子。不过也有个很大的区别：即使周围没有希格斯粒子，希格斯场也不会是零，从这个角度看它更像是无处不在的糖浆。所有标准模型的粒子都在希格斯场的背景中移动，其中一些粒子比其他粒子受它的影响更大。主方程的最后两行呈现了这样的物理原理。其中，希格斯场由符号φ表示，第三行中包括两次与B和W（我们使用了缩写，它们隐藏在主方程第三条线的D符号中）同时出现的φ部分便是产生W粒子和Z粒子拥有质量的原因。在这个巧妙设计的理论中，光子没有质量（位于B和W中的光子在第三行抵消；同样，这都隐藏在符号D中），而且胶子场（G）始终没有出现，它也没有质量。这与实验完全一致。加入希格斯场让粒子产生了质量，同时没有破坏规范对称性。这是因为，质量是由于粒子与希格斯场相互作用而产生的。这就是整个想法的神奇之处——我们可以得到粒子的质量，而不必付出失去规范对称性的代价。因此，主方程的第四行是希格斯场赋予物质粒子质量的地方。
美中不足的是，还没有实验看到过希格斯粒子。标准模型中的其他粒子都在实验中产生了，只有希格斯粒子是整个拼图中缺失的一角。如果它真的如预言般存在，那么标准模型将再次取得胜利，它成功的列表中会添加一项：对质量起源的解释。就像所有其他粒子相互作用一样，标准模型精确地规定了希格斯粒子在实验中如何呈现自己。它唯一没有告诉我们的是希格斯粒子本身的质量，它只是预测了这种粒子的质量在一个特定范围内：介于W粒子和顶夸克的质量之间。如果希格斯粒子的质量处于这个范围较轻的一端，那么LEP就能看到它。实际上它没有被LEP看到，因此我们认为它的质量处在较重的一端，无法在LEP中产生（根据E=mc2，产生较重的粒子需要更多的能量）。在写作本书的时，位于芝加哥附近的费米国家加速器实验室（费米实验室）的兆电子伏特加速器（Tevatron[62]）正在寻找着希格斯粒子。但是，迄今为止它仍毫无收获。尽管Tevatron举足轻重，但很有可能，它也没有提供足够的运行能量从而传递出清晰的希格斯信号。LHC是迄今为止建造的运行能量最大的加速器。它的运行能量远超过标准模型对希格斯粒子设定的上限的能量，因此，它确实应该一劳永逸地解决希格斯粒子存在的问题。也就是说，LHC要么确认标准模型，要么打破标准模型。我们马上回来，解释为什么我们那么确信LHC会完成早期对撞机无法完成的任务。回来之前，我们先要解释LHC是如何制造希格斯粒子的。
LHC建在LEP的隧道中，隧道长27千米。然而，除了共用一个隧道外，其他一切都不一样。现在，一个全新的加速器占据了曾经LEP的空间。它能够在隧道中朝相反的方向加速质子，使其能量超过其质能的7000倍。以这样的能量粉碎质子，能将粒子物理推进到一个新时代。如果标准模型是正确的，就会有大量的希格斯粒子产生。质子是由夸克组成的，如果我们想弄清楚LHC中会发生什么，我们需要搞清楚相关的费曼图。
图22显示了重要的常规标准模型粒子和希格斯粒子之间的相互作用顶角，它显示了希格斯粒子与最重的夸克，顶夸克（标记为t）和与它重量相当的W粒子或Z粒子的相互作用，其中希格斯粒子由虚线表示。负责质量起源的粒子更倾向于与周围质量最大的粒子相互作用。考虑到质子提供的夸克源，下面要做的是确定如何将希格斯顶角嵌入到一个更大的费曼图中。这样我们就能搞清楚如何在LHC上制造出希格斯粒子。由于夸克与W（或Z）粒子存在相互作用，因此不难确定希格斯粒子是如何通过W（或Z）粒子产生。如图23所示，碰撞质子（标记为“p”）的一个夸克发出一个W（或Z）粒子，这些粒子结合在一起形成希格斯粒子。这一过程被称为弱玻色子聚变，这是LHC中的一个关键过程。
顶夸克的产生机制问题有点难解决。因为质子内部不存在顶夸克，所以需要找到一种把（上或下）轻夸克转换到顶夸克的方法。顶夸克通过强力与轻夸克相互作用，也就是说，它们通过发射和吸收胶子来传递相互作用。如图24所示，图中的过程与弱玻色子聚变过程非常相似，只是胶子取代了W粒子或Z粒子。由于这一过程是通过强力进行的，所以它最有可能在LHC中产生希格斯粒子。这种方式被称为胶子聚变。
这就是希格斯机制，它是目前被广泛接受的质量起源理论。如果一切按计划进行的话，LHC将会证明有关质量起源的标准模型，或者否定它。因此，未来的几年对物理学家来说是激动人心的几年。我们一流的自然科学处在这样一种状况，它拥有可以准确预测实验结果的理论，因此可以根据自然结果判断自身的好坏。但是如果标准模型是错误的呢？难道不能发生一些完全不同的、令人意想不到的事情吗？也许标准模型因缺少希格斯粒子而变得不够完美。这些情况都是可能的。因此，LHC必然将揭示一些新的东西，这令粒子物理学家无比兴奋。LHC肯定可以看到新东西，因为在它的运行能量范围内，除去希格斯粒子的标准模型是没有意义的，它的预测也是支离破碎的。LHC是第一台踏入这个未知领域的离子加速器。更具体一点说，如果我们把希格斯粒子部分剔除于主方程，对于两个W粒子以超过质子质能1000倍的能量碰撞，我们不能计算出会发生什么，而这样的碰撞正是LHC中的碰撞。相反，加上希格斯粒子部分这个问题就可以计算了。但是这不是唯一的选择，还有其他方法可以处理W粒子散射的过程。无论大自然选择哪种方式，LHC测量到的东西必然包含着我们从未遇到过的物理规则，这一点是肯定的。对于科学家来说，在确保能得到有趣的结果的情况下进行试验是极其少见的，这也正是LHC多年来最受期待的原因[63]。
[51]人体将食物中的生物质能转化成人体的化学能。
[52]国际音标：/psai/。中文读音：普西。
[53]中文读音：斐。
[54]指夸克作为记号。
[55]他在命名核子时，先有的是声音，而没有拼法，不久之后，在偶尔翻阅詹姆斯·乔伊斯所著的《芬尼根守灵夜》时，才定名为“夸克”。
[56]容量单位，在英国和加拿大等于2品脱或约1.14升，在美国等于0.946升。
[57]本章的开始讲述了戴维的一则公开演讲，支持现有物理理论是冰山一角的观点。
[58]中文注音：拗。
[59]严格地说，它是一个电子中微子，因为其伴随着反电子一起产生。（原书注）
[60]大型强子对撞机（Large Hadron Collider，LHC），坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米，总长17英里（含环形隧道）的隧道内。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。
[61]大型电子—正电子对撞机（Large Electron-Positron Collider，LEP）是欧洲核子研究中心的粒子加速器之一，1989年开始营运，位于瑞士和法国的边界。大型正负电子对撞机的周长达27千米，专门加速电子和正电子。
[62]兆电子伏特加速器（Tevatron），它将质子与反质子在一个6.3千米的环中加速，使其能量达到1TeV=1012eV。
[63]本书第一版出版于2009年，当时有关希格斯粒子的实验探测正如火如荼地进行着。实际上2012年7月4日，欧洲核子研究中心粒子物理实验室发现了希格斯玻色子，并且，随后弗朗索瓦·恩格勒特（François Englert）和彼得·W. 希格斯（Peter W. Higgs）也因解释粒子如何获得质量的理论而共同获得2013年诺贝尔物理学奖。因此，本章最后作者的问题也有了部分答案。然而，值得注意的是，有关标准模型的实验论证，也出现了偏离理论的结果。
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