有趣的自发对称破缺和希格斯机制

某一天早晨，锁链终将会打破。

艾瑞莎·富兰克林（Aretha Franklin）

警察可不会看到保时捷的风驰电掣

更严格的限速法令使得远距离开车成了艾克的噩梦，他多么渴望能够随心所欲地放开速度飞驰啊，可是几乎大约每跑不到一公里他就会被警察逮到。对那些常见的、大众化的车，警察是从不愿费心去管的，他们只会骚扰像他这种开着鲜亮的、涡轮发动机车的人。

为了表示顺从，艾克只开很短的距离，因为这样，他就可以完全避开警察了。在离他出发点方圆不到一公里的区域内，警察从不干涉，而他就能肆意地开快了。尽管出了他周围的社区，没人见识过保时捷的风驰电掣，但在他家周围，那可是有目共睹的。对称非常重要，但宇宙通常并不能呈现完美的对称，稍微有点不完美的对称使世界变得更为有趣（且更有条理）。对我来说，物理研究最有趣的一面就是寻找一些联系，让对称在一个不对称的世界里变得有意义起来。

当对称并不完美时，物理学家称其为对称破缺。尽管对称破缺常常很有趣，但从审美角度来看，它可能不那么吸引人。它可能会损失（或降低）系统或理论潜在的美感。泰姬陵虽那么讲究对称，但它的对称也并非绝对完美：原计划在对面要再建造一座陵墓，以保持一个完美的四面旋转对称，但建造者的后人因为节俭还是放弃了这一计划，而是在原来的基础上加了一个偏离中心的陵墓，这就稍稍损失了其本来应有的美感。但幸运的是，对于颇具审美情趣的物理学家来说，对称破缺甚至比绝对的对称还要完美和有趣。绝对对称往往是枯燥的，如果蒙娜丽莎展现的是一个对称的微笑，那肯定不会有现在的艺术效果。

对称破缺

当对称并不完美时，物理学家称其为对称破缺。对于颇具审美情趣的物理学家来说，对称破缺甚至比绝对的对称还要完美和有趣。尽管物理学家非常看重和崇尚对称，我们仍不得不在对称的理论和不对称的世界间寻找一种联系。

在物理学中，就如在艺术中一样，简洁并不一定是终极目标。现实生活和世界很少是完美的，你能说出的所有对称几乎都是破缺的。尽管物理学家非常看重和崇尚对称，我们仍不得不在对称的理论和不对称的世界间寻找一种联系。虽然最好的理论崇尚对称理论的典雅，但同时也会兼容必要的对称破缺，以作出符合我们现实世界的预言。我们的目的是让理论更为丰富，有时甚至是更为完美，而不致损害其原本的优雅。希格斯机制的概念，就是这样一个成熟的、优雅的理论观点，它所依赖的现象正是自发对称破缺（这是我们下节讨论的内容）。苏格兰物理学家彼得·希格斯提出的这一机制，使标准模型的粒子——夸克、轻子和弱规范玻色子获得了质量。

如果没有希格斯机制，则所有的基本粒子都不能具有质量；而粒子具有质量的标准模型，如果没有希格斯机制，在高能领域就会作出不合情理的预言。希格斯机制的神奇之处就在于，它既然让你得到了蛋糕，就可以让你享用它：粒子获得了质量，但在高能情况下，当有质量的粒子遇到问题时，它们的表现又像是没有质量一样。我们会看到，希格斯机制既允许粒子具有质量，又使它们能够在有限的范围内自由行驶，就像艾克的车一样，驶出不到一公里他会被警察拦住，但在有限的距离内，他可以自由驰骋。这就解决了高能问题。

尽管希格斯机制是量子力学最完善的观点之一，给出了所有基本粒子质量的基础，但它还是有点抽象。由于这一原因，除了专家，大多数人对它并不了解。但即使不明白希格斯机制的细节，也不会影响你理解我后面讨论的观点（如果你愿意，可以跳到后面的“探索大揭秘”部分），但本章确实给我们深入理解粒子物理学和支撑当今粒子物理学理论发展的思想（如自发对称破缺）提供了一个机会。

作为一个额外收获，对希格斯机制的更多了解还会让你知道一个关于电磁场的神奇见解，这是在20世纪60年代，人们正确理解了弱力和希格斯机制后才发现的。以后，当我们探索额外维度模型时，对于希格斯机制的理解会让那些新近观点的潜在优势变得有意义起来。

没有永远的对称

在描述希格斯机制之前，我们首先要看一下自发对称破缺，这是一种特殊的对称破缺，也是希格斯机制的核心。自发对称破缺在宇宙中许多我们已知的属性里发挥了重要作用，且在我们即将探索的所有事情中都可能发挥作用。自发对称破缺不仅在物理中比比皆是，而且在我们日常生活中也普遍存在。自发对称破缺是物理定律仍旧维持的对称，但现实世界的事物排列却做不到这样。当一个系统不能维持它本应呈现的对称时，就会出现自发对称破缺。或许最好的解释方法还是举几个例子。

首先设想一张圆形餐桌，桌边围坐了几个人，桌上的杯子都摆在两人中间。那么，人们该用哪个杯子呢？是右边的，还是左边的？这不好说。按礼仪，我该用右边的。但礼仪规范也是随意确定的，实际上左边和右边的杯子作用都一样。

可是，一旦有人选择了杯子，对称就被打破了。选择的契机并不一定是系统的组成部分，在这个例子中，它是其他因素——口渴。但如果一个人自动选择了用左边的杯子喝水，那么，旁边的人也会用左边的，结果是，桌上的所有人都用左边的杯子喝水。

在有人拿起杯子之前，一直存在着对称，但直到那一刻，对称便被自动打破了。没有哪条物理定律规定你必须选择左还是右，但你必须作出选择。此后，左右便不再相同，因为对称不复存在，你也不能再将两个杯子交换。

再看另一个例子，一支铅笔立在一个圆的中心。有那么短暂的一刻，它垂直地立着，这时所有的方向对它都是相同的，存在着一种旋转对称。但铅笔不会总这么立着：它肯定会自动倒向某个方向，一旦铅笔倒下，原来的旋转对称就会被打破。

请注意，决定倾倒方向的并非物理定律本身。无论铅笔倒向何方，决定铅笔倒向的物理定律都是一样的。打破对称的是铅笔，是系统的状态。铅笔不可能同时倒向所有方向，它肯定会选择某个方向倒下。

一座墙如果无限高、无限长，那么沿着它的任一方向看，它应该处处都是一样的。但是，实际的墙总会有边界，只有离它很近，且边界超出了你的视野时，你看到的墙才是对称的。墙的终点会告诉你，墙并非处处相同。但是，如果你愿意靠近它，只看到很小的范围，那么这对称似乎就能维持。或许你愿意简要地思考一下这个例子，它说明：虽然从一个距离尺度来看，对称产生了破缺，但在另一距离尺度，对称仍然保持——这一概念的意义很快将显现出来。

世界上，你能想出的所有对称几乎都不能维持。例如，一个空的空间会呈现出多种对称，如旋转对称或平移守恒，这意味着所有的方向和位置都是相同的。但实际上空间却不是空的：里面充斥着各种各样的结构，如恒星和太阳系，它们都占据一定的位置并向特定的方向运动，这就不再维持原有的潜在对称。它们会出现在任何地方，可又不能出现在所有地方。潜在对称肯定会被打破，尽管在描述世界的物理定律中它们仍旧很清晰。

与弱力相关的对称也会出现自发破缺。我将在本章的其余部分解释我们是怎样知道这一点的，并讨论它的一些作用。我们会看到，弱力的自发对称破缺是解释粒子质量的唯一方法，同时又避免了其他任何候选理论所不能避免的有关高能粒子的错误预言。希格斯机制既承认要满足与弱力相关的内部对称，又允许它在必要的时候产生破缺。

弱力谜题

弱力有一种奇特的属性。电磁力能够穿越很远的距离——每次打开收音机时，你便能体会到这一点——而弱力却不同，它只在极近的距离范围内对物质产生作用。两个粒子的距离只有在一亿亿分之一厘米的范围之内，才会通过弱力相互影响。对于早期研究量子场论和QED的物理学家来说，这一有限的范围是一个谜。QED指出，力似乎都应和人们已熟知的电磁力一样，可以传到离荷源任意远的距离，但为什么弱力不能在任意距离的粒子间传递，而只传递给那些附近的粒子？

结合了量子力学原理与狭义相对论原理的量子场论规定，如果低能粒子只在短距离内传递力，那么它们必须具有质量；且粒子越重，粒子的作用范围则越小。正如第6章所讲述的，这是不确定性原理与狭义相对论的结果。不确定性原理告诉我们，需要高动量粒子来探索或影响小距离的物理过程；而狭义相对论则将动量与质量联系起来。尽管这一陈述只是讲了其性质，但量子场论却给出了这一关系的精确值。它告诉我们一个有质量的粒子会行驶多远：质量越小，行程越远。

因此，根据量子场论，弱力的微小作用范围只意味着一件事：传递弱力的规范玻色子质量一定非零。但是，前几章里我所描述的力的理论只适用于像光子等规范玻色子，它们能在远距离上传递力，并且质量为零。根据最初有关力的理论，非零质量的存在就很奇怪，而且出现了问题——当规范玻色子有质量时，理论作出的高能预言是无意义的。例如，理论预言：能量极大、有质量的规范玻色子的相互作用会过于强大——事实上，这些粒子的相互作用频率会超过100%。这一天真的理论显然是错误的。

而且，弱规范玻色子、夸克和轻子（所有这些，我们都知道是非零质量）的质量不能够维持内部对称，而内部对称，正如我们在上一章看到的，是力的理论的一个关键因素。物理学家想要构筑一个包含质量粒子的理论，显然需要一个新的观点。

物理学家证实，要使一个理论避免作出有关高能的、有质量的规范玻色子的无意义预言，唯一的办法是通过希格斯机制的程序使弱力对称自发破缺，以下就是解释。

你可能还记得，在上一章里，我们想以包含内部对称来排除规范玻色子的虚假极化的一个原因就是：没有这一对称，理论会作出同样的不合情理的预言。最简单的没有对称的理论会预言：高能的规范玻色子，无论有无质量，与其他规范玻色子的作用要频繁得多。

通过禁止导致不正确预言且在自然界中不存在的极化，力的理论成功地排除了高能粒子的不良表现。虚假极化是关于高能散射问题预言的根源，因此，对称只允许保留那些实际存在并符合对称的物理极化。对称既排除了理论不存在的极化，又排除了它可能导致的不正确预言。

可能当时我并未明确说明，但所述观点只对无质量规范玻色子有效。与光子不同，规范玻色子是非零质量的，弱规范玻色子的速度没有光速快，这就给工作迎头一击。

无质量的规范玻色子在自然界中只有两种极化，而有质量的规范玻色子却有三种极化方向。有一种方法可以帮助理解这一差别：无质量规范玻色子总是以光速行驶，这就告诉我们，它们永远不会静止，因此它们总能明显表现出其运动方向，你也总能将垂直极化与其他的沿其运动方向的极化区分开来，结果就是，无质量规范玻色子只存在两个垂直方向上的极化。

而有质量的规范玻色子就不同了。就如我们熟悉的所有物体一样，它们可以静止下来。但当有质量规范玻色子不运动的时候，我们就无从辨别它的运动方向。对一个静止的、有质量的规范玻色子，所有三个方向都是相同的，而如果三个方向相同，那么所有三个可能的极化方向在自然界中都将存在，而它们也确实存在。

尽管你可能觉得上面的逻辑很神秘、难以理解，但请放心，实验者们已经观察到了第三种极化的效应，并证实了它的存在。第三种极化叫作纵向极化。当一个有质量的规范玻色子运动时，纵向极化就是沿其运动方向的波的振动，例如声波的振动方向就是如此。

这种极化不存在于像光子等无质量的规范玻色子中，但是，第三种极化却是像弱规范玻色子等有质量规范玻色子的一种真实的自然属性。因此，第三极化必须成为弱规范玻色子理论的一个组成部分。

因为第三种极化是弱规范玻色子在高能下作用频率明显超高的根源，因此，它的存在就带来了矛盾。我们已经知道，要消除不良高能表现需要一个对称，但这一对称在排除不正确预言的同时，也排除了第三种极化；而这一极化对有质量规范玻色子和对描述它的理论都是必不可少的。尽管内部对称会排除高能表现的错误预言，但其代价却是高昂的：这一对称还摒弃了质量！就如给孩子洗完澡后，将洗澡水连同孩子一起倒掉了。

乍看起来，障碍似乎不可逾越，因为有质量规范玻色子理论的要求似乎完全是自相矛盾的：一方面，上一章描述的内部对称不应保持，否则有三个极化方向的有质量规范玻色子就会被禁止；另一方面，如果没有内部对称来排除另一极化方向，当规范玻色子具有高能量时，力的理论会作出不正确的预言。如果我们希望排除不良的高能表现，还是需要一个对称来排除单个有质量规范玻色子的第三种极化。

解决这一明显矛盾并找到描述有质量规范玻色子的正确量子场论的关键是，要找到高能和低能的有质量规范玻色子的差别。在没有内部对称的理论里，似乎只有关于高能规范玻色子的预言才会出现问题，关于低能有质量规范玻色子的预言还是符合情理（且正确）的。

这两个事实结合在一起就暗含了一个深刻的意义：要避免有问题的高能预言，内部对称是必须的——上一章的内容仍然适用。但如果有质量规范玻色子的能量很低（相比爱因斯坦方程E=mc2与质量相关的能量），则不应再保持对称，对称应被排除。这样，规范玻色子就能具有质量，第三种极化也可以参与低能量的相互作用，而质量使得作用有所不同。

1964年，彼得·希格斯等人发现了力的理论是如何通过我们刚才讲述的方式来兼容有质量的规范玻色子的：高能时保留对称；低能时排除对称。

希格斯机制依赖的基础是自发对称破缺，它打破了弱相互作用的内部对称，但这只是在低能的时候。这就保证了另一种极化在低能时会出现，这也是理论所需要的。但另一种极化不会参与高能过程，因此也就不会出现不合情理的高能相互作用。

现在，我们就来探讨体现希格斯机制弱力对称自发破缺的模型。有了希格斯机制的这一典型例子，我们会看到标准模型的基本粒子是怎样获得质量的。

希格斯场，上帝粒子的源泉

希格斯机制

希格斯机制包含了一个物理学家称为希格斯场的场。希格斯场就是希格斯粒子的源泉。

希格斯机制包含了一个物理学家称为希格斯场的场。正如我们看到的，量子场论的场能在空间任何位置产生粒子，每一种场都会产生它自己特定类型的粒子，如电子场是电子的源泉；同样，希格斯场就是希格斯粒子的源泉。

就如重夸克和轻子一样，希格斯粒子也很重，因而在通常物质里找不到它们。但不同于重夸克和轻子的是，即便在高能加速器的实验里，也没人见到希格斯场产生过希格斯粒子。这并不意味着希格斯粒子不存在，而只是因为希格斯粒子太重，迄今为止，我们实验能探索的能量还不足以将它们生产出来。物理学家预计，如果希格斯粒子存在，在几年的时间里，当LHC开始运行时，我们就能生成它们。

但我们仍然确信希格斯机制对我们的世界是有用的，因为，这是已知的使标准模型粒子具有质量的唯一方法，它也是前几节所提到问题的唯一解决办法。不幸的是，因为还没有人发现希格斯粒子，我们仍不能确切地知道希格斯场究竟是怎样的。

希格斯粒子的性质是粒子物理学中最热门的极具争议性的话题。在这一节里，我将给出几个最简单的模型——包含不同粒子和力的可能理论——它们展示了希格斯机制是如何发挥作用的。无论真正的希格斯场论最终会怎样，它都要遵循希格斯机制——自发地打破弱力对称，给基本粒子以质量。下面这一模型就给出了一种方式。

在这一模型里，有一对场同时经受弱力。这在以后会非常有用，我们要考虑两个希格斯场，因为携带弱荷，它们必须受弱力支配。希格斯机制的术语并不很严格，“希格斯”有时同时指两个场，有时指单个场（有时还指我们渴望找到的希格斯粒子）。这里，我会将这些可能区分开来，用希格斯1和希格斯2来代指单个的场。

希格斯1和希格斯2都有可能生成粒子，但即使没有粒子存在，它们也可能取非零值。到现在为止，我们还没有在量子场里遇到这样的非零值。迄今为止，除了电磁场以外，我们只探讨过会产生和销毁粒子的量子场，可没有粒子时，它们的值是零。但是，就如经典电磁场一样，量子场也可以是非零值。根据希格斯机制，其中的一个希格斯场会采取非零值，这一非零值就是粒子质量的根本来源。

当一个场取非零值时，理解它的最好办法是将它想象成一个空间——呈现了场所带的电荷，却不包含任何实际粒子。你应该想到场所携带的电荷是无处不在的，因为场本身就是一个抽象的物体，而这一概念就更为抽象。但当场取非零值时，其结果却是具体的：现实世界中就存在着非零值的场所携带的电荷。

尤其是，一个非零的希格斯场产生的弱荷贯穿于整个宇宙，这就好像是一个携带弱荷的非零希格斯场将弱荷涂满了整个空间。希格斯场的非零值意味着，即便不存在任何粒子，希格斯1（或希格斯2）所携带的弱荷仍将无处不在。当其中一个希格斯场取非零值时，真空（没有粒子存在的空间状态）本身也携带弱荷。

就如会与所有其他弱荷作用一样，弱规范玻色子也会与真空里的这些弱荷相互作用。而弥漫于真空的这些弱荷会妨碍规范玻色子在远距离上传递力，它们想穿越的距离越远，所遭遇的“喷涂”就越多（因为弱荷实际上是在三维空间弥漫，或许将它想象成是一场大雾更为恰当）。

希格斯场所发挥的作用就像是篇首故事里的交警，它将弱力的作用限制在很短距离之内。如果试图将弱力传递给远处的粒子，传递弱力的规范玻色子必然要遭遇希格斯场，它会挡住它们的去路，并将它们困住。就像艾克一样，他只能在方圆不到一公里的范围内自由行驶，弱规范玻色子也只能在很小的范围内无阻碍地行动，这一范围大约只有一亿亿分之一厘米。弱规范玻色子和艾克一样，都是在小范围内可以任意驰骋，到了远距离就会受到阻碍。

真空的弱荷分布非常稀薄，因此，在近距离内非零希格斯场及相关弱荷的踪迹也比较罕见。夸克、轻子和弱规范玻色子在近距离内就可以自由地行驶，就好像真空里不存在弱荷一样。因此，弱规范玻色子能在短距离内传递力，似乎两个希格斯场的值都是零。

但在远距离上，粒子行驶得较远，遭遇得弱荷越多。究竟遭遇多少，要看弱荷的密度，而弱荷密度又依赖于非零希格斯场的值。远距离行驶（及弱力的传递）可由不得低能弱规范玻色子自己选择，真空的弱荷会拦住它长途旅行的去路。

关于弱规范玻色子，这正是我们需要弄明白的。量子场论指出，能在近距离内自由行驶却极少会行驶到远距离的粒子，它的质量非零。弱规范玻色子受阻的行程告诉我们，它们的表现就像是具有质量，因为有质量的规范玻色子不会行驶得很远。弥漫于空间的弱荷妨碍了弱规范玻色子的行驶，使得它们的表现恰好与实验相符。

弱荷在真空里的密度大致符合间距为一亿亿分之一厘米。在这一密度里，弱规范玻色子（带电的W及中性的Z）的质量测量值大约是100 GeV。

希格斯机制的成就远不止于此，它还解释了夸克和轻子的质量。夸克和轻子是标准模型里构成物质的基本粒子，它们获得质量的方式与弱规范玻色子非常相似。夸克和轻子与密布于空间的希格斯场互相作用，因此也受到了宇宙中弱荷的阻挡。与弱规范玻色子一样，因为夸克和轻子被时空中到处弥漫的希格斯弱荷弹回，从而获得了质量。如果没有希格斯场，这些粒子的质量也会是零，但非零的希格斯场和真空的弱荷再一次干涉了运动，使粒子具有了质量。希格斯机制对夸克和轻子获得质量也是必要的。

可能你会觉得，以希格斯机制来解释质量的来源太过牵强，但根据量子场论，这是规范玻色子获得质量的唯一合理方式。希格斯机制的魅力在于，它既赋予了弱规范玻色子质量，又恰巧完成了本章一开始我所提出的任务：有了希格斯机制，弱力对称似乎就能既在短距离内（根据量子力学和狭义相对论，这就等于高能量）保持，又在远距离上（等于低能量）破缺。它自发地打破了弱力对称，而这一自发破缺正是解决规范玻色子质量问题的根源。下一节，我将解释这一更高深的话题（如果愿意，你尽可以跳到下一章）。

弱力对称的自发破缺

我们已经看到，与弱力相关的内部对称变换能够对调弱力作用下的所有东西，因为对称变换会作用于所有与弱规范玻色子相互作用的东西。因此，与弱力相关的内部对称必然也作用于希格斯1和希格斯2场或它们将产生的希格斯1和希格斯2粒子，把它们都同等看待，就如对待同样经受弱力的上夸克和下夸克一样，把它们看作可交换的粒子。

如果两个希格斯场的值都是零，它们就会是同等的、可以交换的，这就完全保持了与弱力相关的对称。但当其中的一个希格斯场取非零值时，希格斯场便自动打破了弱力对称。如果一个场为零而另一场非零，那么希格斯1和希格斯2赖以交换的弱电对称就会被打破。

就如第一个选择了左边或右边杯子的人打破了圆桌上的左右对称一样，一个希格斯场取非零值，就打破了将两个希格斯场对调的弱力对称。对称的打破是自发的，因为打破它的是真空——系统的实际状态，在这一例里是非零值的场。但物理定律没有改变，它仍保持对称。

我们来看一幅图，这有助于理解一个非零的场如何打破弱力对称。图10-1是有两个轴的图，分别标以x和y。两个希格斯场等价，就像两个没有点的坐标轴的等价一样。如果将图旋转，使两轴变换位置，图看上去还是同样的。这是通常的旋转对称的结果。

图10-1　两个轴的坐标图。当选取一点x=0，y=0时，旋转对称仍旧保持；但如果选取的点是x=5，y=0时，旋转对称则被打破。

请注意，如果我在x=0，y=0的位置标一个点，这一旋转对称仍能完全保持。但如果标一个非零坐标值的点，如x=5，y=0，则不再保持旋转对称。两个坐标轴不再对等，因为这一点的x值，而非y值，不等于零。

希格斯机制自发打破弱力对称的方式与此类似。如果两个希格斯场都是零，则保持对称；如果一个是零，而另一个非零，弱力对称则自发破缺。

弱规范玻色子的质量说明了弱力对称发生自发破缺的精确能量。那个能量是250 GeV，即弱力能标，非常接近弱规范玻色子W-、W+和Z的质量。当粒子的能量大于250 GeV时，发生的相互作用就好像对称仍旧保持；但当能量小于250 GeV时，则对称被打破，弱规范玻色子的行为就像有了质量。有了非零希格斯场的正确值，弱力对称就在那个能量被打破，而弱规范玻色子则正好获得正确的质量。

作用于弱规范玻色子的对称变换同样也作用于夸克和轻子，而夸克和轻子没有质量，那么这些变换就会使事物保持原状。这意味着弱力对称只有在夸克和轻子没有质量时才会保持。因为弱力对称在高能量时是必不可少的；而对称的自发破缺，不仅弱规范玻色子获得质量需要，夸克和轻子要获得质量，对称破缺也是必需的。希格斯机制是标准模型的所有这些基本粒子获得质量的唯一途径。

希格斯机制的作用在于保证了所有将它包含在内的理论，既使弱规范玻色子（以及夸克和轻子）具有质量，也能对高能表现作出正确预言。具体来说就是，对高能弱规范玻色子（能量超过250 GeV的那些）似乎保持了对称，因此不会作出不正确的预言。在高能量时，与弱力相关的内部对称仍旧滤除了可能引起过高作用频率的弱规范玻色子的问题极化，但在低能量上，质量对产生弱力的小距离相互作用是必不可少的，因而弱力对称就被打破了。

这就是希格斯机制非常重要的原因，所有赋予这些质量的其他理论都没有这种性质。其他方法要么在低能出现错误，得到错误的质量；要么在高能出现错误，作出错误的相互作用预言。

意外收获：电磁力为何如此特别

标准模型还有一个更为成功的特点我没有解释，尽管随后的几章都离不开希格斯场，但与希格斯机制的这一独特方面却并无联系，可因为它是那么的神奇和出人意料，所以还是值得一提。

希格斯机制不仅仅给我们解释了弱力，令人吃惊的是，它还给出了一个新的见解，让我们知道电磁力为什么特别。20世纪60年代以前，没人会想到电磁场还有新的东西需要学习，因为一个世纪前，人们就把它彻底领会了。但到了60年代，由格拉肖、温伯格和萨拉姆提出的弱电统一理论显示，当宇宙在高温、高能之下开始它的演变时，有三种弱规范玻色子，还有一个有着不同作用强度的独立的中性玻色子，而如今无处不在的重要的光子那时却不在此之列。弱电统一理论的作者从数学和物理两方面的线索都推导了这四种弱规范玻色子的性质，在此，我不再细述。

令人瞩目的是，光子原来没什么特别的。事实上，现在我们谈论的光子是原来四个规范玻色子中的两个混合的产物。之所以将光子单列出来，是因为它是参与弱电统一作用的唯一规范玻色子，弱电统一作用对真空的弱荷无动于衷。光子最为独特的特征就是，它会不受羁绊地自由穿越充满弱荷的真空，因此也就没有质量。

与W子和Z子不同，光子的行驶不会受到希格斯场非零值的阻挡。这是因为，尽管真空带有弱荷，却不带电荷。光子传递的是电磁力，它只与带电物体相互作用，因此，光子能在很大的范围内传递力，而不会受到真空的干涉。由此，光子就成了唯一无质量的规范玻色子，即便在非零的希格斯场里也能保持无质量。

这一情形非常类似于艾克所必须遵守的速度限令（虽然无可否认比喻的这部分有点牵强）。限速令让那些普通的车自由驰骋，而不惩罚它们。光子就像普通的“中性车”一样，总能不受约束地自由穿行。

谁会想到这个？多年来，物理学家以为他们完全了解了光子，然而其来源却只有由一个更为复杂的、融合了弱力和电磁力的统一的新理论才能作出解释。这一理论通常被称作弱电统一理论，其相关的对称是弱电对称。

弱电统一理论和希格斯机制是粒子物理的主要成就，弱规范玻色子的质量及光子的意义都在这一框架内得到了完美的解释。更为重要的是，它让我们理解了夸克和轻子质量的来源。刚才我们遇到的这些概念虽然非常抽象，却能完美地解释宇宙的许多特征。

两难境地

希格斯机制非常有效，它赋予夸克、轻子和弱规范玻色子质量，却又不会作出荒谬的高能预言，而且还解释了光子的根源。然而，希格斯粒子还有一个根本属性，物理学家至今未能完全理解。

弱电对称必须在250 GeV的能量上被打破，才能使粒子获得质量。实验显示，能量超过250 GeV的粒子似乎没有质量；而能量低于250 GeV的粒子好像有质量。但只有当希格斯粒子（有时也称作希格斯玻色子）本身也是这一质量时（再次说明，使用E=mc2进行转换），弱电对称才会在250 GeV的能量上破缺。如果希格斯粒子质量过大，弱电统一理论就不会有效。如果希格斯粒子质量更大，对称破缺就会发生在更高的能量，而且弱规范玻色子也会更重——这便与实验结果产生了矛盾。

但是，希格斯粒子过轻也会带来重大的理论问题，我会在第12章解释原因。由量子力学得出的计算表明，希格斯粒子会很重，但物理学家还弄不明白为什么希格斯粒子的质量反而会这么小。这个矛盾非常关键，它会激发出新的粒子物理学观点和后面我们将探讨的额外维度模型。

即便不了解希格斯粒子的确切性质以及它为什么这么轻，但其对质量的要求告诉我们，在瑞士CERN投入运行的LHC，一定会发现一个或多个关键的新粒子。无论是什么让弱电对称破缺，但它一定具备大约弱力级的质量。我们期待LHC会发现它究竟是什么，如果真能如愿，这一至关重要的发现会大大增进我们对于物质基本结构的了解。它还可以告诉我们，所有解释希格斯粒子的假说（如果有的话），究竟哪个才是正确的。

但是，在我们研究这些假说之前，我们先要看标准模型的一个可能，它的提出纯粹是出于对一个简洁的自然的兴趣。下一章，我们将探讨虚粒子、力对距离的依赖以及一个引人入胜的话题：大统一理论。

●尽管对称对高能粒子的正确预言意义重大，但夸克、轻子和弱规范玻色子的质量却告诉我们，弱力对称必须被打破。

●因为我们仍需要防备错误预言，因此弱力对称在高能时还必须保持。所以只有在低能时，弱力对称才被打破。

●当所有物理定律保持对称，而实际的物理系统并不保持时，就产生了自发对称破缺。高能时保持、低能时打破的对称就是自发破缺的对称，弱力对称就是自发破缺的。

●弱力对称自发破缺的过程叫作希格斯机制。要打破这一对称，必须要有一个能量大约是250 GeV的带质量粒子（记住，狭义相对论通过E=mc2将能量与质量联系起来）。