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这个谜题的解答是，W玻色子会出手相救。在一段极短时间内，对撞中的一个质子可以将其包含的一个上夸克变成下夸克[237]，见图11.2所示的分枝规则。现在，由于新形成的中子不带电荷，它和剩下的质子可以非常靠近。用量子场论的语言来说，这意味着不会发生能将质子和中子推开的光子交换。质子和中子摆脱了电磁斥力，可以融合（由于强相互作用）形成一个氘核[238]，而这就能加速氦的形成，让恒星释放为生命提供希望的能量。这个过程展示在图11.3中；图中也表明，W玻色子并不会存续很长时间，而是分枝成一个正电子核和一个中微子——这正是那些大量穿过你身体的中微子的来源。爱丁顿为太阳的动力来自聚变所做的好战辩护，尽管最后被证明是对的，但他当时对谜题的解法一无所知。最重要的W玻色子及其伙伴Z玻色子，最终于1980年代才在CERN被发现。
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在结束对标准模型的简短勘察之前，我们再讨论一下强相互作用。在它的分枝规则中，只有夸克才能分枝成胶子。事实上，夸克发生这种分枝要比发生其他分枝的可能性大得多。发射胶子的这种秉性，是强相互作用名称的由来（胶子分枝的概率更大，是因为这种相互作用的强度也更大），也是胶子分枝能战胜电磁排斥力的原因，否则电磁排斥力就会使得带正电的质子炸开来。幸运的是，强相互作用范围不大。胶子在再次分枝之前，往往不能运动超过1飞米（10－15m）远。质子可以穿行宇宙，而胶子的影响却如此短程的原因是，胶子也可以分枝成其他胶子，如图11.2中的最后两张图所示。胶子的这一能力使得强相互作用与电磁相互作用截然不同，并且有效地将强相互作用限制在原子核的内部。光子没有这样的自分枝，实在是福星高照，如果流向你的光子会被经过你视线的光子散射开来，你就无法看到眼前的世界了。我们能看到东西是一个奇迹，也生动地提醒我们，光子极少相互作用。
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笔者还没有解释这些新规则的来历，也没有解释宇宙中为何有这些粒子。这么做是有理由的：我们并不真正知道这些问题的答案。电子、中微子和夸克作为构成我们宇宙的粒子，正是缓缓展开的太空大戏的主角。但迄今为止，关于演员们为何要这样站位，还没有一套令人信服的解释。
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然而，我们能够确定的是，只要有了粒子的清单，则它们那些由分枝规则所描述的相互作用方式就成了我们可以预料到的一部分。分枝规则并不是由物理学者凭空臆测的；它们在任何情形中都能被预料到。因为能描述粒子相互作用的理论，应该是一套量子场论，并辅以一种叫规范对称性（gauge symmetry）的东西。讨论分枝规则的起源会偏离本书主线——但笔者确实希望重申，基本规则非常简单：宇宙由粒子构成，而粒子按为数不多的跃动和分枝规则四处运动并相互作用。我们可以接受这些规则，并依照它们将一些钟加起来，从而计算“某事”确实发生的概率——“某事”可能发生的每一种方式都对应一块钟。
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量子宇宙 质量的起源
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粒子可以分枝与跃动的观念，引领我们进入量子场论的领域，而跃动和分枝几乎就是量子场论的一切。然而，我们之前对质量的讨论一直含糊其词，因为这才是大轴好戏。
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当代粒子物理学的目标之一是回答“质量的起源是什么”这一问题，而这个回答要借助一种优美而微妙的物理学理论和一种“新的粒子”——新的意思是，不仅我们尚未在本书中遇到它，在地球上也没有人曾“当面”遇到它。这种粒子被称为希格斯玻色子，而LHC已经牢牢盯上了它。在本书于2011年9月写作之时，LHC的数据中或许已经出现了希格斯类似物的惊鸿一瞥，但还没有足够的事例[239]来做出判断。在你阅读本书时，情况很可能已经有了变化，而希格斯粒子会成为现实[240]。也可能会是，在进一步的审视之下，感兴趣的信号最终消失了。关于质量起源的问题，除了对“质量是什么”的求知欲，激动人心之处在于，其答案本身也极其有意思。现在我们来更详细地解释一下，这个构造得晦涩而招人反感的句子。
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当我们讨论QED中的光子和电子时，曾经介绍了它们各自的跃动规则，并指出它们不一样；我们用符号P(A,B)表示和电子自A跃至B有关的规则，用符号L(A,B)表示光子的相应规则。现在是时候研究这两种情形下的规则为何不同了。首先区别来源于电子有两种不同的类型（我们知道，它们能以两种不同的方式“自旋”），而光子有三种，但我们在这里并不关心这些特殊的区别。还有另一种区别，就是电子有质量，而光子没有——这是我们要探讨的。
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图11.4展示了思考有质量粒子传播的一种方式。在图中，一个粒子从A分阶段跃至B。它先从A到位置1，从位置1到位置2，依此类推，直到它最终从位置6跃至B。有趣的是，这样写的话，每次跃动的规则就是零质量粒子的规则，但还有一事要特别注意：每次粒子改变方向时，就须应用一条新的收缩规则，收缩的量与我们描述的粒子质量成反比。这就意味着，在每一个折点，较重粒子的钟都会收缩得比较轻粒子的要少。需要特别强调的是，这不是一个临时补救方案，“之”字形移动和收缩都是直接从费曼规则中得到的，没有任何进一步假设[241]。图11.4显示的，只是重粒子自A到达B的一种方式，即通过六个折点和六个收缩因子。要得到与有质量粒子自A跃至B相关联的最终的钟，我们必须一如既往地考虑粒子沿“之”字自A到达B的所有可能方式，并把与它们相关联的无穷块钟都加在一起。最简单的路线是直线，没有折点；但有大量折点的路线也需要考虑进来。
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图11.4：一个有质量粒子从A运动到B。
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对于质量为零的粒子，与每个折点关联的收缩因子都是一个杀手，因为它无穷大。换句话说，在第一个折点之后，钟的大小就要收缩到零。因此，唯一适合无质量粒子的路线就是直达路线——根本不存在与任何其他路线相关联的钟。这正是我们所期望的：可以对无质量粒子使用无质量粒子的跃动规则。然而，对于质量非零的粒子，允许有折点，尽管如果粒子很轻，则收缩因子将严重削弱含有很多折点的路径。反之，重粒子经过折点后不会被削弱太多，因此在对它们运动的描述中，含有较多“之”字的趋势。这似乎暗示，重粒子真的应该被看作从A到B走“之”字的无质量粒子。“之”字的数量就是我们所说的“质量”。
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图11.5：质量增加的粒子从A传播到B。粒子愈重，路径的“之”字愈多。
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这一切都很不错，因为对于有质量粒子，我们有了一种新的思路。图11.5展示了三个质量递增的粒子从A到B的传播。在每种情况下，有关两个相邻折点之间路径的规则，都和无质量粒子的一样；而对于每个折点，都要执行“钟的收缩”的规则。我们现在还不能过于激动，因为还没有真正解释任何基本的东西。目前所做的，只是把“质量”一词，换成“走‘之’字的趋势”。可以这样替换，是因为它们同为对有质量粒子传播的描述，并且在数学上等价。但即便如此，新的表述还是让人觉得有趣，并且我们接下来会发现，它可能不仅仅是数学上的有趣发现。
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现在我们要进入推测的领域——尽管当你读到本书时，笔者要概述的理论或许已经得到了验证。LHC目前正忙于将质子对撞，总能量达到7 TeV。“TeV”代表太电子伏特（tera electron volt），相当于一个电子通过7万亿伏特电势差加速后所获得的能量。要形象描述这个能量有多大的话，它大约是大爆炸后的一万亿分之一秒时，宇宙中亚原子粒子的能量；它也足以凭空产生出相当于7000个质子的质量（根据爱因斯坦的E=mc2）。而这仅仅是设计能量的一半；如果需要，LHC还能再加把油。
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全球85个国家共同建造和进行了这项规模浩大、目标大胆的实验，其主要目的之一就是为了寻找基本粒子质量的产生机制。关于质量起源，最被广泛接受的理论，是通过对“之”字前进方式作出解释而完成的：它假设有一种新的基本粒子，其他粒子在穿越宇宙的过程中会“撞上”它。
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这个粒子就是希格斯玻色子。根据标准模型，如果没有希格斯粒子，基本粒子在跃动中不再走“之”字，宇宙将会是非常不同的。但如果用希格斯粒子充满虚空，则可以起到偏转粒子的作用，使其“之”字前进；如前所述，这就衍生出了“质量”。它颇像是试图走过拥挤的酒吧——在人群中游泳前进，最后通过“之”字路径到达吧台。
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希格斯机制以工作于爱丁堡的理论物理学家彼得·希格斯[242]（Peter Higgs）的姓氏命名，于1964年被引入粒子物理学。这个想法在当时显然已经十分成熟，因为有好几个人都在同一时间提出了这个想法——当然包括希格斯，也有在布鲁塞尔工作的罗伯特·布罗特[243]（Robert Brout）和弗朗索瓦·恩格勒[244]（François Englert），以及伦敦的杰拉德·古拉尼[245]（Gerald Guralnik）、卡尔·哈庚[246]（Carl Hagan）以及汤姆·基博尔[247]（Tom Kibble）。他们的工作本身就基于早先许多其他人的努力之上，包括海森伯、南部阳一郎[248]（ Yoichiro Nambu）、杰弗里·戈德斯通[249]（Jeffrey Goldstone）、菲利普·安德森[250]（Philip Anderson）和温伯格。希格斯机制的完整实现，并不比粒子物理学的标准模型逊色，并使得谢尔登·格拉肖[251]（Sheldon Glashow）、阿卜杜勒·萨拉姆[252]（ Abdus Salam）和温伯格获得1979年的诺贝尔奖。这个想法很简单：虚空不空，这给“之”字前行以及质量提供了可能。但显然还有一些解释工作要做。虚空怎么可能塞满了希格斯粒子——我们在日常生活中难道不会注意到这一点，并且这种奇怪的状态又是如何出现的呢？这个命题听起来实在是铺张浪费。另外，我们也没有解释，为何某些粒子（如光子）没有质量，而另一些（如W玻色子和顶夸克）的质量却与银或金原子的质量相当。
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这第二个问题，至少在表面上比第一个更容易回答。粒子之间只会通过分枝规则来相互作用，而希格斯粒子也不例外。顶夸克的分枝规则，包含了它与希格斯粒子的可能耦合（couple），而相应的钟缩（记住，所有的分枝规则都含有收缩因子）和较轻夸克的钟缩相比要小得多。这就是“为何”顶夸克比上夸克要重得多。当然，这并没有解释分枝规则为何如此。令人遗憾的是目前的答案只是“因为它就是这样”。这就和“为何有三代粒子”或者“为何引力这么弱”的问题一样。与顶夸克不同的是，光子没有与希格斯粒子耦合的分枝规则，因此也不与希格斯粒子相互作用。这又意味着，光子不走“之”字，且没有质量。尽管从某种意义上来说，我们稍微推卸了责任，但这的确像是质量的某种解释；如果我们果真在LHC中探测到了希格斯粒子，并确认它们以这种方式与其他粒子耦合，则我们就能正式宣布，对大自然的运作方式获得了激动人心的洞见。
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剩下的第一个问题解释起来比较麻烦：就是说，虚空怎么会充满了希格斯粒子呢？作为准备，我们需要非常清楚一件事情：量子物理学意味着，不存在虚空这种东西。其实，我们所说的“虚空”，是一锅沸腾的亚原子粒子汤，没有办法将其清理干净。一旦意识到这一点，要接受虚空可能充满希格斯粒子的说法，就不再需要高超的智力了。让我们一步一步来。
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你可以想象外太空深处的一块微小区域，宇宙中的孤独角落，离任何星系都有数百万光年远。随着时间的流逝，粒子将不可阻止地凭空出现并随即消失。为何如此？因为粒子-反粒子对的产生（creation）和湮灭（annihilation）是规则所允许的。在图10.5的下方图中可以找到一个例子：想象把电子圈以外的部分都去掉，剩下的图就对应于电子-正电子对自发地无中生有，并随即重归于无。因为画出一个圈图并不违反QED的任何规则，我们必须承认，这是一种真实的可能性；记住，只要可能都会发生。产生电子-正电子对，这种特殊的可能性，只是虚空嘶嘶冒泡的无数种方式中的一种。由于我们生活在量子宇宙中，正确的做法是将所有可能性加在一起。换句话说，真空的结构极其丰富；它由粒子可以出现和消失的所有可能方式组成。