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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。
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上一段引入了真空不空的观念；我们描绘的图景非常民主，所有的基本粒子在其中都发挥了作用。那么希格斯粒子的特别之处又在哪里呢？如果真空不过是物质-反物质产生和湮灭的翻滚高汤，那么所有的基本粒子还是会继续保持零质量——量子圈本身并不会提供质量[253]。因此，我们还需要用一些别的东西来填充真空，这就需要用到希格斯粒子。彼得·希格斯只是规定，虚空挤满了希格斯粒子[254]，而并不觉得有义务对其原因作出深刻的解释。真空中的希格斯粒子确保了走“之”字的机制，它们加班加点地工作，和宇宙中每一个有质量的基本粒子相互作用，选择性地延缓其运动以产生质量。普通物质和充满希格斯粒子的真空相互作用的最终结果是，原本没有结构的世界活了起来，变成了一个由恒星、星系和人组成的多样而奇妙的地方[255]。
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当然，最大的问题还是那些希格斯粒子是从哪里来的？答案并不十分清楚，但有人认为它们是发生在大爆炸后不久、所谓相变（phase transition）的残留。如果你有耐心，能在冬夜气温下降时观察窗玻璃，就会看到冰晶的结构之美，就像魔法一样，从夜晚空气中水蒸气里被变了出来。在冷玻璃上，从水蒸气到冰的转变就是一种相变——水分子重新排列成冰晶体；由于温度下降，没有固定形状的蒸汽云发生对称性自发破缺。冰晶形成，是因为它在能量上更有优势。就像球从山上滚下来，在山谷中占据较低的能量；或者电子在原子核周围重新排列，形成将分子固定住的化学键一样，雪花形成其雕琢之美，是因为和没有固定形状的蒸汽云相比，这种水分子构型具有的能量更低。
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我们认为，在宇宙历史的早期也发生过类似的事情。随着新生宇宙中的炽热粒子气体膨胀并冷却，不含希格斯粒子的真空在能量上的劣势暴露了出来，因此充满希格斯粒子的真空就成为自然的状态。这确实类似于水凝结成水滴，或冰在寒冷的窗玻璃上形成的过程。当水滴在窗玻璃上凝结时，它们形成的自发性确实给人一种印象，就是它们是凭“空”产生的。希格斯粒子也是类似，在大爆炸之后的高温阶段，真空中转瞬即逝的量子涨落（那些费曼圈图）沸腾翻滚，粒子和反粒子无中生有并重归于无。然而，随着宇宙的冷却，突然发生了一些激烈的事情：就像水滴出现在窗玻璃上一样，希格斯粒子发生了“凝聚”（condensate）；它们通过其相互作用，聚集在短暂形成的真空悬浊物之中，而其他粒子则通过它传播。
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真空中充满物质的观念表明，我们和其余的世间万物，都在一个巨大的凝聚体中活动；它随着宇宙的冷却而出现，譬如朝露。为避免认为真空只被希格斯粒子的凝聚所占据，笔者还要指出，真空并不仅仅如此。随着宇宙进一步冷却，夸克和胶子也发生凝聚，产生出被自然地称为“夸克和胶子凝聚的现象”。这些存在也已被实验充分证实，它们在我们对强相互作用的理解中发挥着非常重要的作用。事实上，正是这种凝聚，产生了质子和中子的绝大部分质量。然而，希格斯真空负责产生基本粒子——夸克、电子、渺子、陶子，以及W和Z粒子被观测所得的质量。夸克凝聚在解释一簇夸克结合形成质子或中子时起作用。有趣的是，虽然希格斯机制对于解释质子、中子和更重的原子核的质量不那么重要，但在解释W和Z粒子的质量时情况则相反。对这两个来说，在没有希格斯粒子时，夸克和胶子凝聚会产生1 GeV[256]左右的质量，但它们在实验中测得的质量却是这个值的近100倍。LHC被设计为在W和Z粒子的能量区域运行，它在这里可以探索赋予后者相对较大质量的机制。不管那是人们所热切期待的希格斯粒子，还是某些迄今未曾梦想的东西，只有时间和粒子对撞才能告诉我们。
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我们给这些事物补充一些相当惊人的数字：虚空中由于夸克和胶子凝聚而储存的能量，达到惊人的1035焦耳[257]每立方米，而希格斯凝聚所产生的能量比这个数大100倍。加在一起，就是我们的太阳在一千年内产生的能量之和。准确地说，这是“负”能量，因为真空的能量比完全不含粒子的宇宙还要低。出现负能量，是因为凝聚体形成中释放了结合能。它本身并不神秘，没比需要能量才能把水煮沸（从而逆转从气体到液体的相变）这一事实更迷人。
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然而，神秘的是，如果对虚空中每立方米上这么巨大的负能量密度照单全收，就会产生毁灭性的宇宙膨胀，以至于从来不会有任何恒星或人类能够形成。宇宙会在大爆炸后很快就胀裂自身。如果我们把粒子物理学对真空凝聚的预测直接带入爱因斯坦的引力方程，并应用于宇宙整体，就会出现这个结果。这个恶毒的谜题被称为宇宙学常数（cosmological constant）问题，它仍然是基础物理学的核心问题之一。当然，这表明我们在宣称真正理解真空和/或引力的本性之前得非常小心。有一些极其基本的东西，我们仍然尚不了解。
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有了这句话，我们的故事就要结束了，因为我们已经到达了知识的边缘。已知领域并不是科研工作者的舞台。如我们在本书开头所看到的那样，量子理论以其困难性和完全对立的怪异性而著称；它对组成物质的粒子行为的掌控是相当宽松而自由的。但笔者所描述的一切，除了这最后一章的内容，都已被专业人士所广泛了解和理解。我们跟随着证据而非常识被引向了一个理论，它显然能描述极广泛的现象，从热原子发出的彩色条纹，到恒星内部的核聚变。将这一理论付诸应用，得到了20世纪最重要的技术突破——晶体管；如果没有量子世界观，就无法解释这个装置的运作。
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但量子理论远不止是单纯在解释能力上的胜利。在量子理论与相对论的包办婚姻中，反物质作为理论上的必需品出现，并不出所料地被发现。自旋，作为亚原子粒子的基本特性，以及支撑原子稳定性的基础，同样是为满足理论一致性而得到的理论预言。而现在，在第二个量子世纪，大型强子对撞机航向未知的海域，探索真空本身。这就是科学的进步；谨慎地逐步建构一套传统，用以解释和预测现象，并改变我们的生活方式。而这正是科学与其余一切的区别。它并不简单地是另一种观点；它揭示出一种不可想象的现实，即使对那些想象力最扭曲、最超现实的人也是这样。科学是对现实的研究，而如果现实是超现实的，那就这样吧。没有别的例子比量子理论更能展示科学方法的力量了。如果没有最严谨细致的实验，就没有人能想出它；而建立它的理论物理学者，为了能解释眼前的证据，也要能够暂时舍弃其内心深处舒适区中的信念。也许真空能量的谜题预示着新的量子旅程，也许LHC会提供新的、费解的数据，也许本书中的所有东西都会被证明只是某种更深刻图景的近似；这趟理解我们量子宇宙的激动人心的旅程还在继续。
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