如果没有希格斯玻色子，你体内的夸克和电子将是无质量的。这意味着这些粒子将以光的速度运动，从而不会停留在原子中，那么一切物质都会分崩离析。没有希格斯场，你和我、恒星和星系都不会存在。

希格斯玻色子的发现就像海王星和宇宙微波背景辐射的发现一样，最初是用铅笔、用数学方程预测出来的。

——马克斯·泰格马克[145](Max Tegmark)

老虎!老虎!黑夜的森林中

燃烧着的煌煌的火光，

是怎样的神手或天眼

造出了你这样威武堂堂？

——威廉·布莱克[146](William Blake)

2012年7月4日，伦敦卫理公会中心大厅

乔恩·巴特沃斯(Jon Butterworth)很恼火，因为这一天本应是他45年人生中最值得纪念的一天，但他却被困在了伦敦。巴特沃斯本想去瑞士，那里才是主会场，因而他不愿意留在伦敦。火上浇油的是，在伦敦威斯敏斯特卫理公会中心大厅后台的巨型屏幕上，巴特沃斯竟然看到了自己更想去的那个地方，这让他更加郁闷。

直到巴特沃斯在物理学家、同事吉姆·威迪(Jim Virdee)和英国科学技术设施委员会(Science and Technology Facilities Council)的首席执行官约翰·沃姆斯利(John Womersley)身旁坐下，并扫视了一下观众后，情绪才有所好转。他发现，数百名记者、物理学家和政治家，包括科学大臣戴维·威利茨(David Willetts)在内，都在这个拥有百年历史的会议大厅里聚集一堂，激动和期待之情溢于言表。显然，公众和政界人士似乎都对他和其他数千名物理学家在过去10年的大部分时间里所做的事情很着迷，这让巴特沃斯感到惊喜。这里离英国议会大厦仅一步之遥。

巴特沃斯和威迪出席的是伦敦的新闻发布会，而不是瑞士的，因为他俩分别是超环面仪器(A Toroidal LHC Apparatu S， ATLAS)和紧凑渺子线圈(Compact Muon Solenoid， CMS)在英国的负责人。这两台庞大的设备是位于日内瓦附近的欧洲核子研究中心(CERN)大型强子对撞机的5个“眼睛”探测器中的2个。ATLAS和CMS位于2束反向旋转的超高能质子束发生撞击的地方。2台设备都是由围绕在碰撞点周围、像洋葱那样的多层探测器组成的，用来测量能量、电荷以及无数飞散出来的亚原子弹片的飞散方向。

有来自38个国家的3000名物理学家为ATLAS工作，有来自41个国家的4300名物理学家为CMS工作。CMS相当巨大，重量堪比埃菲尔铁塔。ATLAS和CMS实验团队一起协作寻找两种截然不同的碰撞事件，它们都是假想中的那种亚原子粒子存在的确凿证据。这种亚原子粒子是一种完全陌生的粒子，一种用来理解宇宙运作方式关键的粒子，一种早在40年前就已经有人预测存在的粒子……

1964年8月，爱丁堡

彼得·希格斯(Peter Higgs)很恼火，《物理快报》(Physics Letters)的编辑拒绝了他的论文。这是他3周内写的第二篇论文，论述的是自然界的载力粒子(force-carrying particles)是如何获得质量的。从希格斯办公室的窗户向外望去，这座城市在8月的阳光下熠熠生辉。唯一能减轻希格斯烦恼的是，他又回到了自己心爱的爱丁堡，不用再忍受西部高地的痛苦。对于他来说，这是巨大的解脱。

露营之旅已经是1周以前的事了，但它在希格斯的脑海里仍挥之不去，就像一场一直持续到了白天的噩梦。不久前，一位朋友向希格斯提起，她在一篇文章中读到过有个地方的降雨量是苏格兰最少的。于是，希格斯和结婚一年的美国妻子乔迪(Jody)挑了个合适的时间赶到了那里。他和乔迪是在核裁军运动中相识的。不幸的是，当夫妻俩到达的时候，那里居然正在下倾盆大雨!并且二人在搭建帐篷的时候，还把借来的帐篷弄坏了。无奈，浑身湿透、狼狈不堪的夫妻俩只好躲在附近的河**吃早餐。更糟糕的是，当他们提前返回爱丁堡时，那位朋友承认她误读了那篇文章，她推荐的那个地方不仅不是雨量最少的，反而是苏格兰雨量最多的地方。[147]

这次野营之旅在希格斯和他妻子的心目中就像一段神话，作为“史上最糟糕假期”逸事之一，在和朋友们喝酒时讲述准能逗笑他们。但对希格斯来说，恶劣的天气只是这次旅行如此糟糕的原因之一，更重要的是，一个困扰了他几年的问题濒临突破，而他却不得不去旅行。

在7月24日完成的第一篇论文中，希格斯提出了一个关于自然界基本力的很有前途的理论。论文大约只有1000字，投给了《物理快报》。尽管大家都认为这个理论存在致命的缺陷，但实际上并非如此。[148]希格斯是在周末获得的灵感，在周一写的这篇论文。希格斯说，这是他的第一个创意，也是他仅有的创意(他是个谦虚的人)。[149]

这篇论文以悬疑小说的方式结尾，并给读者抛下诱人的承诺：未完待续。但紧接着，希格斯就去高地旅行了。然而，他的心思并没有放在旅行上，显然，这无助于增进他和妻子的夫妻关系。好在，他终于回到了爱丁堡——温暖、干燥，安安静静，可以全神贯注地工作了。希格斯写得很快，7月31日便向《物理快报》提交了第二篇论文。

当得知论文被拒时，希格斯感觉很不是滋味。假装这件事从未发生过是没有意义的。该杂志的编辑雅克·普伦特基(Jacques Prentki)在回信中建议希格斯在此理论上做更多的研究。但问题是，要再做些什么呢？

希格斯的两篇论文酝酿已久。他痴迷于量子场论，这个理论把20世纪物理学的两大成就融合成一个连贯的整体。这两大成就，一个是爱因斯坦的狭义相对论，描述了物体以接近光速运动时空间和时间的变化；另一个是量子理论，描述了原子的亚微观世界及其构成。为实现这两大理论的统一而迈出第一步的物理学家是保罗·狄拉克，他的大名多次出现在科瑟姆学校(Cotham School)荣誉校友的名单上。希格斯在布里斯托尔大学上学时，就经常在晨会上听到这个名字，因而对狄拉克很好奇。正是好奇心让他发现了这位伟人所做的研究，引领他进入了量子场论。

最终构成世界的正是量子场。[150]物质是由原子组成的，原子是由原子核和电子组成的，原子核是由质子和中子组成的，质子和中子是由夸克组成的(尽管在1964年，夸克还是一个非常新的概念)，而夸克和电子则是由场组成的。据我们所知，量子场是大自然的最底层构造。

简单来说，场就是时空中每一个点都有值的东西。这个值可以是纯数，比如温度；也可以是与方向相关的值，比如风速；抑或是一些更复杂东西的组合。每个基本粒子都有与之相关联的场，比如电子场、光子场、上夸克场等等。这样的场之所以会颤动，是因为量子本质上就是不安分的。如果一个特定的场被充分颤动(jiggle)的话，换句话说，假如有足够多的能量注入这个场，产生的扰动就会通过这个场传播，这就是粒子。比较形象的比喻是，通过麦田传播的风的扰动。电子场中的扰动就是电子，电磁场中的扰动就是光子，依此类推。不同之处在于，一个量子场的扰动不能任意产生，只能以特定的离散频率或能量产生。这种取值的离散化被称为量化。

通过这种方式，量子场论统一了20世纪初发现的亚原子世界的两个令人困惑且看似相互排斥的特性：原子及其组成部分同时表现出粒子和波的能力。

让希格斯和其他许多人印象深刻的是，电子的量子场理论最显著的特点之一就是可以从中极简单地演绎出电磁力——正如麦克斯韦1862年描述的那样。关键是对称性(symmetry)，一种对实体进行某种操作时能够保持不变的属性。例如，圆形物体具有旋转对称性，因为围绕其中心旋转时，这种对称性保持不变；而方形物体只有连续旋转1/4圈或几个1/4圈时，才能保持不变。

艾米·诺特(Emmy Noether)，德国数学家，被爱因斯坦称为“数学史上最重要的女人”。1918年，她证明了与对称性有关的一个重要定理，那就是只要存在对称性，就会存在相应的守恒定律。这一定律规定了特定的物理量既不能被创造，也不能被消灭。例如，无论实验是今天进行，还是下周进行，对实验结果都没有影响，这就是所谓的时间平移对称——对应于能量守恒定律，也就是能量既不能被创造，也不能被消灭。诺特定理(Noether's Theorem)对电子的量子场论也有着深刻的影响，因为它允许在不改变任何可观测结果的情况下变换方程。

电子用波函数来描述。根据狄拉克方程，波函数遍布空间各处，在任何位置找到电子的概率由波在该点所处高度的平方给出(或者严格地说，是振幅的平方，即距离0标高的最大偏移量)。波函数中有个相位描述了波动开始的位置。事实证明，同时改变波函数上每一点的相位值，或者用术语来讲，将波函数乘以一个相位因子，仅会移动波函数波峰和波谷的位置，而不会改变任何可观测结果，比如在任何特定位置发现电子的概率。根据诺特定理，这种对称性的存在必然有与之相对应的守恒定律。的确如此，这与电荷守恒定律相对应，也就是电荷不能被创造或消灭。

诺特定理适用于各处同时发生、没有可观测变化的结果，但这种整体对称只是可能存在的对称性中的一种。还有一种限制更强的对称性，在这种对称性中，波函数各处相位值的变化并不一致，而是随时间和空间的不同而不同。期望这样的变化不带来可观测的改变，并且电子波函数能表达这种局域对称性，听起来似乎有些荒谬，但其实并不荒谬。

想象1个台球沿直线穿过台球桌。[151]无论把台球桌垂直抬高1米，还是10米，都不会改变台球的运动轨迹，这是由牛顿运动定律所支配的。但这里隐含的假设是：台球桌的所有部分都可以同时抬升。像庭园桌那样的普通桌子当然是这样的，但假想一个宇宙尺度的台球桌，比如有10光年那么宽，那就不可能同时改变桌子的所有部分。因为根据爱因斯坦的理论，没有任何东西的运动速度可以超过光速，那么远处的位置对桌子高度变化的反应要晚于近处。事实上，10年之内，桌子的远端不可能“注意到”近端的变化。一般来说，如果试图改变台球桌的高度，桌面各处的高度是由近及远逐渐变化的，导致在不同位置、不同时间，台球桌面的高度都不相同。这是最合乎爱因斯坦宇宙的解释。

这就是问题的关键。我们仍然可以希望物理定律在任何地方都一样，这样，台球就可以继续遵循牛顿运动定律的要求沿直线轨迹运动。但是，由于台球桌的表面不再平坦，因此只有每个台球在每个位置都受到某种力以精确补偿不平坦的表面时，台球才会沿直线轨迹运动。

桌子的高度是物理学家所称规范(gauge，或译为量规)的一个简单例子。“规范”这个术语是德国物理学家赫尔曼·韦尔(Hermann Weyl)在1929年发明的。当规范从一个地方到另一个地方、从一个时间到另一个时间不断变化时，保持物理定律不变的观点被称为局域规范不变性(local gauge invariance)。如台球桌的例子所示，保持局部的规范不变性需要存在补偿力。这就是关键。

以电子为例，保持规范不变性意味着坚持从一个位置到另一个位置、从一段时间到另一段时间，不断地改变电子波函数的相位应该不产生可观测的结果。电子波函数的相位显然是一个比台球桌高度更抽象的数学问题，但就像台球桌例子中那样，维持规范不变性需要补偿力的存在。值得注意的是，这个力原来就是麦克斯韦在19世纪描述的电磁力。

因此，电磁力产生的一系列令人眼花缭乱的现象只不过是局域规范不变性不可避免的结果。从根本上讲，电磁场之所以存在，是因为电荷在空间和时间中重新排列时，这种信息会传递到其他位置，这样就可以保持局域规范不变性。这条新信息是由电磁场携带的，而电磁场是由光子，即电磁场中的扰动组成的。

值得注意的是，即使对电、磁和光子一无所知，但如果知道规范原理后，为了强制电子波函数服从局域规范不变性，我们也能推断出所有这些东西的存在。这一非凡的原理是朱利安·施温格(Julian Schwinger)在20世纪50年代发现的，他是量子电动力学，或者说是电磁力的量子理论的先驱之一。规范原理如此引人注目，人们很自然地推测，这个原理可能是普适的原则。难道服从局域规范不变性不仅是电磁力，而且是所有自然基本力存在的原因吗？

除了电磁力，将自然界基本粒子维系在一起的还有其他三种基本力，我们最熟悉的就是爱因斯坦广义相对论描述的引力。就像电磁学一样，该理论以对称原理为基础：揭示引力，即时空的曲率，如何依赖能量分布的方程使其对每个人来说都有相同的数学形式——无论他们怎样运动或处于什么坐标系中。甚至爱因斯坦早期的狭义相对论也来自对光速不变性的坚持，即光的速度对于所有以恒定速度相对运动的观察者来说都是相同的。事实上，爱因斯坦是第一个认识到对称性在支撑自然基本定律中重要性的人。意大利物理学家吉安·弗朗西斯科·朱迪斯(Gian Francesco Giudice)说：“就像画家渴望在调色板上使用最绚丽的色彩一样，大自然似乎乐于利用一切可能的对称性来表达她的基本法则。”[152]

但是，除了引力之外，由于各种原因，还有另外两种基本力没有人知道如何用量子场论来表述。那就是强核力(strong nuclear force)和弱核力(weak nuclear force)，这两种力都只在极小的原子核范围内起作用。

第一个认真思考规范原理不仅是理解电磁力的关键，也是理解强核力和弱核力的关键的人是华裔物理学家杨振宁。马塞尔·普鲁斯特(Marcel Proust)写道：“真正的探索之旅不在于发现新的风景，而在于拥有新的视角。”20世纪50年代，杨振宁和美国物理学家罗伯特·米尔斯(Robert Mills)合作，以全新的视角观察世界，写下了一个量子场必须遵守的方程，以强制波函数具有更普适的局域规范对称性(local gauge symmetry)。

杨-米尔斯方程(Yang-Mills equation)揭示了电磁场是可能存在的最简单的规范场。这个场不仅由单一的规范粒子传递，而且这个粒子(光子)不带电荷。由于粒子与电磁场相互作用要有电荷，因此光子不受电磁力的影响。

然而，在杨-米尔斯方程允许存在的更复杂的规范场中，载力子[1]确实携带电荷。这些类似电荷的东西同样既不能被创造，也不能被消灭，导致载力子受规范场影响。例如，在强力的情况下，这类粒子不仅与场相互作用，而且以难以预测的复杂方式彼此相互作用。这在早期阻碍了物理学家们发现强核力是局域规范不变性的结果，他们错误地认为，强核力主要在质子和中子之间起作用。直到20世纪60年代末，人们才清楚地认识到，质子和中子是复合粒子，而它们的组成部分夸克才是强核力结合的对象。

但是那些秉持基本力是局域规范不变性结果观点的人面临着更大的障碍。20世纪30年代，保罗·狄拉克的电子的量子场论一直被发散的方程式和荒谬的预测困扰。尽管有可能通过数学技巧消除这种无穷大，但问题是，这种重整化(renormalisation)只有在载力子没有质量的情况下才有效。在电磁场中，虽然规范粒子就是光子，但对于强核力和弱核力却似乎并非如此，这也暗示了这两种力是短程力。

在量子图景中，力被看作由一种亚微观的网球运动引起的现象。粒子与粒子之间相互传递载力子，导致粒子相互反冲。尽管这幅图景大体上描述了量子力，但就像许多其他科学类比一样，描述并不完全符合事实。因为这其中只解释了斥力的起源，但没有涉及吸引力。

这是因为控制亚微观世界的定律不同于控制宏观日常世界的定律，诸如光子之类携带力的粒子具有一种非常特殊的品性。如前所述，物理学的基石之一是能量既不能被创造，也不能被消灭，只能从一种形式转化为另一种形式。然而，在量子世界里，却有奇异的一面。能量可以凭空产生，严格地说，能量可以从真空里变出来，只要能迅速还回去，大自然就会默许这种情况的发生。

1905年，爱因斯坦发现质量是能量的一种形式——有可能是能量存在的最集中的形式，所以从真空中凭空出现的能量可以变成亚原子粒子的质能。这样的粒子，由于其短暂的存在，而被称为虚粒子(virtual particle)，以区别于真实粒子。事实证明，从真空中借来的能量越多，还回去的速度就必须越快。因此，虚粒子的质量越大，存在的时间就越短暂，在消失回真空之前所能走的距离也就越短。

因为光子没有静止质量，只要很少的能量就能产生，所以需要归还的能量也很少。这意味着光子可以存在很长一段时间，能到达宇宙最远的角落。这就是为什么电磁力的作用范围不受限制。无论如何，以下叙述是关键：力的作用范围与其载力子的质量之间的密切联系表明，由于超短的作用范围，强核力和弱核力是由大质量的载力子来传递的(这个逻辑对于强核力来说是错误的，正如不久后将要谈到的那样，大自然找到了另一种减小强核力作用范围的方法)。

问题在于，唯一不受灾难性发散影响的量子场论是局域规范理论，荷兰物理学家杰拉德·特·胡夫特于1971年在某种程度上证明了这一点。但是仅当规范粒子没有质量时，这一不发散的特点才存在，一旦引入有质量载力子，就立即失效了。这也是量子场论在20世纪60年代初期不受欢迎的原因之一。

截至1964年7月，希格斯已经思考了好几年如何使局域规范理论在保持所有优点的同时，又纳入有质量载力粒子。他在想，要是载力子原本就是没有质量的，但通过某种外部过程得到了质量，结果会怎样呢？这是否可以既纳入有质量粒子，同时又不破坏可重整化的局域规范理论呢？希格斯想象，空间中充满了一种未知的不可见场——希格斯场，这种场就像游泳池里的水一样能阻碍其中粒子的运动。

乍一看，游泳池的想法与我们的实际经验完美契合。质量大的物体，比如冰箱，很难移动，因为质量抗拒运动状态的改变。这可能真是因为有一种看不见的媒介在起阻碍作用。可是，这个类比并不完美——这是自然界的一种基本特征，也是爱因斯坦狭义相对论的基石，正是不可能用实验的方法来区分物体到底是静止的还是均速运动的。设想有两个人在火车上玩抛接球游戏。假定火车没有振动，车窗也被遮挡起来，看不到外边，那么两个人的游戏就好像是站在轨道旁边的地面上玩一样。他们无法通过球的运动来判断自己是否在运动。

然而，如果充满整个空间的希格斯场真的像游泳池里的水一样，那么就有可能分辨出物体是在场中穿行，还是静止的，这与相对论相矛盾。反倒是在希格斯场中，宇宙所有物体都必须保持静止，不管其运动如何。[2]这种性质用术语表述，就是洛伦兹不变量(Lorentz invariant)只适用于标量场(scalar field)。就像温度和台球桌的高度一样，在这些标量场空间的每个点上都可用简单的数字表示。

容易让人误解的是，希格斯场会阻碍粒子运动，即使粒子相对于希格斯场始终是静止的。因此，更准确的说法是，场只是与粒子相互作用。正是这种相互作用，使得本质上无质量的粒子具有质量，其精确质量取决于每个粒子与场相互作用的强度。

能量在空间中处处非零的场是全新的东西。没有质量，就没有引力场；没有电荷，就没有电磁场，但希格斯想象出另一个存在于真空空间、没有来源的场。场里到处都有同样的能量，正是这种不变性解释了为什么这个场以前从未被注意到：我们沉浸其间，就像我们沉浸在可以呼吸的空气里一样。

只要有机会，一切都会将其势能降到最低。例如，球会自动滚到山脚下，那里的重力势能最低。人们一直认为真空处于宇宙中能量最低的状态，就像滚到山脚下的球那样，宇宙终将终结于真空。但希格斯认为，这是错误的，宇宙的最低能量状态实际上是充满希格斯场的真空，其中能量处处都是非零的。

但是，为了赋予载力子以质量，而随意地把一个填满所有空间的场引入理论中，就像手工给载力子插入质量一样，是单方面的一厢情愿。这种做法必然破坏局域规范不变性，而局域规范不变性是理论不发散的基本要求。希格斯需要的是一种方法，能更自然地表述他的场，而且他已经知道怎么去做了。

一方面，所有载力子均无质量的规范理论是优雅且对称的，毕竟，这个理论中所有粒子的质量是完全相同的；另一方面，一个载力粒子有质量，且质量可能各不相同的理论是烦琐且缺乏对称的，物理学家称其为对称性破缺。

在日常生活中，我们很容易发现对称性被打破的例子。想象一支铅笔，用削尖的一端直立在桌面上。现在，从各个方向来看，它都是完全对称的。然而，如果铅笔受到一股气流的冲击，就有可能向北、向西南或其他任何方向倒下去。相对于垂直方向，铅笔不再是对称的。这说明尽管物理学的基本定律是对称的——在这种情况下，重力指向下方，不偏向罗盘的任何方向——然而，这些定律的结果可能是不对称的。

希格斯想象中的场处于关闭状态时是完全对称的，并不破坏局域规范不变性，但其会因为对称性自发破缺(spontaneous breaking of symmetry)导致其打开，并与规范载力子相互作用，赋予它们以质量。希格斯想象存在一个墨西哥草帽形状的势能场(sombrero hat potential)，粒子的能量由自身在这个场中所处位置的高度来决定。最初，在大爆炸的超高能量条件下，粒子位于草帽的中央的最高点，处于完全对称状态。然而，随着宇宙逐渐冷却到如今的低能状态，粒子选择了一个方向，滚落到草帽的帽檐处，破坏了最初的对称性。

要解释无质量载力子与希格斯的自发破缺场的相互作用如何产生质量，还须等一等，希格斯方案还有一个更直接、更紧迫的问题要解决。其他物理学家都知道这个问题，这也是为什么量子场论在20世纪60年代初不受欢迎的另一个原因。

再想想那顶墨西哥草帽。描述希格斯场能量的粒子可以停留在帽檐上的任何一个位置，每个位置都对应着希格斯场的一种状态。原子可以通过发射或吸收1个能量等于两种状态之间的能量差的光子，从而从一种能量状态转变为另一种能量状态。然而，在希格斯场的情况下，环绕帽檐一周的各个状态都处于完全相同的高度，因此具有相同的能量。从一种状态到另一种状态不需要能量，这意味着对应的粒子质量为零，这种粒子被称为戈德斯通玻色子(Goldstone boson)。

英国物理学家杰弗里·戈德斯通(Jeffrey Goldstone)发现，这种粒子是标量场对称性自发破缺不可避免的结果。问题是，如果质量为零，那么这种粒子应该很容易产生，所以物理学家应该早就在实验中发现它们了。但是戈德斯通玻色子从未显露真容。物理学家们曾把没有找到戈德斯通玻色子作为证据，认为需要自发对称性破缺才能与现实世界接触的量子场论在理论上是行不通的。

但是，局域规范对称性可能产生基本力的想法非常吸引希格斯。这个想法是那么优雅、那么美丽、那么令人心旷神怡，让他实在割舍不下。多年来，这种想法一直萦绕在希格斯的脑海中，现在他终于有了突破。3周前，他将论文寄给了《物理快报》，公布了惊人的结果。希格斯突破性的发现在于，如果量子场论是局域规范不变的，也就是说，如果也存在规范载力子的话，戈德斯通玻色子就会消失。要理解原因，就有必要先了解无质量粒子和有质量粒子之间的关键区别。

如前所述，亚原子粒子只不过是通过量子场传播的波，就像风吹过麦田一样。我们生活的世界是具有三个维度的空间，因此很明显，粒子的波可以在三个相互垂直的方向上振**。这种直觉对于具有质量的粒子是正确的，但是对于以光速运动的光子这类无质量粒子来说并非如此。

光子与电磁波有关，电磁波的电场和磁场在垂直于电磁波传播方向的平面上振**。除了这两种横向的振**外，波原本也有可能沿其运动方向振**，不过这种纵向的振**必然会在运动速度上低于光速和高于光速之间交替。但这是不可能的，因为根据爱因斯坦的理论，光速是宇宙终极速度极限。因此最终结果是，有质量粒子有三种独立的振**方式，而无质量粒子只有两种。

希格斯的突破在于，他意识到在无质量规范粒子理论中，戈德斯通玻色子奇迹般地消失了。实际上，它们被载力子吞噬了。希格斯机制不仅摆脱了麻烦的戈德斯通玻色子，而且在吞噬的过程中，赋予了无质量规范粒子以第三种振**方式，从而赋予它们质量。[153]

应该指出的是，这种获得质量的机制与之前描述的粒子和无处不在的希格斯场相互作用的机制不同，后者遇到的阻力就像游泳者在游泳池里奋力前行时遇到的阻力一样。事实上，大自然已经为赋予粒子质量提供了两种不同的机制：一种是直接机制，直接赋予自然界载力子以质量，包括自发的对称性破缺；另一种是间接机制，先为自然界的夸克和轻子提供质量，这涉及与希格斯场更直接的相互作用。

希格斯机制创造了一石二鸟的奇迹：既摆脱了戈德斯通玻色子，又赋予了规范载力子以质量。史蒂文·温伯格认为，戈德斯通玻色子的角色已经从“不受欢迎的入侵者”转变为“受欢迎的朋友”。[154]披上戈德斯通玻色子诱导质量的外衣后，载力子仍然是无质量的，因此，仍然可以用重整化的、不发散的局域规范理论加以描述。

希格斯在1964年夏天写的两篇短论文中详细阐述了这一切。在第一篇论文中，希格斯论述了如何在量子场论中摆脱戈德斯通玻色子——只需要规范玻色子存在。在第二篇论文中，希格斯概述了规范玻色子是如何通过吞噬戈德斯通玻色子来获得质量的。[155]但是，当希格斯坐在办公室里，看着面前桌子上放着的被退回的第二篇论文时，他仍然面临着一个问题：该添加些什么来确保论文能发表。也许说，这是他想法的物理表现？

每个量子场都有一个或多个与之相关的粒子，因为每个场都可以产生扰动，而通过场传播的扰动就是一个粒子的全部。希格斯知道他的对称性破缺场也不例外。

希格斯又想到了支配他的场的草帽势。戈德斯通玻色子的出现是因为粒子可以环绕墨西哥草帽边沿振**，但那不是唯一可能的振**类型。粒子也可以沿径向振**，在由草帽檐形成的沟谷里上下振**。激发这样的振**需要的能量最少，而根据爱因斯坦的理论，能量具有等效质量。如果把足够的能量注入一小块空间，就有可能产生这样一种粒子——一种希格斯场的扰动。

第二篇论文被《物理快报》拒绝，希格斯对此感到恼火，不仅是因为编辑没有意识到他工作的重要性，更糟糕的是，雅克·普伦特基(Jacques Prentki)没有建议他把修改后的论文重新提交给《物理快报》，而是让他提交给意大利物理学会期刊《新试验》(Il Nuovo Cimento)。《物理快报》收到的所有论文稿件都要经由独立科学审稿人审稿，而《新试验》则根本没有审稿人。普伦特基似乎认为这篇论文与《物理快报》关注的方向无关，毫无价值，这刺伤了希格斯。[156]

因此，如果希格斯听从了普伦特基的建议，那他就真的死定了。希格斯决定不把修改后的论文寄给《物理快报》，而是寄给其美国竞争对手《物理评论快报》(Physical Review Letters)。然而，论文需要添加一些东西，还好最终他想出来要怎么写了。希格斯拿起笔，只在论文结尾处加了两句话。在第一句话中，他写道：“值得注意的是，本文中所描述的理论类型的本质特征是对标量玻色子和矢量玻色子的不完备多重态的预测。”在这句高度技术性的陈述中，希格斯表明，对称性破缺过程中会留下一种粒子，一种有质量的戈德斯通玻色子，一种迄今为止人们未曾预料到的基本粒子。

希格斯不知道的是，另外5位物理学家差不多在同一时间也得出了几乎完全相同的结论。在伦敦，有一个“三人组”，由汤姆·基布尔(Tom Kibble)、格里·古拉尼克(Gerry Guralnik)和迪克·哈根(Dick Hagen)组成；而在布鲁塞尔，有一个“二人组”，由罗伯特·布劳特(Robert Brout)和弗朗索瓦·恩格勒特(Francois Englert)组成。后来，希格斯称自己为“一人组”。

希格斯把修改后的论文交给部门秘书重新打印时，感到有种说不出的满足感。虽然不知道如何将那句话纳入粒子物理学的框架中，但希格斯确信它很重要。希格斯也丝毫没有想到，最后加上的这句话会使他不朽。实际上，这将为他赢得诺贝尔奖。

希格斯的研究没有引起轰动，也没有登上新闻头条。正如“三人组”成员之一汤姆·基布尔后来所说，“我们的工作遇到了‘震耳欲聋’的沉默”。在规划向规范载力子提供质量的机制时，希格斯希望能够将强核力——将原子核各组成部分结合在一起的力——也纳入同一机制中，但时机还不够成熟。那时人们认为，强核力主要作用在质子和中子之间，但实际上，质子和中子都是由夸克组成的复合粒子，强力是将夸克结合在一起的力。直到20世纪60年代中期，物理学家默里·盖尔曼和乔治·茨威格(George Zweig)才认识到这一点。

除了对强核力理解得不够充分之外，将强核力纳入希格斯机制还有另一个根本性的困难：事实上，这种力的短程性并不符合希格斯机制，它不像预料的那样，由希格斯场赋予这种载力子以质量，并将其从真空中瞬间召唤出来的。胶子(gluon)没有质量，因此，就强核力而言，希格斯机制毫不相关。大自然给我们出了一个难题，选择了一种完全不同的机制产生短程的强核力。

就像一条松紧带，被拉伸得越长，恢复力就越强那样，2个夸克被拉得越远，它们之间的力也就越强。事实上，分离1对夸克需要投入的能量太多了，以至于这些能量足以转化成夸克-反夸克对的质能，也就是产生新的夸克对，而新的夸克对反过来又必须被拉开……因而完全分离2个夸克是不可能的，强子的作用永远不会超出超短程范围。

规范载力子胶子保持无质量状态，强核力就可以保持局域规范的对称性。胶子与夸克一起被禁锢在质子和中子内部，并永远无法被看到。鉴于以上论述，弱核力的无质量对称性被对称破缺隐藏，而强核力的无质量对称性则被夸克禁闭(quarks coninement)隐藏。

这一切的结果是，希格斯在发明一种赋予载力粒子以质量的机制时，考虑的是错误的力。正确的力实际上是弱核力，这是美国的史蒂文·温伯格和英国的阿布斯·萨拉姆(Abdus Salam)在20世纪60年代末认识到的。这两个人努力证明弱核力和电磁力有共同的起源。

回想一下19世纪物理学的伟大成就，由詹姆斯·克莱克·麦克斯韦发现的电力和磁力具有共同的起源。[157]当时有明显的迹象表明二者是有联系的。汉斯·克里斯提安·奥斯特(Hans Christian Oersted)证明了变化的电场会产生磁场，而迈克尔·法拉第证明了变化的磁场会产生电场。但是对于电磁力和弱核力，它们之间并未显示出存在着明显的联系。

电磁力的作用范围是无限的，而弱核力的作用范围仅为质子直径的1%。尽管电磁力能够使带电粒子在空间中移动，但弱核力却可以使电荷在粒子之间移动，从而将一种粒子神奇地转化为另一种粒子。例如，在放射性β衰变过程中，将中子转化为质子(严格来说，是弱核力将中子内一种味的夸克——下夸克，变成另一种味的夸克——上夸克)。

弱核力对于太阳至关重要，因为需要弱核力的核反应很罕见(在量子世界中，“弱”是“不常见”的同义词)。之所以太阳的燃料在数十亿年的时间内逐渐消耗，而不是在一次性爆炸中挥霍掉，就是因为产生阳光的核反应链第一步的稀缺性。这使太阳能够稳定地发光数十亿年，为进化复杂的生命提供了时间。而且，如果这还不足以令人感激，那么弱核力对于在巨大恒星内部发生的核进程中也至关重要。这些恒星合成了对地球生命至关重要的碳、氧和铁等元素。[3]

弱核力似乎与电磁力差别巨大，敢于宣称它们有共同的起源的确需要勇气。在世界上，彩虹和放射性衰变怎么就成了同一基本现象的不同方面呢？但这正是施温格在1956年提出的观点。[158]在20世纪60年代，温伯格、萨拉姆还有其他一些人证明了施温格是对的。也正是在电磁力和弱核力进入电弱的统一中，证明了希格斯观点的价值。

弱核力的短程性确实可以用其质量较大的规范载力子来解释，弱核力载力子的质量几乎是质子的100倍。由于弱诱导的β衰变会向中子添加正电荷以形成质子，因此必须存在一个带正电荷的载力子，这就是W+子。而且由于β衰变可以逆向发生，那么向质子中添加负电荷以形成中子，因此W-子也必须存在。实际上，是施温格预测了W+和W-的存在。出于技术原因，还必须有一个不带电荷的弱核力载体，这就是美国物理学家谢尔登·格拉肖(Sheldon Glashow)在1960年预测的Z0子。W+、W-和Z0一起被称为弱矢量玻色子(weak vector bosons)。

简单说一下什么是玻色子。在自然界，粒子可以携带固有的自旋或称量子自旋，并且只能是基本自旋的整数倍(如0或1)或半整数倍(如1/2或3/2)。前一种类型的粒子被称为玻色子(bosons)，后一种类型的粒子被称为费米子(fermions)。载力子(如光子和胶子)是玻色子；而结构性粒子(如夸克和电子)则是费米子。粒子的自旋与其整体行为之间有着密切的联系。根据自旋统计定理，2个性质相同的玻色子可以同时占据同一位置，但是2个费米子却不能。这就是无法计数的光子很乐意在一束狭窄的激光中携手前行，而电子却为避开彼此而无所不用其极的原因。正是电子的这种强烈的互斥性解释了为什么它们要占据原子中单独的轨道，从而使物质得以延展而形成固体。

在温伯格和萨拉姆的理论中，电磁力的存在是为了维持一种称为U(1)的局域规范对称性。大体上说，就是要保持电子量子波的复杂相位在时空的每个点都相同。弱核力的存在则是为了维持稍微复杂一点的对称性，被称为SU(2)。该对称性涉及一个2×2矩阵，与保罗·狄拉克的著名方程式中使用的矩阵相似，但并不完全相同(请参阅第3章)。这两种对称性合在一起，称为U(1)×SU(2)。正如格拉肖认识到的那样，电弱载力子变成了光子和Z0子，这是由2种对称性及W-子和W+子的混合而产生的。Z0子只不过是有质量的光子，我们可以把它看作重光(heavy light)。

由于规范载力子必须服从局域规范对称性，因而载力子都是无质量的。在宇宙大爆炸最初的超高能量条件下，可能会发生这种情况。进入希格斯机制，这种情况下的希格斯场就比用墨西哥草帽描述的情况稍微复杂一点。这就是所谓的具有4个分量的SU(2)状态，产生4个戈德斯通玻色子，或称希格斯子。W+子、W-子和Z0子将其中3个玻色子吞噬，在这个过程中赋予它们质量(光子不参与这个过程，因而保持无质量状态)。剩余的粒子则是具有内在质量的希格斯玻色子，彼得·希格斯在1964年8月预测了它的存在。

截至2012年7月，标准模型(即3种非引力的量子场论)中所有基本粒子的有力证据都在实验中被发现。[159]这些基本粒子包括6种夸克，分别是上夸克、下夸克、粲夸克、奇异夸克、顶夸克和底夸克；6种轻子，即电子、电子中微子、μ子、μ子中微子、τ子和τ子中微子；以及12种载力子：其中，光子介导电磁力，W+子、W-子和Z0子传递弱核力，8种胶子传递强核力。[4]

并不是所有模型中的粒子都被发现了，应该说，除了希格斯粒子(Higgs particle)外，所有的粒子都被发现了。

2012年7月4日，伦敦卫理公会中心大厅

在大厅舞台后面的屏幕显示欧洲核子研究中心的新闻发布会开始了。实验室的主礼堂座无虚席，甚至比伦敦卫理公会中心大厅还拥挤。巴特沃斯已经在回答热心记者的问题了，令他沮丧的是，他只能断断续续地从巨型屏幕上了解那边的实况。

在欧洲核子研究中心，ATLAS和CMS实验室的发言人法比奥拉·吉亚诺蒂(Fabiola Gianotti)和乔·因肯德拉(Joe Incandela)正在会议现场。大型强子对撞机是有史以来最复杂的机器，填满了瑞士和法国边境下方长达27千米的圆形隧道。该隧道与伦敦地铁的环线一样长，之前被大型正负电子对撞机(the Large Electron-Positron collider， LEP)所占据。

大型正负电子对撞机的碰撞能量能够达到的强度是有限的，因为每当电子和正电子被加速时——当环绕在大型正负电子对撞机隧道周围的强大磁铁将正负电子的径迹弯曲成圆弧时——这些正负电子就会发射电磁辐射，从而削弱碰撞的能量。然而，至关重要的是，这种同步辐射(synchrotron radiation)对轻粒子产生的影响比重粒子更明显。事实上，这取决于粒子质量的负四次方，因此，比电子重2000倍的质子产生的同步辐射大约只有电子的10万亿分之一。这就是为什么要用大型强子对撞机(LHC)替换隧道中的大型正负电子对撞机了。(顺便说一句，强子是任何受到强核力作用的粒子。)

大型强子对撞机的环形真空管道位于瑞士和法国之间距离地面100米的地下。要强迫超高能质子沿这条环形管道运行，就需要用尽可能强的电磁铁来弯曲质子的径迹。实际上，流过这些电磁线圈的电流能够达到12 000安培。如此高的电流自然会产生大量的热量，但是大型强子对撞机的1232个偏转磁体，每个长15米、重35吨，由特制的超导线圈制成，并由液态氦——世界上最好的制冷剂——冷却。在零下271.3摄氏度，也就是仅比绝对零度高1.9开尔文的情况下，线圈对电流不产生任何阻力，保持超导状态，因此不会发热。然而，在2008年9月10日的测试开始后不久，就在大型强子对撞机第一次注入质子束时，两个磁体之间的连接失去了超导性。这导致了火花的产生，火花击穿了长达27千米的冷却容器——有史以来最大的冰箱——逸出的液态氦迅速气化膨胀发生爆炸，导致750米的磁环被损坏。事故使该计划的进程推迟了一年多。

好在自2009年11月重启以来，大型强子对撞机一直运行顺利。在ATLAS和CMS内部，质子之间以光速的99.9999991%发生碰撞，再现了宇宙诞生后1000亿分之一秒的瞬间——此时，大爆炸火球的温度约为1000万亿摄氏度。严格来说，这种碰撞不是质子之间的碰撞，而是质子的构成粒子夸克和胶子之间的碰撞。从碰撞的能量中产生了夸克和胶子的射流。射流中产生了大量奇异粒子，这些奇异粒子在极短的时间之内就转化为更多的亚原子碎片。通过硬件和软件的手段，从这些眼花缭乱的亚原子射流中滤除了大多数事件信号，仅留下最罕见的特征信号——那种物理学家正在寻找的希格斯玻色子的特征信号。

但即使在射流中产生了这种粒子，其也会因为存活时间太短而很难直接被检测到。诀窍就是寻找它衰减后的粒子，这些粒子可以从混乱不堪的背景中区分出来。ATLAS寻找的是一种罕见的光子对，它们是由希格斯玻色子产生的W+和W-粒子衰变而成的。CMS则寻找罕见的Z0对，也是从希格斯衰变中产生的。ATLAS和CMS实验室的物理学家要尽可能相互隐瞒彼此取得的进展，因为欧洲核子研究中心最想要的就是由完全独立的双重证实的实验结果。

巴特沃斯大致知道吉亚诺蒂会讲些什么，因为前一天吉亚诺蒂在同事们面前排练演讲时，巴特沃斯也在欧洲核子研究中心的萨尔·居里(Salle Curie)会议室。然而，当吉亚诺蒂的演讲达到**时，巴特沃斯希望不要有人来分他的心。值得庆幸的是，瑞士主会场逐渐高涨的兴奋情绪已经蔓延到了伦敦。卫理公会中心大厅的记者默不作声了，所有人的目光都集中在大银幕上。

吉亚诺蒂正在展示一张曲线图，图中显示了一个126GeV的峰值，是产生质子所需能量的大约126倍。如果ATLAS和CMS看到的是一个来自短暂存在粒子的衰变产物的话，这正是预期的结果。吉亚诺蒂讲了句魅力十足的话：“两个实验结果都达到了‘5-西格玛’的置信度。”[5]

欧洲核子研究中心的会场内一片欢腾，在过去半个小时里耐心倾听技术细节的观众们爆发出了热烈的掌声和欢呼声。电视画面转到满脸通红、面带微笑的彼得·希格斯身上，希格斯是受邀出席此次发布会的，他坐在观众席中间。周围的人都在向希格斯表示祝贺，并争相和他握手。希格斯今年83岁，为人谦和，今天看上去有点激动。他把眼镜往上推了推，像是在擦眼泪。“二人组”成员中的弗朗索瓦·恩格勒特也在现场。一年后，两人分享了2013年诺贝尔物理学奖。[160]

伦敦卫理公会中心大厅会场内也是一片欢腾，人们站起来欢呼着。巴特沃斯已完全忘记了早些时候到达这座大楼时的不快。这是物理学史上重要的时刻。尽管距离日内瓦750千米，但巴特沃斯也觉得自己身在其中。他曾以为自己所从事的工作即便是在物理学界都是冷门，在大众中更没人在意，但周围的气氛表明他错了。不管对物理学了解多少，所有人都意识到这是科学史上的关键时刻，也是人类历史上的关键时刻。

1965年夏天，在爱丁堡大学的一间办公室里，一个腼腆谦虚的人在一篇被拒绝发表的论文中加上了两个句子，预测了迄今出乎意料的有质量粒子的存在。现在，将近40年后，有史以来最复杂的机器(其成本约为50亿欧元)被建造并启动，还找到了这种粒子。[161]或者还没有？

“是希格斯粒子吗，巴特沃斯教授？这真的是希格斯粒子吗？”问题来了。

“我们找到了一种新的、真正的粒子，”巴特沃斯回答说，字斟句酌，“它的表现与希格斯粒子一致。”

“到底是不是希格斯粒子？”

“我们认为是希格斯粒子，但需要做更多的工作来确定。知道它是一种新粒子还不够让人兴奋吗？一种新粒子哎!”

但这对记者来说真还不够。他们总是无情地反复提出这个问题“你们找到希格斯粒子了吗”？这让巴特沃斯觉得既滑稽，又沮丧。

巴特沃斯不愿意做肯定的回答，因为看起来像希格斯粒子的东西，并不意味着就是希格斯粒子。巴特沃斯和同事们需要测量新粒子的性质——量子自旋和其衰变的精确细节——以查看是否那就是标准模型中的希格斯玻色子。但巴特沃斯从内心深处认定它就是，这东西看起来像希格斯玻色子，这家伙闻起来也像希格斯粒子。终于，他们找到了希格斯粒子。

希格斯粒子的发现具有里程碑意义。它是标准模型的最后一块拼图，是350年科学研究的巅峰之作。我们已经确定了宇宙的基本组成部分，并了解了将它们结合在一起的力量。一切事物的存在——你和我、消化饼干、蜗牛、肥皂剧、长颈鹿、恒星和星系——都是为了服从局域规范对称性，这是一切事物呈现的简单原理。

没人知道，为什么大自然如此强烈地希望服从局域规范不变性。用伟大的意大利物理学家恩里科·费米的话来说，“在我来这里之前，我对这个问题感到困惑。听完你的演讲，我仍然很困惑。但困惑来自更高层次”。但是希格斯粒子的发现有力地证实了科学的力量——科学的核心魔力。在这个发现中，人们看到，先在数学方程中编造描述自然的事物，然后再到数学之外的现实世界中去寻找它们。弗兰克·克洛斯表示：“那个写在纸上的方程式可以认识自然，并且48年之后的实验能证明这种认识，很了不起。‘了不起’这个词被人用烂了，但用在这里恰如其分。”[162]

希格斯粒子在标准模型中是独一无二的。因为既没有电荷，也没有量子自旋，所以在基本玻色子中，它是唯一不载力的玻色子，是非规范粒子。事实上，这是迄今为止发现的第一个自旋为0的粒子。电磁力、弱核力和强核力的载体都有自旋1，而假设的引力载体引力子(graviton)预计自旋是2。

希格斯玻色子的质量是质子的126倍，是迄今为止发现的最重的亚原子粒子。由于质量如此之大，它与其他重粒子如顶夸克、底夸克和重的τ轻子的相互作用最为频繁，而且它的行为与理论预测完全一致。没有理由相信它不会像预测的那样，与较轻的夸克和轻子相互作用。然而，这样的相互作用是罕见的，需要更多的数据来证实，就像即将观察到的希格斯粒子与自身的相互作用一样。

希格斯玻色子不是莱昂·莱德曼所称的上帝粒子(God particle)，但借用印度小说家阿兰达蒂·罗伊(Arundhati Roy)的话来说，它是“微物之神”。

虽然希格斯粒子很重要，但它只是希格斯场中短暂划过的涟漪，其真正的意义在于确认希格斯场本身的存在，并揭示场的性质。希格斯场一直是关键所在，与发现一种新的亚原子粒子相比，希格斯场才是更深奥的实体，更具有发展前景。

希格斯场是全新的东西。如前所述，其他场在真空中都为0。那些场可能会因为量子的不确定性而有所振**，但整体平均为0。然而，希格斯场在空间中的任何地方都不是0，并且因为它无处不在，宇宙中的一切都终生沉浸其中。直到2012年7月4日，这还只是一种理论。但是现在，因为已经在希格斯场中观察到了涟漪——希格斯玻色子，我们知道它的确存在。每1个费米子(每1个夸克和轻子)都在不断地与之相互作用。就像W+、W-和Z0一样，这些粒子本质上是无质量的，但与希格斯场的相互作用赋予了它们质量，并且作用强度决定了质量的大小。[163]几个世纪以来，人们所称的质量，现在被认为是基本粒子和希格斯场相互作用的结果。

那么希格斯玻色子本身的质量是从哪里来的呢？好吧，它是通过与自身的相互作用来获得质量的——等着瞧吧!

这里有个附带条件。虽然有两个独立的机制赋予粒子以质量——W+、W-和Z0通过戈德斯通玻色子的交互作用获得质量；费米子(包括希格斯玻色子)与希格斯场的交互作用获得质量——但这些机制仅产生了你身体质量的1%。这是因为你身体的主要组成部分是夸克，而夸克的大部分质量并不是由希格斯玻色子，而是由爱因斯坦的狭义相对论来解释的。在原子核的质子和中子内部，夸克以接近光速的速度运动，正如爱因斯坦指出的，当物体以接近光速运动时，质量会变得更大。[6]

如果在筹建大型强子对撞机时，物理学家们对政客说，这个设备能找到1%质量的产生原因，政客们大概不会支持建造大型强子对撞机。但这1%是至关重要的，因为如果没有希格斯玻色子，你体内的夸克和电子将是无质量的。这意味着这些粒子将以光的速度运动，从而不会停留在原子中，那么一切物质都会分崩离析。没有希格斯场，你和我、恒星和星系都不会存在。

当然，这正是大爆炸极早期的情况。在那种高能量状态下，所有粒子都是无质量的，以光速运动的，其相互作用的方式与今天的低能量宇宙完全不同。小说家莱斯利·珀斯·哈特利(L. P. Hartley)在《一段情》(The Go-Between)一书中写道：“过去是另一个国度：那里的人做不一样的事。”作为人类，发现这一点是我们的伟大胜利。正是希格斯场的开启，让整个世界成为可能。

无处不在的希格斯场可能在控制宇宙方面扮演着某种未知的角色，即使不是这样，其存在本身也已经告诉我们标量场是可能存在的。如前所述，这类场有个关键特性，那就是无论人们的速度如何，在每个人看来，希格斯场都是一样的，因此不与爱因斯坦狭义相对论相冲突。希格斯场的存在提出了一种可能性，即宇宙可能包含其他标量场，并且这些标量场有可能解释一些宇宙中令人费解的特点。例如，人们认为，在宇宙诞生的最初一刹那经历了一个短暂的加速膨胀阶段，即所谓的暴胀(In?ation theory)。奇怪的是，在神秘的暗能量(dark energy)的推动下，今天，宇宙正在以一种缓慢、持久的方式加速膨胀。理论家们怀疑，前一阶段是由施加斥力的标量场驱动的，即所谓的暴胀子(in?aton)，而后一阶段也可能是由标量场驱动的。

然而，关于希格斯场，我们只知道它存在，但不知道它的起源，也不知道为什么它在真空中的平均值不为0，或者它是否真的是世界的基本构成。可以想象，希格斯场可能是像质子和中子这样的场的组合，质子和中子是由3个独立的夸克场组成的。物理学家们希望通过对希格斯玻色子的深入理解，能够获得新的物理洞察力。因为尽管标准模型非常成功，但其中包含了太多人为添加的和令人费解的因素。

许多事情物理学家们根本就不知道，比如，基本粒子的质量为什么是这样的——顶夸克的质量为什么比中微子大了近1万亿倍？基本力之间的相对强度是怎样形成的，为什么电磁力竟然是万有引力的1040倍？为什么会有3个家族的夸克和3个家族的轻子，每一代的质量都比上一代大？更为重大的问题是，在标准模型中没有引力或暗物质的任何位置，尽管已知暗物质比恒星和星系中的可见物质多6倍。标准模型是更高层次理论的近似，而更高层次的理论正是每个人都渴望发现的。

[1]使物体运动的粒子。

[2]不管物体的运动速度如何，每个人看到的怎么可能都是一样的呢？想象一下彩虹，已知颜色是光波相邻的两个峰值之间距离的量度，有些光波的波长比可见光短，有些比可见光长。按照惯常说法，彩虹有7种颜色。可以用从1到7的数字对这些颜色进行编号，1表示最长的波长，7表示最短的波长。事实证明，“颜色”的数量是无限的，可以把它们标记为“-∞”到“+∞”。现在想象它们都存在于空间中。如果你以恒定的速度相对它们飞行，则所有的波看起来都会出现压缩，或“多普勒频移”，所以1会变成2，2会变成3，依此类推。然而，以这种方式移动所有颜色，其结果仍然是一组从负无限跨越到正无限的颜色。因此，不可能用来说明你正在相对于光移动。从某种意义上说，所有颜色的确都存在于空间中。因为根据量子理论，电磁场的每个振动“模式”都必须包含最小的能量。这适用于电磁场的原理，也适用于所有的场，包括希格斯场。

[3]另一方面，弱核力仅影响单向旋转的粒子。想一想这也太怪异了，就好比许多对情侣在五级飓风中跳舞，顺时针旋转的那些人会立即被吹走，而逆时针旋转的那些人却不受影响。弱核力这不正常的一面(实际上令人难以置信)违背了所谓的左右对称性(leftright symmetry)。此问题由美籍华人物理学家吴健雄于1956年发现。

[4]构成物质的基本单位的夸克和轻子是费米子，而把它们结合在一起的载力子是玻色子。所有常规物质都是由这4种粒子构成的：上夸克和下夸克，以及电子和电子中微子(原子核中的质子由2个上夸克和1个下夸克组成，而中子由2个下夸克和1个上夸克组成)。其他夸克和轻子只是这些粒子的较重形式。而为什么大自然选择使其基本构成部分翻3倍，这确实是个谜。

[5]西格玛是一种概率量度：值越大，物理学家就越确信结果是真实的，而不只是偶然结果。置信度为“5-西格玛”时，物理学家们确定，出错的可能性是200万分之一，这就是为什么吉亚诺蒂用“5-西格玛”作为证据的原因。

[6]因为距离越远，夸克之间的强核力就越强，由此推知距离越近，夸克之间的强核力就越弱。在质子和中子内部，强核力是如此之弱，以至于夸克就像是自由粒子。这被称为渐近自由。