第9章 蒸发真空

热，一无所有，统一

在整个宇宙历史中，大于95%的时间内，我们都可以这样简略地描述我们的宇宙：宇宙在膨胀。由于膨胀，物质继续扩散。宇宙的密度持续减小，温度继续降低。在最大的尺度上，宇宙具有对称、各向同性的外观。不过宇宙并不总是如此。关于最早时期，我们会有一段气氛热烈的报道，因为在那段时间里，宇宙在极速改变。我们现在知道，宇宙过去所发生的一切直接影响着我们今天对它的认识。

在本章中，我们将焦点集中在大爆炸之后的最初时刻。人们相信，宇宙的对称性在那个时候发生过巨变，而每一种改变都在宇宙的历史中留下了一段意义截然不同于其他的时期。尽管关于今日宇宙的报道可以参照几十亿年前的内容，但是报道宇宙中对称性极速变化的初创时期的工作则非常富有挑战性，因为我们完全不熟悉那个时候物质与力的基本结构。我们要了解的内容与热和对称性的相互影响有关，并且我们需要反思一下我们关于真空和一无所有的概念。我们将会看到，这样的反思将并不仅仅丰富我们关于宇宙最初时刻的知识，还能够引导我们向着牛顿、麦克斯韦，特别是爱因斯坦追寻的统一之梦迈进一步。同样重要的是，这样的一些理论进展将为最现代的宇宙学理论框架暴胀宇宙学——一种能够回答一些标准大爆炸宇宙学解释不了的最困难最麻烦的问题的方法——打下基础。

热与对称性

事物在极热或极冷的时候一般会有所改变。有的时候这种改变太过强烈，以至于你无法认出它的本来面貌。大爆炸之后处于极热状态的宇宙随着空间的膨胀和冷却而温度降低，了解温度改变所带来的效应将会帮助我们搞清宇宙的早期历史。但是真正开始之前，让我们先看看比较简单的例子，我们来了解一下冰。

如果你将一块非常冷的冰加热，你会发现最初没什么变化。虽然那个时候冰的温度在增加，但它看起来一点变化都没有。但是如果一直把它加热到0摄氏度，并且不停下来，你会突然看到发生了某些奇妙的事情。固态的冰开始融化成液态的水。不过这种熟悉的现象不是你要注意的，你要注意的是冰和水之间的密切关系。一种是坚硬的冰，而另一种是流动的水。只从表面看的话，我们很难想象它们的分子结构竟然都是H2O。如果你以前从没见过冰和水出现在一起，你可能就会认为它们是完全无关的。那么在温度达到0摄氏度的时候，你就会非常吃惊地发现，它们可以彼此转化。

继续加热水，你又会发现除了温度升高外没有任何其他变化。等到温度达到100摄氏度的时候，又会突然出现一种变化：液态的水开始沸腾并且变成了水蒸气。表面看来，这种热得发烫的气体同液态的水和固态的冰没有任何关系。但是我们知道，这3种物质由相同的分子组成。从固态到液态以及从液态到气态的这种变化称为相变。如果温度变化的范围足够大，大部分物质都会有类似的改变过程。

对称性在相变的过程中具有核心地位。在几乎所有的情况中，我们都会发现相变前后某种东西的对称性发生了变化。比如，在分子的尺度上，冰具有晶体结构，所有的H2O分子排成有序的六边形。就像图8.1中的盒子一样，冰的分子也会在某些特定的操作下保持整体不变，比如绕着某些特定的轴转动60度这样的操作。另一方面，如果我们加热冰的话，其晶体结构就会化为混乱但均匀的分子团——液态的水——这样的结构在关于任何轴的任何角度的变换下都保持不变。因而，将冰加热使其经历固液相变，我们就可以使它具有更高的对称性（只靠直觉的话，你可能会认为更加有序的东西，比如冰，会具有更高的对称性，但事实并不是这样；如果我们说某种东西具有更高的对称性，那么这种东西一定能在更多的变换下——比如转动变换下——具有不变性）。

类似地，如果我们加热水使其变为水蒸气，其间的相变也会导致对称性增加。水中的H2O分子紧紧挤在一起，每个分子氢的一面紧紧挨着其邻近氧的一面。如果你能够旋转这个或那个分子，你就会破坏水中的分子排列模式。但是当水沸腾变为水蒸气的时候，分子就会四处飘散；H2O分子的排列方向就再也不具有任何规律可言，这个时候不管你怎样旋转单个分子或是一群分子，水蒸气表面上都没有任何改变。也就是说，固液相变能够增加对称性，液气相变也会增加对称性。对于大部分的物质（不过并不是所有物质）来说，也是如此。当它们经历固液相变或液气相变的时候，对称性会相应地增加。

反过来，冷却水的时候也会有类似的过程发生，只不过方向要相反。例如，冷却水蒸气的时候，最开始什么变化也没有，但随着温度低于100摄氏度，水蒸气突然开始凝结成水；继续冷却水，仍然没有任何变化，直到温度低于0摄氏度，水突然开始结冰。还像前面那样考虑对称性的话——只不过一切相反——我们就会得出结论：在这样的两种相变过程中，对称性减少了。

关于冰、水、水蒸气及其对称性，我们能说的就是这么多。那么它们与宇宙又有什么关系呢？我们现在就来谈谈。20世纪70年代的时候，物理学家们认识到并不只有宇宙中的物质才能经历相变，宇宙本身作为一个整体也可以发生相变。在过去的140亿年间，宇宙稳步地膨胀减压，就像一个压力减少的车胎会慢慢变凉，膨胀中的宇宙，它的温度也在稳定地降低。在这个温度降低的过程中，大部分的时间内什么特别的事情也没有发生。但是我们有理由相信，宇宙曾经历过某些特别的临界温度——就像水蒸气的100摄氏度和水的0摄氏度，在这样的临界点处宇宙急剧改变，对称性快速减少。很多物理学家相信我们现在生活在宇宙“凝聚”或“冻结”的相，现今的宇宙与早前的宇宙应该有很大的不同。说到宇宙的相变时，我们不能简单地把它理解成气体凝结成液体、液体冻结成固体的过程；虽然定性来说，宇宙的相变与这些人们熟知的相变过程有些类似。我们要了解的是，宇宙在某个温度经历相变的时候，发生凝结或冻结的“物质”不是别的，而是场——更确切地说，是希格斯场。我们马上就看看这究竟是怎么一回事。

力，物质，希格斯场

场的概念是很多现代物理学的理论框架。第3章中讨论过的电磁场或许是所有自然界中的场中最简单、最为人所熟知的一个。想想无线电、电视信号、手机沟通、太阳的热与光，我们所有的人都在电磁场的海浪中畅游。光子是电磁场的基本组成，我们可以将它看作电磁力的微观传递者。当你看到某个东西的时候，你可以这样想象：波动的电磁场正在进入你的眼睛并且刺激着你的视网膜；又或者说是大量的光子正进入你的眼睛并且刺激着你的视网膜。正因为如此，光子有的时候被称为电磁力的信使粒子。

引力场是另一种大家熟悉的场，引力场无时不在，始终如一地把我们和我们身边的事物牢牢地锚定在地球表面。和电磁场一样，引力场的波涛也使我们深深地浸入其中。在我们看来，地球的引力场起主要作用，但同时我们也能感受到太阳、月亮和其他星球的引力场带来的影响。正如光子组成了电磁场，物理学家们也相信引力场是由引力子组成的。虽然实验上还没能发现引力子，但是人们对此并不惊奇。引力是人们目前为止所发现的最弱的力（一块普通的电冰箱磁铁就能吸起来一个纸夹，也就是说这块普通的磁铁施加给纸夹的电磁力就能大过纸夹所受到的引力，可见引力是多么的弱），因而我们能够理解实验学家们还没能发现这种最弱的力的组成粒子。但即使这样，很多物理学家仍然相信引力子（引力的信使粒子）能像光子（电磁力的信使粒子）传递电磁力一样传递引力。你失手落下一只杯子的时候，你可以想象成是地球的引力场在推着这只杯子向下飞落；或者，你也可以用爱因斯坦更加精练的几何描述：地球的存在导致了时空结构的弯曲，杯子沿着弯曲的时空结构滑行；又或者，如果你相信引力子真的存在的话，你可以把这个过程想象成繁忙的引力子在杯子和地球之间来来回回地运动，传递着引力要“告诉”杯子向地球上落下的“信息”。

除了这两种著名的力场，自然界中还有另外两种力——强核力和弱核力，它们的影响也通过场表现出来。核力之所以不像电磁力和引力那么著名是因为它们只在原子和亚原子尺度上起作用。但即使这样，它们也影响着我们的日常生活：使太阳能够发光放热的核聚变，原子反应堆中的核裂变，以及放射性元素如铀和钚的放射性衰变等，其重要性不言而喻。强核力和弱核力的场称为杨—米尔斯场，这是根据杨振宁和罗伯特·米尔斯命名的，这两位物理学家在20世纪50年代提出了研究强核力和弱核力所需要的理论基础。正如电磁场是由光子组成，引力场被认为是由引力子组成，强核力场和弱核力场也有其微粒组分。强核力的粒子被称为胶子，而弱核力的粒子是W粒子和Z粒子。这些传递力的粒子的存在已经在20世纪70年代末80年代初由德国和瑞士的加速器实验证实。

场的概念也可以应用于物质。量子力学的概率波自身就可被看作遍布于空间的场，而正是这种场使得某个物质粒子按一定概率出现在某个位置。比如说，一个电子，既可以被看成是一个粒子——能够在图4.4所示的荧光屏上留下一个点，也可以（并且必须）被看成是一种波场，正是这种波场使得图4.3（b）中的荧光屏上出现干涉图样。事实上，尽管我并不打算进一步深入探讨，但有必要提一下，电子的概率波与所谓的电子场密切相关，电子场是一种在很多方面与电磁场非常类似的场，其中电子扮演着与电磁场中的光子类似的角色，电子是电子场的最小组分。这里对场的有关描述也适用于所有其他种类的物质粒子。

讨论过物质场和力场之后，你可能会认为我们已经讨论过所有的场了。但很多人相信故事远未结束。很多物理学家坚信，还有第3种场。虽然人们从未在实验上发现过这种场，但在过去的几十年间，这种场却一直在现代宇宙思想和基本粒子物理中扮演着重要角色。这种场被称为希格斯场，以苏格兰物理学家彼得·希格斯的名字命名。如果我们要在下一小节中讲到的思想是正确的，那么宇宙中就会填满希格斯海——大爆炸后的冷却残余——正是它的存在，组成你、我以及我们所遇到的一切事物的粒子才具有它们该有的很多性质。

冷却宇宙中的场

温度对场的影响同温度对物质的影响一样。温度越高，场的值就会变化得越猛烈——就像水壶中急剧沸腾的水的表面一样。无论是在今日冰冷的深层空间中（绝对零度之上2.7度，或者用惯用的方式表示，2.7开），还是在暖和些的地球上，场值的变化都不大。但是，在大爆炸之后的一瞬间，温度极高——在大爆炸之后的10-43秒，人们相信那时的宇宙温度可高达1032开——所有的场都处在剧烈动荡中。

随着宇宙渐渐膨胀，温度逐渐降低，物质及辐射最初所具有的巨大密度稳步衰减，宇宙中的大片区域变得前所未有的空荡，场的波动渐渐平息。对于大多数的场来说，这意味着它们的值总体上趋近于零。在某些时刻，某种场的值会略大于零（形成波峰）；而在另外的某些时刻，这种场的值又可能略微低于零（形成波谷），但是平均下来，大部分场的值都会逼近零——直觉上，我们认为场值在虚无的真空中就应该是零。

希格斯场就在这里登场了。研究人员已经认识到，在大爆炸之后的灼热温度下，希格斯场这种特殊的场具有同其他的场类似的性质：狂乱地上下波动。但是研究者们相信（正如温度降低得足够多时，水蒸气会凝结成液态的水），随着宇宙温度降低得足够多，希格斯场会在整个空间中凝聚成一个特别的非零场值。我们在物理学中将这个称为非零希格斯场真空期望值的形成——不过我们不用专业术语，我在下面会将其称为希格斯海的形成。

这多少有点像把青蛙扔到热的铁碗中时发生的事。我们一起来看看图9.1（a），图中是一个烧热的铁碗，铁碗的中间放着一些蚯蚓。刚开始的时候，青蛙会四处乱蹦——忽上忽下，忽左忽右——以免自己的腿被烫伤。总的来说，这个时候青蛙离铁碗的中心很远，甚至都不知道那里还有美味。但是随着碗的温度降低，青蛙渐渐冷静下来，懒得到处乱蹦了，于是它就会慢慢滑到碗的中央。在那里，它就会发现那些蚯蚓，然后享用自己的美味了，如图9.1（b）所示。

但如果碗的形状有所不同，如图9.1（c）所示，则结果就会有所不同。我们再想象一次：首先，碗还是很热，蚯蚓还是待在碗的中心，只不过现在碗的中心是鼓起的。然后，你再把青蛙扔进碗中，它又会四处乱蹦，还是没能注意到位于碗中心的礼物。接下来，温度逐渐降低了，青蛙又懒了下来，不再跳了，慢慢地顺着光滑的碗壁滑了下来。但是因为现在的形状不一样了，青蛙到不了碗的中心了，这时不用费劲就能到达的地方是碗的谷底，而这里没有蚯蚓，如图9.1（d）所示。

如果我们将青蛙与蚯蚓之间的距离想象成场的值（青蛙离蚯蚓越远，场的值也就越大），将青蛙所处的高度想象成场中所具有的能量（青蛙在碗中的位置越高，场中的能量也就越大），那么，图9.1中的这些例子就能很好地帮助我们理解当宇宙温度降低时场的行为。宇宙的温度很高的时候，场的值也在急剧变化，就像碗中四处乱蹦的青蛙一样。随着宇宙逐渐冷却下来，场也变得“冷静”多了，场的值开始减少变化，最终滑到最低能量状态的位置。

于是问题来了。就像青蛙例子一样，这里也可能有两种定性上不同的结果。如果场的能量碗——所谓的势能——的形状类似于图9.1（a）所示的那样，整个空间中的场值都会滑落为零，也就是势能碗的中心处，就像青蛙最终会滑落到蚯蚓堆一样。但是，如果场的势能看起来像图9.1（c）所示的那样，场值就不会总能落到零，也就是场的中心。相反，正如青蛙会滑到碗中的谷底，而那里到蚯蚓堆还有一段距离，场值也将滑落到凹处——此处与碗中心的距离非零——而这就意味着场有非零值。后者即为希格斯场的特性。随着宇宙冷却下来，希格斯场的值落入谷底，永远没法变成零。又因为我们所描述的乃是整个空间中一致发生的情况，所以整个宇宙中就会均匀地填满非零的希格斯场——希格斯海。

这一过程的发生原因使希格斯海的基本特性显露无遗。当空间中的某处变得越来越冷、越来越空时——因为其中的物质与辐射越来越少——该区域的能量就会变得越来越低。将这种情况推至极限，你将会认识到，如果将你某一空间区域的能量尽可能地降低，那么这一区域就会变得尽可能的空。对于填塞空间的普通场来说，当它们的场值滑落至图9.1（b）所示的碗中央时，它们的能量就达到最低；当它们的场值为零时，它们的能量也为零。这在直觉上很好理解，因为我们要想将空间中的某处变空，就得令一切事物，包括场值，都变成零。

但是对于希格斯场来说就不一样了。正如青蛙要想到图9.1（c）中的中央高地上并跟蚯蚓堆零距离的话，它就得有足够的力量从碗中的谷底蹦到高地上；希格斯场要想达到碗中央并且使其值为零的话，也得有足够的能量使其超越碗中的高地。相反，如果青蛙没什么劲了，它就会滑到碗中的谷底，如图9.1（d）所示——这样一来距离蚯蚓堆就是非零距离了。类似地，要是一个希格斯场没有能量或者能量太少的话，该希格斯场也只能滑落到碗谷——与碗中央的距离非零——从而具有非零的场值。

为迫使希格斯场有一个零值——看起来只有这个值才能使你将场从空间中完全除去，看起来也只有这个值才能使你获得什么也没有的空间——你必须提高它的能量，这样一来，从能量的角度说，空间就不会达到它所能达到的空。这听起来有点自相矛盾，消除希格斯场——也就是说使其场值为零——等价于为所讨论的区域注入能量。我们可以用那种消除噪声的耳机打个不太恰当的比方。这种耳机会制造声波来抵消来自外界的噪声，从而使环境噪声没有机会敲击你的耳膜。如果耳机工作良好，那它制造声音的时候你就什么也听不见，而当你把它关掉的时候你就会听到环境噪声。正如按程序制造的声音弥漫于耳机的时候，你听到的反而少了。研究人员相信，当其间弥漫着希格斯海的时候，冰冷的空间所拥有的能量才能达到最少——空间也才能达到尽可能的空。学者将最空的空间称为真空，现在我们知道，真空中实际上满是均匀的希格斯场。

为整个空间中的希格斯场假定一个非零值——形成希格斯海——的这种程序被称为对称性自发破缺，是20世纪后几十年中理论物理学界出现的最重要的思想。我们一起来看看这是为什么。

希格斯海与质量起源

如果希格斯场的值不为零——如果我们都在希格斯场的汪洋中畅游——我们是不是应该能够感觉到它或者看到它又或者能够用别的什么方式知道它的存在呢？当然是这样。现代理论宣称我们能够感知到希格斯场的存在。前后挥挥你的手臂，你能感觉到你的肌肉牵引着你的手臂来来回回地摆动。如果你再多握一只碗，你的肌肉就得更卖力一点才能使你挥动你的手臂，这是因为它需要移动更大的质量，因而也就需要更多的力。在这层意义上，一个物体的质量代表的是它抗拒被移动的能力；或更确切地说，一个物体的质量代表的是它抗拒运动状态的改变的能力。所谓运动状态的改变就是获得加速度，也就是被改变速度（不管是大小还是方向），比如开始向左运动，然后又向右运动，接着再向左运动。但是，这种抗拒被加速的能力来自哪里？或者，用物理学的语言说，是什么使得物体具有惯性？

在第2章和第3章中，我们看到了牛顿、马赫和爱因斯坦各自提出的种种回答，这些回答都只是这一问题的部分解答。这些物理学家们都试图找到一种静止的标准，从而使得人们可以相对于这种静止来定义加速度，他们之所以讨论旋转水桶这个实验为的就是这个目的。对于牛顿来说，这一标准就是绝对空间；对于马赫来说，这一标准就是远方的群星；对于爱因斯坦来说，开始的时候这一标准是绝对时空（狭义相对论），之后换成了引力场（广义相对论）。但是，一旦确定下来这一静止的标准，特别是确定下了定义加速度的基准，这些物理学家就再也不深入探讨物体为什么会抗拒加速度了。也就是说，这些科学家中没有一个讨论过物体获得质量——也就是惯性，抗拒被加速的性质——的机制。现在我们有了希格斯场这一概念，物理学家们可以对这一问题给出答案了。

组成你手臂的原子，你捡起来的保龄球，都是由质子、中子和电子构成的。而实验学家们又在20世纪60年代末期发现，质子和中子是由3个更小的粒子组成，这种更小的粒子就是夸克。所以，当你挥动手臂的时候，你实际上在挥动组成手臂的夸克和电子，这样的观念将使我们接近事情的关键之处。现代理论所说的、我们都深浸其中的希格斯场，与夸克和电子都可以相互作用：这种相互作用使希格斯场阻碍了夸克和电子的加速，就好像掉进蜜罐的乒乓球会被黏得难以移动。正是这种阻力拖住了各种微粒的运动，从而使你能够感受到你自己手臂的质量以及你所挥舞的保龄球的质量，又或者你正在投出的其他物体的质量，甚至是你加速冲过百米终点时你整个身体的质量。因而，我们的确能感知到希格斯海的存在。我们每天使用数千次、用以改变这样或那样物体运动状态——通过施加加速度——的力都是为了抗拒希格斯海的阻力而存在的。

蜜罐的这个比喻贴切地抓住了希格斯海的某些方面。你要是想给一个浸在蜜罐中的乒乓球加速的话，你就得付出比在乒乓球台上更大的力气才行——蜜罐中的乒乓球比不在蜜罐中的乒乓球更加抗拒速度的改变，看起来就好像乒乓球的质量变大了一样。希格斯海的情形与此类似：由于基本粒子与无所不在的希格斯海之间存在相互作用，基本粒子也会抗拒自身速度的改变——换种说法就是获得了质量。不过，我必须提醒读者注意的是，蜜罐的这个比喻有3处带有误导性质的地方。

首先，你总可以伸手到蜜罐里把乒乓球拿出来。这样，它那种抗拒加速的特点就消失了。但是基本粒子就不一样了。今天，人们普遍认为希格斯海无处不在；因而，我们没办法使粒子逃脱它的影响，无论什么地方的粒子都有它们本该有的质量。其次，蜜罐使得乒乓球抗拒所有的运动，但是受希格斯海影响的基本粒子只抗拒加速运动。一个在蜜罐中运动的乒乓球速度会慢慢减小，但是一个在外层空间匀速运动的粒子则不会因为希格斯海的“阻力”而速度减小，它仍旧保持匀速运动。只有当我们加速或减速一个粒子的时候，希格斯海才会通过我们所施加的力来展现它的存在。最后，考虑由基本粒子所构成的各种现实物质的时候，情况又有所不同，质量还有另外的来源。强核力将夸克结合在一起，组成质子和中子。也就是说，在夸克之间来来往往的胶子（强核力的信使粒子）将夸克“胶连”在一起。人们通过实验发现，胶子通常具有很高的能量。根据爱因斯坦的质能方程E=mc2，我们知道，能量（E）可以以质量（m）的形式体现出来。因而，质子和中子内部的胶子可以为这些粒子的总质量带来很大的贡献。总而言之，更准确的说法是：希格斯海那蜜罐一般的黏滞力使电子和夸克这样的基本粒子获得质量；这些基本粒子又可以组合成复合粒子，比如说质子、中子以及原子之类；但是在这个组合过程中，其他的质量起源也要起作用。

物理学家们假定了希格斯海阻止不同种类粒子加速的能力有所不同。这一假定很重要，因为已知的各种基本粒子质量各不相同。比如，人们早就知道质子和中子是由两种夸克（分别称为上夸克和下夸克：质子由两个上夸克和一个下夸克组成；中子由两个下夸克和一个上夸克组成）组成的，多年的原子对撞机实验使人们又发现了另外的4种夸克。所有这些夸克的质量分布在一个很大的范围内——最小的只有质子质量的0.0047倍，而最大的则有质子质量的189倍。物理学家们认为，各种基本粒子的质量之所以彼此不同，是因为不同种类的基本粒子同希格斯海的相互作用强度各不相同。如果一个粒子同希格斯海的相互作用很小甚至根本没有，那它就只受很小或根本不受希格斯海的阻碍，因而其质量也就很小或者根本没有。光子就是一个这样的粒子，光子可以完全不受影响地穿行在希格斯海中，因而也就全无质量。另一方面，如果一个粒子与希格斯海的相互作用非常的强，那它就会有很大的质量。最重的夸克（顶夸克）的质量大约是电子质量的350000倍，也就是说，这种夸克与希格斯海相互作用的强度是电子与希格斯海相互作用强度的350000倍；在希格斯海中加速这样的夸克非常困难，这也就是这种夸克那么重的原因。如果我们将粒子的质量比作一个人的名气，那希格斯海就可以算作狗仔队：平常的老百姓可以随意地在成群的摄影师中穿行，但是政治名人或电影明星要想过去可就得费点劲了。

我们这样来理解一个粒子的质量为什么不同于另一个粒子的质量当然可以，但是人们现今还不能从根本上解释已知粒子是怎样与希格斯海相互作用的。因而，人们也就无法从根本上解释基本粒子为什么具有实验上观测到的那个质量。不过，很多物理学家相信，要不是有希格斯海的存在，所有的基本粒子都应该像光子一样无质量。事实上，我们将会看到，这种情况很有可能就是宇宙最初时刻的情况。

冷却宇宙中的统一

水蒸气在100摄氏度的时候凝结成水，水在0摄氏度的时候结冰；理论研究告诉我们，希格斯场在千万亿（1015）摄氏度的时候出现非零的真空期望值。这个温度大约是太阳中心温度的1亿倍；人们相信，这个温度也是大爆炸之后千亿分之一（10-11）秒时的宇宙温度。在大爆炸之后10-11秒之前，希格斯场剧烈振荡但平均值为零；就像100摄氏度以上的水在沸腾一样，这样温度的希格斯场也像沸腾了一样难以平静。希格斯海瞬间蒸发。没有了希格斯海，各种粒子的加速运动不受任何阻碍（狗仔队消失了），也就是说，所有的粒子（电子、上夸克、下夸克和其他的各种粒子）的质量都一样——全都是零。

这样的认识部分解释了希格斯海的形成为什么要用宇宙相变来描述。在由水蒸气到水和由水到冰的相变过程中，有两件重要的事情发生。一个是外在性质上的改变，另一个是对称性的减少。在希格斯海的形成过程中，我们也可以看到这两方面的改变。一方面，有一个性质上的转变：曾经无质量的粒子突然获得质量——我们今天看到的粒子所具有的质量。另一方面，这一转变过程伴随着对称性的减少：希格斯海形成之前，所有的粒子具有相同的质量——零质量，事物具有高度的对称性。如果你互换两种不同粒子的质量，没有任何人会发现，因为所有粒子的质量都一样。但是希格斯场凝聚之后，粒子的质量变为非零——且不等——值，质量之间的对称性不复存在了。

事实上，由于希格斯海的形成而减少的对称性非常多。1015摄氏度以上，希格斯场还没有凝聚。这个时候，并不只是所有的物质粒子无质量，由于没有希格斯海的阻碍，所有力的粒子也无质量（如今，弱核力的信使粒子——W粒子和Z粒子的质量分别是质子质量的86倍和97倍）。这时，正如20世纪60年代由谢尔顿·格拉肖、史蒂文·温伯格和阿卜杜斯·萨拉姆最先发现的那样，所有力的粒子的无质量性意味着另一种美妙的对称性。

早在19世纪后期，麦克斯韦就认识到，原本人们以为彼此截然不同的电和磁，实际上是同一种力——电磁力——的不同方面（参见本书第3章的内容）。麦克斯韦发现，电和磁彼此补足，两者是一种更具对称性的统一整体的阴阳两面。格拉肖、温伯格和萨拉姆发现了这一故事的下面几章。这几位科学家发现，在希格斯海形成之前，力的粒子并不仅是有相同的质量——都是零，光子、W粒子和Z粒子在所有其他方面本质上也都一样。将一片雪花转过某些特殊角度，从而使其不同的梢部交换位置，雪花看起来完全没发生变化；在没有希格斯海的情况下，互换电磁力与弱核力的信使粒子——也就是将光子与W粒子和Z粒子交换，物理过程也不会发生变化。雪花在旋转变换中保持不变意味着某种对称性（转动对称性）的存在；互换不同力的信使粒子后物理过程不受影响也意味着某种对称性，这种对称性由于技术上的原因被称为规范对称性，其意义极其深刻。这些粒子的作用是传递力——它们是不同力的信使粒子——因而，这些粒子之间的对称性也就意味着力之间的对称性。所以，温度足够高的时候，今天无处不在的希格斯海将会被蒸发掉，此时的弱核力与电磁力别无二致。也就是说，随着希格斯海在足够高的温度下蒸发掉，弱核力和电磁力之间的区别也随之蒸发。

格拉肖、温伯格与萨拉姆扩充了麦克斯韦一个世纪前的陈年发现，他们发现电磁力和弱核力不过是同一种力的两面。这3位物理学家成功将电磁力和弱核力统一为我们今天所称的电弱力。

现如今，电磁力和弱核力之间的对称性已经不再明显地表现出来。这是因为，随着宇宙冷却，希格斯海形成，光子、W粒子与Z粒子分别以不同的强度与凝聚的希格斯场相互作用。这就是问题的关键所在。光子可以在希格斯海中自由穿行——就像不再引起狗仔队兴趣的过气明星一样——仍然保持无质量。但是W粒子和Z粒子——就像比尔·克林顿和麦当娜一样——则会受到希格斯海的阻碍，它们分别获得了各自的质量，一个是质子质量的86倍，另一个是质子质量的97倍（注意：狗仔队这个比喻可与大小无关，但质量是与大小有关的）。于是，我们看到的电磁力和弱核力就显得如此不同。两者背后潜在的对称性“破缺”了，深埋在了希格斯海中。

这样的结论令人非常吃惊。在今天的温度下看起来完全不同的两种力——与光、电和磁这些现象有关的电磁力，以及与辐射衰变有关的弱核力——在本质上竟然是同一种力的两个不同方面，而之所以看起来不同竟然是非零的希格斯场遮盖了这两种力之间的对称性。这也就意味着，我们平常以为完全虚无的空间——真空，一无所有——竟然扮演了一个关键的角色，正是它使得世界看起来如我们所见。只有蒸发掉真空，将温度提到足够高从而使希格斯场被蒸发掉——也就是说，希格斯场在整个空间中的平均值为零——潜藏在大自然中的完整对称性才会显现出来。

格拉肖、温伯格与萨拉姆发展这些想法的时候，人们还没能在实验上发现W粒子和Z粒子。带着对理论的力量和对称性的美的坚定信念，这3位物理学家满怀信心地向前推进理论。他们的勇敢得到了回报。实验适时地发现了W粒子和Z粒子，从而确证了电弱理论的正确性。格拉肖、温伯格与萨拉姆透过肤浅的表面现象——他们克服了一无所有造成的障眼法——发现了将自然界4种力中的两种联系起来的对称性。由于成功统一了电磁力和弱核力，这3位物理学家于1979年被授予诺贝尔物理学奖。

大统一

我还是个大一学生的时候，会时不时地拜访我的导师，物理学家霍华德·乔奇。大部分时候我没什么话好说，不过那一般没什么关系，乔奇总有一些令人兴奋的东西与感兴趣的学生分享。有那么一次，乔奇特别来劲地讲了1个多小时，满黑板都是符号和方程。我也听得非常激动，不住地点头。但是坦率地讲，我当时什么都没听懂。几年之后我才认识到，乔奇当时是在讲一些实验方案，他要用这些方案来检验他当时的理论发现——大统一理论。

电弱理论的成功使人们很自然地提出一个问题：如果自然界中的两种力在宇宙的早期曾是统一的整体的话，那么有没有可能在宇宙演化的更早期，温度更高的时候，自然界中的3种力甚至全部4种力之间的差别全都消失掉，从而导致自然界有更高的对称性？这个问题实际上提出了一种激动人心的可能性：大自然中很可能只有一种基本的力，这种基本的力在一系列的宇宙相变之后分化成了我们今天看到的截然不同的4种力。1974年，乔奇和格拉肖提出了第一个奔向这一完全统一目标的理论。他们的大统一理论，以及乔奇、海伦·奎因和温伯格后来的理念，向人们昭示了4种力中的3种——强核力、弱核力和电磁力——都是一种统一力的一部分；而这种统一力只在大爆炸之后的10-35秒之内，温度高达万亿亿亿（1028）摄氏度——太阳中心温度的数十万亿亿倍——的极端条件下才能存在。前面提到的几位物理学家提出，当温度高于1028摄氏度时，光子、强核力的胶子，以及W粒子和Z粒子全部可以彼此自由交换——一种比电弱理论的规范对称性更强的规范对称性——而不会带来任何可观测的物理后果。乔奇和格拉肖据此提出，在这样的高能高温条件下，3种非引力的力粒子之间具有完整的对称性，也就是说，3种非引力的力之间具有完整的对称性。

乔奇和格拉肖的大统一理论还告诉我们，之所以我们今天不能看到这种对称性——将质子和中子紧紧胶连在原子核内部的胶子看起来与弱核力和电磁力完全不同——是因为在温度小于1028摄氏度的时候，出现了另一种希格斯场。这种希格斯场被称为大统一希格斯场（为了避免混淆，我们可以将参与电弱统一的希格斯场称为电弱希格斯场）。类似于它的电弱表弟，大统一希格斯场在1028摄氏度以上也会剧烈波动；计算又告诉我们，当宇宙温度低于1028摄氏度时，大统一希格斯场就会凝聚成非零值。而且，同电弱希格斯场一样，大统一希格斯海形成的时候，宇宙也经历了一次对称性减少的相变过程。这时，由于大统一希格斯海对胶子的影响不同于其对其他粒子的影响，因而强核力与电弱力分开，于是之前唯一的一种非引力的力就一分为二成了两种。再过一点时间，温度又下降了很多之后，电弱希格斯场凝聚，弱核力与电磁力也彼此分开。

但是这样一个美妙的想法——大统一，还没有得到实验的确证（不同于电弱统一）。而且正相反的是，乔奇和格拉肖的原始理论预言了宇宙早期对称性在今天的一条遗迹，这就是质子衰变；大统一理论预言质子可以衰变成其他不同的粒子（比如说反电子和π子之类）。但是在几个精心打造的地下实验室中，历经数年的艰苦实验寻找——这种实验就是很多年前乔奇在他的办公室里兴奋地向我描述的那种实验——并未发现质子衰变，一无所获。这样的实验结果宣判了乔奇和格拉肖理论的命运。不过，在那以后，人们又提出了原始理论的各种变种，这些变种理论可以不被质子衰变实验排除；但是同样的，所有的这些变种理论都没有得到实验的任何支持。

多数物理学家认为大统一是粒子物理中的一个伟大想法，只是还没有真正实现。因为人们已经在电磁力和弱核力中证明了统一和宇宙相变的有效性，所以在很多人看来，将其他的力包括到统一的框架下只是时间问题。我们在第12章中将会看到，在这个方向上，人们已经利用另一种不同的方法向前迈了一大步，这种方法就是超弦理论。尽管这一理论还不完善，仍在发展，但是人们第一次将所有的力——包括引力在内——统一到了一个框架下。但是，即使只在电弱理论的框架下看，有一点也是非常清楚的：我们现在看到的宇宙所展现出来的并不只是早期宇宙的丰富对称性的残余。

以太的回归

对称性破缺的概念及其通过电弱希格斯场的实现，在粒子物理和宇宙学中扮演着核心角色。不过我们的讨论可能会使你想到下面这个问题：如果希格斯海是一种看不见但填满了我们过去认为虚无的真空的东西，那它岂不就是远古的以太概念的现代化身？我的回答是：既对也不对。让我稍做解释：说它对，是的，希格斯海的某些方面还真有点像以太。和以太一样，凝聚的希格斯场遍穿整个空间，无处不在，弥散于每一种物质中，而且作为真空的一个不可移除的性质（除非我们将宇宙加热到1015摄氏度，但是这个我们做不到），希格斯海重新定义了一无所有这个概念。说它不对，因为希格斯海也有不同于原始的以太的地方。人们之所以引入以太的概念是为了替光波的传播找到介质，就像声波可以在空气中传播，那时的人们也要找到光波的传播介质。可希格斯海却与光的运动毫无关系，它对光速一点影响都没有，因而20世纪初通过研究光的运动而排除了以太的实验，对希格斯海一点威胁都没有。

而且，由于希格斯海对任何匀速运动的东西都没有任何影响，它就不能像以太一样找出一种特别的观测点。正相反，即使有希格斯海存在，所有的匀速观测者彼此地位仍然相同，希格斯海并不与狭义相对论冲突。当然，这些观测事实不能证明希格斯海的存在；我们只能说，这些观测事实表明，尽管希格斯海的某些特征类似于以太，但是希格斯海并不与任何理论或实验冲突。

如果真有希格斯场所形成的海，那么，它所带来的物理后果将在未来几年内在实验上得以确证。首先，就像电磁场是由光子组成的，希格斯场也是由某种粒子组成的，这种粒子的名字自然就是希格斯粒子。理论计算表明，如果真有弥漫于整个空间的希格斯海，那么希格斯粒子就应该能在大型强子对撞机（LHC）上的高能对撞残片中找到。LHC是一台巨大的原子对撞机，坐落于瑞士日内瓦的欧洲核子中心（CERN），将于2007年投入运行。简单地说，质子之间大量的正面对撞可能将一些希格斯粒子撞出希格斯海，这就好像水下的高能碰撞可能将某个H2O分子敲出大西洋一样。实验将适时地告诉我们以太的这一现代版本究竟真的存在还是只能拥有以太以前被遗弃的命运。这一问题非常重要，因为我们已经看到，凝聚的希格斯场在当前的基本物理理论框架下扮演着深远而关键的角色。

如果我们不能发现希格斯海，那么我们就得好好反思一下我们已经用了30年的理论体系了。但是一旦找到了希格斯海，那就是理论物理学的一次重大胜利：它将使人们再一次见识对称性的威力，在我们闯入未知领域的时候，正是对称性帮助我们正确地进行数学推演。除此之外，确认希格斯海的存在还有其他的意义。首先，这将会直接证实今天各不相同的力在远古时期曾是统一的整体。其次，我们将会认识到我们长久以来对真空的直观认识——将一个区域内的一切全部取出从而使得该区域的能量和温度降到有多低就多低的水平——非常的幼稚。最空的真空也不必非得是空无一物。因此，不必使用精神方面的概念，就在我们寻找关于空间和时间的答案时，我们也能碰到亨利·摩尔的想法（见第2章）。对于摩尔来说，普通的真空概念毫无意义，因为空间总是盛装着神圣的精神。对于我们来说，普通的真空概念同样难以琢磨，因为真空中可能总是盛装了希格斯海。

熵与时间

图9.2中的是我们所讨论过的相变时间线，这幅图可以帮助我们更好地掌握从大爆炸开始的那一刻到你厨房中的鸡蛋煮熟时宇宙中发生的一系列重大事件。当然，关键的信息仍然隐藏在令人眼花缭乱的表面之下。但是你一定要记住，知道事物如何开始——《战争与和平》的书页顺序，可乐瓶中的二氧化碳分子，大爆炸时的宇宙状态——是知道事物如何演化的关键。只要还有余地，熵就会增加。只要开始很低，熵就会增加。如果《战争与和平》的页序本来就是乱的，再怎么抛撒它，它还是只能保持打乱的页序。如果宇宙开始于一个完全无序的高熵状态，那么以后的宇宙演化也只能保持这一无序状态。

图9.2所示的历史明显不是连续的、不变的、无序度的编年史。即使某些对称性因宇宙相变而消失，宇宙整体的熵还是在稳固的增加中。但是，在最开始宇宙必然处于高度无序的状态，这一事实允许我们将时间上的“向前”与熵增的方向联系起来，但是我们仍需为刚刚诞生时的宇宙那不可思议的低熵——不可思议的高度均匀性——找到一个解释。这就要求我们继续回溯并去努力理解最初时刻——图9.2中模糊地带——究竟是怎样的。现在我们就开始这个任务。