規範原理

這裡有一個物理學中最令人驚嘆的想法，平白說出來就是：你只要對一個任意的選擇吹毛求疵，就能推導出一種力的存在。先取一個具有整體對稱性的物質理論——某種你可以在所有地方以同樣方式行使的描述自由。然後提出唯一一項要求：這份自由應當能夠在局域使用，在空間和時間的每一點都可以不同。為了滿足這一要求，數學逼出一個新場，其耦合方式被完全確定。這個新場就是一種基本力。這套邏輯——輸入對稱性，輸出力——就是規範原理。

走一遍電磁學就能看到它如何運轉。電子的量子描述帶有一個相位，單看它本身毫無物理意義；在所有地方同時重新定義它（整體變換）不費分毫。但若要求能在每一點獨立地重新定義它，方程就垮了：描述電子場如何在空間中變化的那一項，此刻冒出了不想要的殘餘。唯一的解藥，是引入一個補償場，在電子移動時把那些殘餘「減掉」。這個補償場就是電磁場，它的量子是光子，而它必須如何掛接到電子上——強度由電荷設定——是被規定的，而非被選擇的。把同一套配方用到更豐富的對稱性上，就生成膠子以及 W、Z 玻色子。

規範原理是標準模型為何恰好擁有它那些力、並恰好帶有所觀測到的交互作用的深層原因——它把對局域對稱性的願望，轉化為關於力傳遞者的、可檢驗的硬預言。它的勝利是真實的，包括在 W、Z 玻色子被發現之前就精確地預言了它們。兩個坦誠的注意點：其一，這條原理本身並不解釋大自然為何選了這些特定的對稱性——那仍是一個未解之謎。其二，它並不直接賦予力傳遞者質量；W、Z 的質量需要一項額外的成分（希格斯機制），因為樸素的規範不變性本來禁止它們帶質量。