物理學陷入困境：接下來該怎麼辦？（中）

馬修·查默斯：來自英國布里斯托爾的自由撰稿人，2012年在《科學美國人》雜誌上撰文《後希格斯粒子時代》。他表示，發現希格斯粒子之後，要對這種粒子進行更精細的研究，大型強子對撞機（LHC）已無法勝任。現在，科學家提出了4種方案，建造新一代對撞機，提高研究精度，以期發現標準模型之外的物理現象。

希格斯粒子進入死胡同

希格斯玻色子的發現讓歷史上最精確的科學模型——粒子物理學標準模型得以完整，但是，「一個故事的結束，也是另一個故事的開始」，這也預示著新問題即將出現。

1964年2月，披頭士樂隊心中時刻想的就是讓美國為之傾倒，而彼時彼刻，一些強大的物質也在理論物理學家穆雷·蓋爾曼的大腦中盤旋。蓋爾曼思考的問題是：組成物質的原子和中子本身是否也由更小的物質組成呢？他將這種更小的物質命名為「夸克」。「夸克」一詞是穆雷·蓋爾曼改編自愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根守靈夜》（FinnegansWake）中的詩句：「向麥克老大三呼夸克。」取這一名字僅僅因為蓋爾曼喜歡這個單詞的發音，就像夸脫一樣。

那時，物理學對變革理念的渴求就像困在沙漠中的人對綠洲的渴求一樣強烈。科學家們在宇宙射線中發現了幾十個奇異的新粒子，這似乎不合情理也毫無緣由。蓋爾曼發明的夸克使質子、中子和所有這些新粒子可以被描述為兩個或者三個更基本的粒子的組合。

對於大多數物理學家來說，這一想法有點太過於超前了。新粒子打破了既定的規則，因為其擁有+2/3、-1/3這樣的電荷，而且，科學家們或許也從來不會看到這些粒子「獨自起舞」。情況為什麼會變得這麼奇妙呢？

為什麼就不能如此呢？現就職於墨西哥州桑塔費研究所的蓋爾曼反駁道：「每個人都在說，這也不可能，那也不可能，但或許本來就毫無道理，或許自然就是如此奇妙。」結果也表明正是如此。現在，夸克已經成為所有科學裡最禁得住檢驗的理論模型——粒子物理學標準模型的基礎。在40年的歲月中，標準模型展示出了不可思議的能力，一次次地將理論學家們的夢想變成無可辯駁的事實。2012年7月，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC）實驗組宣稱發現了希格斯玻色子，這只是標準模型最新、最驚人、最引人矚目的一次展示而已。

儘管科學家們已經取得了如此驚人的成就，但是，「盛極而衰」「物理學已日薄西山」等言語卻不絕於耳。有了希格斯玻色子，明顯不完整的標準模型變得更加完整完滿，但是，這並不表示該模型沒有瑕疵，而實驗也無力再提供線索，供科學家們創建出更好的模型來彌補其不足。歷史再次重演，粒子物理學理論再次呼喚全新的變革。

美國得克薩斯大學奧斯汀分校的理論學家斯蒂芬·溫伯格於1974年提出了「標準模型」。溫伯格表示：我並不希望這一術語成為教條，我希望它成為交流和實驗的基礎，讓科學家們藉此獲得一些證據，證明標準模型是錯的。標準模型的基本要義在一張明信片上就能表述清楚：6個夸克成雙成對，構成除了質量以外其他一切都一模一樣的三「代」；諸如電子和中子等6個「輕子」也採用同樣的方式排列；另外還有一小撮玻色子在夸克和輕子之間傳遞自然界最基本的作用力。

關於這些粒子最重要的事情是，它們在本質上都是量子粒子。量子理論源於20世紀初非常關鍵的發現，這些發現表明，原子釋放和吸收的輻射之所有具有這樣的波長，只能夠過假定能量被打包成不連續的小份或者「量子」來解釋。順著這條思路，我們就能推導出一個怪異的二象性，在最小的尺度上，粒子是波，波也是粒子。這些「身份」含混不清的波—粒子的運動並不遵從牛頓經典力學，而是在抽象的數學空間中的奇異規則下跳著概率的舞蹈。

到了上世紀20年代中期，量子力學大體已經成型，也經受住了所有實驗的考驗。但是，在上世紀20年代晚期，物理學天才、獲得諾貝爾獎的最年輕的理論物理學家保羅·狄拉克和其他人開始探究將量子力學和愛因斯坦的廣義相對論關聯起來，這一舉動在描述以接近光速運動的粒子方面邁出了關鍵的一步，自此，科學研究進入另外一番新天地。

1928年，狄拉克提出了一個電子運動的相對論性量子力學方程，即狄拉克方程，該方程擁有不止一個解，這似乎預示著存在著這樣一種粒子，其屬性和電子類似，但是，電荷相反。五年後，科學家們在宇宙射線中發現了這種「正電子」。理論學家們也順勢而動，提出了「反物質」這一概念。

量子場論作為標準模型的理論基礎，也是上述邏輯的集大成者。用場來傳遞力這一想法可以追溯到19世紀英國物理學家、化學家邁克爾·法拉第，但是，量子場的數學結構給這些量子場賦予了一些奇怪的屬性：它們可以從空無一物的真空中製造出粒子，再讓其湮滅於無形。因此，根據量子電動力學理論的觀點，兩個電子之所以會相互排斥，是因為一個光量子（光子）「作祟」，光量子是電磁場的量子粒子，不知所起而且會從一個電子傳到另一個電子那兒。無數個這樣的「虛擬」粒子不斷出沒，會輕微改變經典電子或者說「裸」電子的屬性。自從上世紀40年代以來，很多實驗都證實了這種變化，而且，精確程度令人瞠目結舌。

量子理論將其他力囊括其中也頗費了一番功夫，花費了更長時間。在輻射衰變中將一種粒子變成另一種粒子的弱核力很長時間以來都被難以控制的無窮大所困擾，這就使得除了最簡單的一些效應以外，其他計算都陷入無望。時間繼續向前推進，到了上世紀60年代，溫伯格等人終於找到出路，將弱核力與電磁力統一成弱電力，這種弱電力只在能量極高的環境（比如早期宇宙）下才會「現身」。

正如狄拉克方程預言了反物質的存在一樣，這一理論也預示了可能存在一些迄今還沒有被看到的粒子：大質量的W和Z玻色子——其主要作用是傳遞目前已經成弱電力中分離出來的短程弱核力以及希格斯玻色子。希格斯玻色子一定要存在，才能確保W和Z玻色子在統一的弱電力被分解成電磁力和弱核力的所謂「破缺」過程中獲得質量，從而將弱核力限制在原子距離範圍內；然而，與此同時，傳遞電磁力的光子則不會獲得質量，這就使得它們能夠自由自在地在宇宙中穿梭馳騁。

與此同時，強核力（讓原子核緊緊依附在一起的作用力）的量子場理論也上演了一出「鹹魚翻身」的好戲，用該理論的聯合創立者、美國加州大學聖巴巴拉分校的戴維·格羅斯的話來說，就是「從鬧劇到勝利」。量子色動力學也是蓋爾曼創造出的一個術語，量子色動力學通過將夸克之間的相互作用描述為它們不斷交換8種攜帶「色荷」的膠子，最終讓夸克名聲大噪；該理論還展示了夸克非常獨特的一點：那就是兩個夸克距離越遠，它們之間的作用力就越強。格羅斯說：「該理論不但揭示了為什麼質子看上去由夸克構成，而且也解釋了為什麼這些夸克從來不會被拉出質子的管轄疆域。」

上述基本上就是標準模型的全部故事了。到了1973年，披頭士樂隊的成員們已經分道揚鑣，而在接下來的一段時期內，科學家們做出了一連串激動人心的發明，使得標準模型最終成型，其中包括約束所有粒子的行為的弱電統一理論以及僅僅對夸克和膠子起作用的量子色動力學。標準模型不僅充滿智慧而且非常優美。標準模型的方程式具有極端完美的對稱性，不僅描述了自然界中各種力的本質和特徵，也告訴物理學家們應該前往何處尋找什麼新粒子。

果不其然，新粒子在粒子對撞機的數據中逐個「顯山露水」，這讓理論學家們狂喜不已。上世紀60年代末，科學家們就已經在實驗室獲得了三個夸克存在的證據，但是，直到上世紀70年代末，美國物理學家們才推測出第四和第五種夸克粒子的存在，並最終在1995年推測出立刻第6個種「頂」夸克粒子的存在。

到了2000年，最後一個輕子τ中微子才被科學家們收入囊中。在這場發現新粒子的戰爭的另一端，德國漢堡城外的德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學家們於1979年捕獲了膠子；歐洲核子研究中心的科學家們在1983年抓住了W和Z玻色子。當時光機器前進到2012年時，歐洲核子研究中心的科學家們才眾望所歸地發現了標準模型預測的最著名的也是最後一種粒子——希格斯玻色子。

對於溫伯格來說，標準模型的勝利之路顯得非常特別。他說：「你在辦公桌上用一些數學公式和概念來打發時間，然後發現，在花費了數十億美元之後，實驗物理學家們證實了這些想法，難道還有比這更加特別的事情嗎？」既然如此，但是，為什麼他和其他科學家並沒有想像中得那麼高興呢？令人驚奇的特徵 原因多種多樣。有些還涉及到美學。例如，為什麼粒子會被分成三代？為什麼最重的夸克的質量是最輕的夸克的7.5萬倍？標準模型的方程式或許非常簡潔優美，但是，為了讓它們具有預測中的能力，科學家們必須為其設定20多個「自由」參數，比如粒子的質量等。一個真正基本的理論，應該能夠藉助量子理論的力量，或者某些還沒有人想到的更深層的理論，來清除這些惱人的枝枝蔓蔓。 實際上，從技術上來講，標準模型並沒有統一強核力。弱電理論和量子色動力學只是被捆綁在一起，並不像弱核力和電磁力在量子層面上統一在一起。這也是科學家們在朝著最終獲得萬物之理的艱難路途上最先遇到的一個「攔路虎」。不僅如此，還不算我們之前談到的引力，迄今為止，引力還是用廣義相對論來描述的，而廣義相對論顯然與量子理論不合拍。既然說到了重力，為什麼與其他作用力相比，重力顯得如此虛弱不堪呢（兩個質子間的電磁力的強度是質子間引力的1038倍）？這個所謂的「等級問題」是標準模型最令人困惑不已的特徵之一。 也有實驗證據表明，標準模型並非那麼盡善盡美。比如，科學家們原先假定沒有質量的中子實際上卻有很小的質量。這玷污了標準模型的數學一致性，但或許也會成為科學家們創建標準模型以外的新物理模型的第一個指針。更神秘的仍然是暗物質和暗能量，宇宙學家們認為，宇宙96%的成分都由這兩名「暗勢力」組成，不過，標準模型對其身份仍然「緘口不言」。 面對這些溝壑，理論學家們又開始向一直行之有效的老辦法求助：用新粒子和對稱性來填補空白。但這一次，現實似乎不買賬。目前為止，還沒有一台粒子對撞機找到意料之外的奇異粒子的蛛絲馬跡，即使大型強子對撞機也概莫能外，儘管該機器目前還沒有達到最高能量運行的狀態。溫伯格表示：「極有可能，大型強子對撞機能做的就是繼續驗證標準模型的正確性而已。」 那麼，接下來我們應該怎麼辦呢？簡而言之，我們並不知道。我們沒有從大型強子對撞機或者其他地方得到進一步的引導，我們會發現我們自己同希臘哲學家德謨克利特當時的境遇差不多——當時，他提出物質不可能被無限制地分割，2000年以後才被實驗推翻。值得我們記住的是，第一個符合德謨克利特的描述的「原子」並非整個故事的結局。儘管標準模型取得了如此巨大的成功，但是，對於蓋爾曼的夸克是否會成為另外一個「原子」，我們仍然一無所知。不顧一切地尋找萬物之理 一個最終將所有物理學理論整合在一起的大一統理論似乎還和以前一樣，距離我們非常遙遠——但是，這並不意味著我們應該停止追尋這個夢想的腳步。 責備古時候的希臘人吧，一切都是他們引起的——是古希臘的一些科學家首先開始反對過去流傳的種種神話創世說，提出世界的本原是一些物質性的元素，如水、氣、火等，從而拉開了現代物理學研究的帷幕。責備古希臘人這一想法或許聽起來足夠合情合理，但是，潘多拉的魔盒一旦打開，就無法再關閉。如果我們深挖下去，我們能夠揭示現實的基礎：物質最終由什麼組成？其一舉一動受什麼規則支配。如果我們再進一步深究，我們將最終獲得金礦——天地萬物如何運轉的理論。 在某種意義上，我們已經做得足夠好了。量子理論的奇異之處或許讓我們迷惑不已，但是，建立在其上的粒子物理的標準模型則將一切簡化為幾個基本的粒子以及僅僅三種力。廣義相對論提出的時空彎曲理論，用令人驚嘆的精確性描述了一個被第四種力——引力所支配的宇宙，為我們提供了另外一種看待宇宙的角度。是的，這兩個理論各有千秋，但是，我們最終能找到一個將二者合二為一的萬物之理嗎？ 如果用這個問題詢問很多物理學家，他們可能會暴跳如雷。「基本的粒子物理學已經非常完美了，就像俄國化學家季米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫制定的元素周期表一樣。」英國牛津大學的科學家戴維·德馳表示，「元素周期表一直在給事物歸類，而且也承認存在著一個基礎結構，只是，我們並不知道這個基礎結構是什麼而已。」 關鍵的問題是，量子力學和廣義相對論從根本上而言並不兼容。一般而言，我們用相對論來描述非常大的物體，比如星星、星系乃至整個宇宙等；同時，我們則借用量子理論來闡述非常小尺度的物體，比如分子、原子、亞原子粒子等，這都沒有問題。但是，為了完全而徹底地理解整個宇宙，我們必須知道微小的新生宇宙為何會變得如此龐大：追溯到大爆炸時代，就需要兩個理論一起工作才行。 黑洞的存在也需要如此。就像斯蒂芬·霍金和以色列科學家、黑洞熱力學的奠基人之一雅各布·大衛·貝肯斯坦在上世紀70年代所證明的那樣，黑洞這樣符合廣義相對論的龐然大物或許會破壞被量子理論所禁止的信息。 即使像時間和空間這樣基礎的事物也會告訴我們，當量子理論和廣義相對論相遇時，情況會變得多糟糕。相對論的時空是一個平滑的四維毯子；而作為標準物理模型基礎的量子場理論則表明，時空是由大小約為10-35米的像素點單元所組成，量子場論甚至並不將時間看成是真實且可觀察的事物。 當物理學家們被要求在量子理論和廣義相對論之間做出一個選擇時，大多數物理學家可能會將錢壓在量子理論那邊，他們認為量子理論是「對」的，因為量子理論的數學基礎是一個非常成功的稜鏡，讓科學家們得以縱觀整個世界。當然，也有些人繼承了愛因斯坦的衣缽，對量子力學看起來的「不現實性」、怪異性以及表面不相關的物體之間反常識的聯繫提出了質疑。這些科學家們認為，如果我們不能為這些聯繫為什麼會如此找到令人信服的物理原因，量子理論或許只是某些更好的理論的近似。 科學家們試圖打破這一僵局，為此，他們提出了一些受到廣受支持的數學概念，諸如對稱等。其中之一就是超對稱，科學家們普遍認為超對稱是通往弦理論的一站，弦理論也是科學家們認為可以成為萬物之理的候選理論。弦理論預測，空間中隱藏著其他我們目前還沒發現的額外維度，誘發對稱性嵌入這些維度會讓能量彎曲成幾何狀態，這些幾何形狀看起來就像某些基本粒子，或者像空間遇到質量時發生彎曲的方式。 弦理論也對粒子進行了很多可靠的描述，其中包括科學家們一直在努力追尋的引力子——一種攜帶引力的量子粒子。因此，弦理論只需幾步就能在量子理論的基礎上，將自然界中的四種作用力統一起來。但是，與其他為萬物之理而提出的架構一樣，弦理論也存在著巨大的缺陷。美國亞利桑那州立大學的科學家保羅·戴維斯表示：「弦理論確實預測了新事物，但是，在可見的未來，科學家們幾乎無法測試它正確與否。」 荷蘭內梅亨大學大學的雷納特·洛爾表示，這種無能為力意味著萬物之理或許根本就無法獲得。英國帝國理工學院的克里斯·依沙姆表示：「過一段時間，你看會在報紙上看到萬物之理，此時，弦理論正當盛年，但是，它也會完全過時，走進歷史的故紙堆中。」 依沙姆認為，從心理上來講，萬物之理「非常令人振奮」，但是，我們並沒有理由認為萬物之理確實存在，或者我們能發現它。我們已經利用數學做出了如此眾多的科學發現，這的確令人驚嘆，但是，這並不意味著我們能繼續沿著這條路前進，並做出更多重大發現。 德馳認為：「數學只能揭示抽象對象的真相。而物理學與其說是試圖研究這些對象，還不如說是發現哪個對象更符合現實。據我們所知，迄今為止，我們用來構建物理學理論的純數學的比例非常小。」 例如，粒子和場以及空間和時間之間的所有關係都能用一系列可在圖靈機（圖靈機是我們目前廣泛使用的計算機的基礎）上計算出來的數學運算表示出來。但是，德馳指出，為了在獲得萬物之理這條路上取得進步，我們可能需要進入一些目前無法由計算機計算出來的數學領域。 而且，德馳進一步表示，我們必須摒棄過去幾個世紀里已經讓我們取得巨大進步的一個想法，那就是，如果我們從數學開始進行研究，現實也會跟著數學方法走。相反，我們必須首先用我們對物理宇宙的理解來解決問題，也即宇宙中的物質正在慢慢減少，或者為什麼引力比其他作用力更加微弱等；另外，我們也要儘力弄清楚，我們的宇宙觀發生什麼變化才能解決這個問題。德馳指出：「很多理論物理學家們試圖首先用數學方法開始，但這根本無濟於事，永遠不會成功。」 萬物之理值得我們如此勞心費神嗎？戴維斯認為，是值得的，只是我們必須清楚，即使萬物之理——至少物理學家們如此定義它，也可能無法解答所有問題。戴維斯說：「萬物之理將有助於我們揭示生命的起源或者意識的本質這樣的問題。」美國哈佛大學的理論物理學家麗莎·藍道爾也是粒子物理學和宇宙學領域的權威。她則說得更加直接。她說：「即便我們最終知道了這個作為基礎的理論，那麼，我們打算如何解釋我們的存在這個事實呢？」 或許，推動科學家們持續不斷地進行研究的最大動力並不在於我們最終會獲得什麼結果，而在於我們沿著哪條道路會達到這一目的。我們最大的、最能讓生活發生翻天覆地變化的科學探索的動力來源是，我們希望讓物理學變得更簡單並將我們對自然界的各種紛繁複雜的理解整合在一起。比如，詹姆斯·克拉克·麥克斯韋將我們對電和磁的理解統一在了一起，為有史以來最現代化的技術——信息技術提供了理論基礎；愛因斯坦則用簡單的方程式E=mc2將與質量和能量有關的概念集成在一起，引領人類進入核時代並獲得其他高新技術。「從歷史的角度來看，科學家們的努力探索都會給我們帶來一定的成果，引導我們前往一個更現代化的社會。」戴維斯如是說。 但戴維斯同時也強調，對於任何僅僅因為一己之私追尋萬物之理的人來說，最終都可能面臨著鎩羽而歸的風險，而且，這些人也面臨著和19世紀晚期那些認為物理學已經完整的人犯同樣錯誤的危險。戴維斯強調說：「你或許會提出一些不可思議的想法，然後慶祝這是人類文明史上的一次巨大進步，但總有人會提出更好的想法。」
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