理論與實驗

多年來，物理學家一直在等待著一場新革命的出現。

從實驗的角度看，這樣一場革命的到來并非是一件難以想象的事：它或許來自于一臺剛好被調配到正確頻率上的強大設備，觀測到了科學家搜尋已久的暗物質；也或許是來自一臺能看得足夠遠的望遠鏡，從比最古老的恒星還要早的光信號中發現了宇宙暴脹的秘密；又或許，它來自于一個深埋于地底的實驗室，從中微子身上找到了為什么宇宙中充滿的是物質而非反物質的答案。

除了實驗方面的突破，物理學的大部分進展還來自于理論方面的發展。

在物理學中，理論與實驗就好比是同一枚硬幣的正反兩面。理論物理學家為宇宙中的一些難題提出解決方案；實驗物理學家則專注于驗證那些想法。而當實驗物理學家發現一個有趣的結果時，理論物理學家便會提出一種模型來解釋它。

這種相對明確的勞動分工有別于其他科學，比如化學或生物。在那些學科中，理論和實驗的界限往往更加模糊。

在過去一個世紀里，理論物理學家與實驗物理學家在他們各自領域的專業性上都更進了一步。實驗物理學家運用精密復雜的設備來收集數據，比如粒子加速器等。他們置身于高科技的實驗室中，那些地方充滿了酷炫的電子設備，以及可重達數千噸的儀器陣列。而對理論物理學家來說，任何能讓思想肆意發酵的地方都是他們的“實驗室”：一場對話、一塊黑板，甚至是瑞士的某個專利局。（1905年，著名的物理學家愛因斯坦正是在瑞士的一個專利局中，發表了幾篇革命性的論文。）

縱使實驗物理學家使用的工具非常復雜，但它們仍是有形的機器。圖表、繪畫和視頻都可以用來說明它們是如何工作的。相比之下，僅靠簡單的援助并不能幫助我們理解理論物理學家是如何思考，或是如何構想出下一個偉大思想的。

但希望總是有的——如果你愿意聆聽，理論物理學家總是很樂意嘗試解釋他們的理論是如何建立的。

一個標準的模型

物理學家對宇宙的理解可被簡化為兩個基本理論：廣義相對論和量子場論。

廣義相對論是由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）所構想提出的，這是一種支配著宇宙結構的理論，物理學家能通過它來預測并解釋引力以及引力對空間和時間的影響。然而，若要理解粒子以及除引力之外的其他三種基本力——強力、弱力和電磁力，物理學家則需要量子場論。

自然界中的四種基本力。（圖/新原理研究所）

量子場論用非常復雜的數學來描述粒子，但物理學家坎·科里奇（Can Kilic）喜歡將量子場論比作是場舞臺劇：“臺上和臺下都有演員在表演，他們都有臺詞，你可以根據量子場論的規則寫出無窮無盡的劇本。”

在這個類比中，演員就是粒子，演員們所說的臺詞就是粒子間的能量交換——決定著粒子如何運動并該做什么事情。一旦你能描述舞臺上的演員有哪些、誰要與誰對話、說了些什么話，你就對宇宙有了一個描述。在過去的一個世紀里，理論物理學家和實驗物理學家一直在縮小他們的研究范圍，以試圖確定演員是誰、臺詞是什么。

他們的努力發展出了所謂的標準模型，這為基本粒子提供了在這出戲劇中所要扮演的角色。目前，這出戲的演員陣容有12種基本的費米子——它們是物質粒子（也包括對應的反物質粒子）；4種規范玻色子——它們是傳遞力的粒子；以及希格斯玻色子。

粒子物理學的標準模型描述了基本粒子的行為和它們之間的相互作用。（圖/新原理研究所）

書寫劇本的語言既不是中文、也不是英文，而是數學。數學是量子場論的語言。故事的背景被設置在一個宏大的宇宙舞臺上，那些相應的劇本，以一種在一個多世紀以前的物理學家甚至無法想象的方式，清晰地描繪著我們的宇宙。

盡管標準模型已成就斐然，但它仍留有許多亟待解釋的問題。

科里奇說：“沒有人聲稱這就是自然的全貌，我們知道它有許多的缺點。量子場論還缺乏一個好的方法來描述引力——鑒于我們在日常生活中無時無刻都能體驗到引力，這多少有點諷刺。”

統一量子場論和廣義相對論是物理學家的雄心壯志，最終得到的統一理論就是許多物理學家口中的“萬有理論”。這樣的一個理論能夠將支配所有的粒子，以及所有已知的相互作用力囊括在一個理論框架內。物理學家已經提出了一些極具潛力的候選理論，比如弦理論和圈量子引力。

但是，即使這兩種理論最終被一個單一的、綜合的“萬有理論”取代，標準模型也仍有可能以某種形式存在。

科里奇說：“現在沒有人會說牛頓力學被愛因斯坦推翻了。因為無論我們是談論地球的軌道，還是從屋頂上掉落的鋼琴，牛頓力學都是一個近乎完美的美麗理論。”

同樣地，科里奇認為即使物理學不斷地發展進步，標準模型也將會繼續存在。尤其是在過去20年間，標準模型得到了改善，并被進一步地確立為粒子物理學的標準。

理論物理學家波格丹·多布雷斯庫（Bogdan Dobrescu）說：“20年前，理論物理學家還未發現可以解釋質量的希格斯玻色子。與今天相比，那時我們有更多創造新粒子的自由。”

更多的數據為粒子的特征做出了更好的描繪，希格斯玻色子的發現（很符合標準模型）進一步鞏固了標準模型作為一種普遍為人所接受的理論的地位。但這種確認是有代價的：它導致理論物理學家沒有了新的、有趣的研究方向。多布雷斯庫曾笑說：“在某種意義上，我們是標準模型的巨大成功的‘受害者’。”

巨大的問題

可觀測宇宙的范圍大約是930億光年，但為了理解宇宙，物理學家經常要求助于那些小到我們無法測量其大小的亞原子粒子。

理論物理學家拉琦·瑪布巴尼（Rakhi Mahbubani）說：“粒子是構成物質的基本要素，我們所看到的一切、我們生活的世界，都是由粒子組成的。”

正是因為這些粒子，理論物理學家得以研究那些決定著宇宙其余部分的問題，例如：“質量從何而來？”

早在20世紀60年代初，理論物理學家就發現了一個可能的答案——質量可能源自于一個彌漫在宇宙中的場。物理學家通常會用“雞尾酒會”這一類比來解釋這個想法：在一場雞尾酒會上，那些較重的粒子就像是名人一樣，他的周圍總是會聚集著許多的人，使他無法自由地在酒會上移動，也就是說它被賦予了更大的質量。而那些較輕的粒子就像是默默無聞的無名小卒，由于不承受任何關注度的負擔，他們可以輕易地在酒會上移動。這種提供質量的機制后來被稱為希格斯場。

幾十年來，理論物理學家建立了許多理論來描述希格斯玻色子（與希格斯場有關的粒子）“看”起來會是怎樣的。2012年的夏天，物理學家迎來了一個重大的時刻，他們在隱藏于CERN的大型強子對撞機（LHC）的數據中，發現了希格斯玻色子的跡象。

這些跡象是粒子碰撞后留下的微弱痕跡。就像法醫人員在犯罪現場測量飛濺出的血跡一樣，實驗物理學家可以通過計算機來呈現這些特征，以觀察粒子在碰撞時發生了什么。

在梳理高能粒子碰撞的數據時，他們在大約125GeV（這與125個質子的質量大致相當）處發現了一個小的凸起。后來，這個凸起被證明就是希格斯粒子——理論物理學家用多年心血譜寫成的成千上萬的論文終于得到了證實。全世界的物理學家都為這一里程碑式的成就歡欣鼓舞。

希格斯玻色子于2012年被發現，是標準模型中最后一個被發現的粒子。（圖/新原理研究所）

但是，發現希格斯玻色子并不是故事的結束。

實驗物理學家找到的是一種“乖寶寶”希格斯粒子。125GeV希格斯粒子并沒有為我們指向新的物理學，而是與標準模型的預測相符。2016年，LHC又發現了一些數據，數據顯示的希格斯粒子能量為750GeV，但隨后更多的測量表明，這一結果只是一次統計波動。

幾十年來，許多理論物理學家都認同一種未經證實的理論——超對稱，該理論被親切地稱為“SUSY”。對于理論物理學家來說，SUSY之所以具有吸引力，是因為它在標準模型的兩種粒子——費米子與玻色子——之間提出了一種無論在美學還是數學上都令人愉悅的深刻對稱。而750GeV希格斯粒子的發現本可為SUSY提供強有力的證據。

根據對稱性理論，標準模型中的每一個粒子都有其對應的超伙伴。（圖/新原理研究所）

科里奇說：“這是一個美妙的想法。如果我們所知道的每一個粒子都具有另一個行為與之相反的粒子呢？”

例如，一個費米子夸克擁有對應的玻色子——超夸克（squark）；光子會有一個費米子對應物——光微子（photino）。如果真有這些“超對稱粒子”存在，它們將可以解決一個被稱為等級問題的大問題。

科里奇問道：“一個質子或中子的質量大約是1GeV。為什么希格斯粒子的質量與這個值相差并不太多呢？要知道它的質量可以是質子或中子質量的數十億、數萬億、數千萬億倍重啊！但不知為何它并沒有這樣。”

作為一個標量玻色子，希格斯粒子對量子修正具有獨特的敏感性。如果我們計算希格斯粒子的量子修正會得到的結果是無窮大。這意味著希格斯粒子的質量應處于物理定律的失效處，即黑洞形成時的能量，大約為101?GeV——質子質量的101?倍。但希格斯粒子只有125GeV，所以一定有什么東西抵消了量子修正。通過提出“超對稱性粒子”，SUSY回答了這樣一個問題：“有人能把我從這些惱人的量子修正中解救出來嗎？”

在標準模型下，希格斯粒子的量子修正是由費米子和玻色子引起的。在SUSY中，量子修正合計起來恰好為零，因為超對稱粒子會彼此抵消互相的影響。例如，一個頂夸克和一個超夸克就有相反的貢獻，所以總的量子修正為零。在超對稱性粒子相互抵消影響的作用下，希格斯粒子的質量可以好好地維持在較低的水平，即約125GeV，而不是101?GeV。實驗物理學家也能夠用強大的粒子加速器來探測這些超對稱粒子。已進行的許多與粒子有關的實驗研究都把尋找SUSY列為了目標。

瑪布巴尼說：“LHC的整個設計都專注于受SUSY啟發的跡象上。”

但也有一些實驗暗示，在一些更多、更好的數據里，這些跡象全都消失了。目前，我們還沒有關于SUSY的具體證據。

科里奇說：“我們還沒有觀測到任何超對稱粒子，而且我們已經找得非常仔細了。現在有一種可能是它們只是躲在了下一個轉角，但還有一種可能是我們對這個問題的思考方式錯了。”

超越標準模型

那么，在沒有真正的實驗線索的情況下，理論物理學家是如何提出新理論的呢？

科里奇說：“這也并非在完全黑暗的環境下射擊。你知道它的框架，你知道這個游戲的規則。目前為止這可能就像是在這出戲劇中發生了一起謀殺案，我必須弄清楚誰是兇手。是一個還沒有出現的角色嗎？還是一個我已經見過的角色，也許是管家呢。“

瑪布巴尼對實驗物理學家所尋找的那些方向尤為感興趣。大多數實驗作出的一個主要假設是，粒子幾乎會立刻發生衰變——如果SUSY是正確的，很可能也是這樣的。但是在非SUSY理論中，一些粒子的“壽命”是可以很長的，它們的衰變會在實驗物理學家的觀測范圍之外發生。如果粒子在衰變前哪怕是移動了幾米的距離，LHC的儀器也無法察覺。

瑪布巴尼說：“我的論證是，也許在設計實驗搜索時，我們應該開始遠離這些理論偏倚，因為這些偏倚還沒有結出任何果實。還有許多既不是SUSY也不具有相同跡象的世界在等待著我們去探索。

這并不意味著理論物理學家可以隨意地提出任何難以在實驗中被證明的理論，然后就此作罷。

多布雷斯庫說：“你想要的是一個能告訴你如何計算的理論，然后你才能問’在不同的實驗中，粒子的表現會有什么不同’這樣的問題。”

有時，我們并不清楚一個理論能將我們帶向何處。2017年，發表在《物理評論快報》上的一篇論文提出了暗光子和軸子這兩個假想粒子之間的聯系，作者展示了這種假想的連接（即所謂的“傳送門”）將如何影響暗物質的產生。

論文的第一作者金田國雄（Kunio Kaneta）說：“當我們開始這項研究時，并沒有打算要發現一種能產生暗物質的新機制。”

金田的論文代表的是新物理的一種可能方向，現在還無從得知它是否正確。這只是兩個假想粒子之間的假設聯系。絕大多數理論都被證明它們在某些主要方面是錯的或存在缺陷的。但是，由于科學，尤其是理論粒子物理學是一項強調合作的學科，因此衡量一篇論文價值的標準通常不在于它是否準確，而在于它是否能激勵其他物理學家沿著新的思路前進。

瑪布巴尼說：“很多時候他們會說：‘噢！這篇論文真有意思——讓我試試看能不能重現這些結果，或者將論文中提到的設想運用到不同的情景下。’”

人們似乎很容易對“暗光子”和“傳送門”的概念嗤之以鼻，因為這些概念似乎過于異想天開，但許多物理學家敦促那些持懷疑態度的人，謹慎地對待他們的懷疑。

多布雷斯庫說：“如果你是在一個之前沒有人檢測過的框架下測試物理定律，那么你完全有理由期待看到理論物理學家所編織出的那些奇異的事物。”

一些最初聽起來很瘋狂的不尋常事物一次又一次地成為了物理學家的新現實。誠如人們所說——規則就是用來被打破的。

一個深刻的聯系

在物理學中，對稱性一直被視為是最寶藏的法則。

在日常生活中，對稱性隨處可見：無論一個圓如何旋轉，它看上去總是一樣。這種不變性也反映在宇宙中，例如物理定律不會隨著時間的流逝而改變，也不會因為位置的不同而改變。據我們所知，無論是在晚上6點還是早上7點，在北京還是在紐約，引力的作用方式都不會改變。

在20世紀初，數學家埃米·諾特（Emmy Noether）發現了對稱性和守恒原理之間的深刻聯系，她的工作幫助我們證明了能量守恒其實是時間對稱性產生的結果。換句話說：當物理定律不隨時間變化時，能量既不能被創造也不能被毀滅。

諾特定理將守恒定律和對稱性連接起來。如果你在自然界中看到對稱性，那么就可以找到與之對應的守恒量，反之亦然。（圖/新原理研究所）

這些對稱性以及與其相對應的守恒定律，是幾十年乃至幾個世紀都一直堅守的永恒真理。

科里奇說：“能量守恒被探索過、攻擊過、仔細檢查過，它經受住了所有的考驗。”

在物理學中，很少有完全無懈可擊的定律，但能量守恒就幾乎是。

當理論物理學家提出新的想法或新的模型來解釋宇宙時，他們是在一套等級森嚴的限制下進行的。在底層是基本的法則，比如能量守恒、時間和空間的對稱。在其之上的是像狹義相對論這樣的理論，它們是建立在守恒原理之上的。像標準模型這樣的理論是最近才出現的，這些理論基于狹義相對論和守恒原理之上。而在不穩定的頂端則是被廣泛接受、但未經證實的理論，比如SUSY或弦理論。

在這個等級上越往上走，越是容易顛覆傳統的理論。發現標準模型的缺陷（如當初許多物理學家在發現希格斯粒子時期待的那樣）將是一項偉大的成就，但它不會消除物理學中更深層的真理。

科里奇說：“如果你發現能量守恒有問題，或許你需要對整個宇宙進行重新思考。沒有任何東西能比這樣一個意想不到的結果更能激發和激勵物理學界。”

除非出現能夠為能量守恒貼上質疑標簽的驚人實驗結果，否則理論物理學家無疑將繼續把它當作公理來對待。

這并不是說，理論物理學家沒有經歷過他們的基本宇宙觀被推翻的時刻。當愛因斯坦提出狹義相對論時，他挑戰了一個關于我們如何理解宇宙的基本假定。在狹義相對論之前，空間和時間被認為是兩種獨立的現象；但在愛因斯坦之后，空間和時間的概念在物理學家心中被不可逆轉地交織在了一起。

物理學家、哲學家和史學家托馬斯·庫恩（Thomas Kuhn）將科學上的這些罕見的、改變了世界的時刻稱為“范式轉移”。它們不僅改變了科學家所擁有的知識，而且也改變了他們對世界的看法。庫恩認為，這些轉變都發生在“危機”四伏的時期，也就是當時的那些相互競爭的理論，受到異常現象和不充足解釋的阻礙。庫恩認為，這些危機將解放科學家，讓他們打破常規、提出新的理論，從而成為新的范式。

現如今，許多理論家認為物理學正處于類似的“危機”之中，因為廣義相對論與量子場論這兩個理論相互矛盾，并且宇宙中還有像暗物質和暗能量這種懸而未決的大問題。

指導原則：美

多布雷斯庫說：“我們正試圖找出最深層的自然法則。”

為了探尋這些問題，物理學家們或許不得不重新審視他們最基本的準則。

面臨的其中一個困難是，這種探索是在一個直覺和常識——這種所有優秀的偵探都具備的技能——可能會使理論物理學家誤入歧途的領域中進行的。

要探索宇宙的最基本部分，物理學家必須在一個完全陌生的能量與距離范圍內進行運作。電子和夸克的世界遵循的是量子法則——這大大有別于我們日常經歷的現實。在量子世界中，即便是像位置和速度這樣簡單的事物都是不確定的。在足夠高的能量下，粒子會做出奇異的行為，比如它們會短暫的出現又消失。

科里奇說：“我們缺乏的正是對這種極端的自然極限下的直覺。”

盡管如此，理論物理學家們還是試圖發展出適用于這一領域的直覺：例如像費曼圖這樣的視覺輔助，就能夠幫助理論物理學家更好地理解以及“描繪”粒子之間會如何相互作用。

1948年，戴森（Freeman Dyson）將費曼圖可以被轉化為數學語言。（圖/新原理研究所）

在過去的半個世紀中，理論物理學家基于量子場論所作出的預測一次又一次通過了實驗的驗證。理論物理學家越來越相信他們有能力洞悉宇宙發展的秘密。他們擴展了自己的洞察力、直覺和數學能力以構建一類更宏大的理論，比如SUSY。

但是現在，在缺乏能明確證明這些“超越標準模型”理論的證據的情況下，一些物理學家正在重新思考他們的偏倚。

瑪布巴尼說：“也許我們的偏倚在現實中并不像我們希望的那樣擁有良好的基礎。”

他認為，許多偏向特定模型或思考宇宙的方式的偏倚就像一種嗜好或審美，它們是物理學家在某一領域工作多年后才累積發展出的，它們的存在就如同可用來判別哪些想法是可接受的、哪些是不可接受的指導方針一樣。

簡潔是理論物理學家偏愛的美學特征。英國廣播公司（BBC）在2016年舉辦了一個列舉“最美方程式”的活動——獲得第一名的是狄拉克方程。

倫敦大學學院的物理學家喬恩·巴特沃斯（Jon Butterworth）評論說：“我喜歡狄拉克方程，因為它結合了優雅的數學和大量的物理結果。”這種簡潔優雅的審美理想遍布整個理論物理學，但它仍是難以捉摸的。

狄拉克方程還預言了反物質的存在。（圖/新原理研究所）

《紐約客》在一篇文章中向幾位理論物理學家提出了關于“優雅”的問題，其中包括弦理論研究方面的領軍學者愛德華·威滕（Edward Witten）。威滕簡單地說：“你給我定義一下音樂，我就會試著去定義優雅。”

理論物理學家的偏倚是有一些很好的理由的。自德謨克利特（Democritus）提出原子以來，還原論就一直服務于物理學家。普適化的原理讓牛頓對引力有了無與倫比的洞察力。在某種程度上，美使得狄拉克在反物質被實驗發現之前，就已經建立了一個可以預測反物質的方程。

但也許是運氣才讓我們的偏倚恰好與理論一致。或者，這些偏倚可能只與某些理論一致，與其他的并不一致。

瑪布巴尼說：“我不知道該多信任我們傳統上持有的美學觀點。當我們要尋找一種描述自然的理論時，美學對我們能有什么幫助嗎？對此我毫無頭緒。如果能那自然最好，但我擔心的是它們并不能。”

理論上

這絕非是一件容易的工作。

“你永遠無法知道靈感會何時出現，或者是否會出現。”瑪布巴尼說道，她說有時覺得這就像是拔牙一樣——不知漫長的痛苦何時才能終結。

理論上，失去希望、放棄追尋“宇宙如何運作”這類問題的答案，并轉向去攻克簡單一點的問題，似乎是更簡單的選擇。

然而，理論物理學家卻并不是這樣選擇的。相反，他們總在逐漸削減知識的壁壘。他們敢于提出那些可能最終認為是毫無根據的想法，因為他們深知這是科學進步的一部分。

在發現希格斯粒子的幾十年之前，物理學家想出了許多其他的質量機制，比如“擬色”、“頂夸克冷凝”，甚至還有“非粒子物理學”。這些都是黑暗中的摸索，但又是必要過程的一部分。正如理查德·費曼（Richard Feynman）所說：“為了取得進展，人們必須打開通向未知世界的那扇大門。”

你或許會困惑，為什么理論物理學家要陷入這樣一段艱難的過程——用盡多年時間前往那些可能是死胡同的道路？直到你親眼所見親耳所聞他們的熱情——那種興奮與激情說明了一切。

瑪布巴尼說：“一旦你有了一個想法——一個你真正想要知道答案的想法的種子，從那刻起，一切就變得簡單了。接下來你要做的不是工作，而是純粹的游戲，一個你絕不想要停止的游戲。”

下一個偉大的理論物理學革命的細節尚且模糊，我們無從知道它會在何時發生、誰會是第一個想到它的人、這個偉大的想法又會是什么樣。但是，如果說歷史教會了我們什么的話，那就是不要忽視那些將畢生精力都致力于探索宇宙的人們。

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