理論與實(shí)驗(yàn)

多年來，物理學(xué)家一直在等待著一場(chǎng)新革命的出現(xiàn)。

從實(shí)驗(yàn)的角度看，這樣一場(chǎng)革命的到來并非是一件難以想象的事：它或許來自于一臺(tái)剛好被調(diào)配到正確頻率上的強(qiáng)大設(shè)備，觀測(cè)到了科學(xué)家搜尋已久的暗物質(zhì)；也或許是來自一臺(tái)能看得足夠遠(yuǎn)的望遠(yuǎn)鏡，從比最古老的恒星還要早的光信號(hào)中發(fā)現(xiàn)了宇宙暴脹的秘密；又或許，它來自于一個(gè)深埋于地底的實(shí)驗(yàn)室，從中微子身上找到了為什么宇宙中充滿的是物質(zhì)而非反物質(zhì)的答案。

除了實(shí)驗(yàn)方面的突破，物理學(xué)的大部分進(jìn)展還來自于理論方面的發(fā)展。

在物理學(xué)中，理論與實(shí)驗(yàn)就好比是同一枚硬幣的正反兩面。理論物理學(xué)家為宇宙中的一些難題提出解決方案；實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家則專注于驗(yàn)證那些想法。而當(dāng)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的結(jié)果時(shí)，理論物理學(xué)家便會(huì)提出一種模型來解釋它。

這種相對(duì)明確的勞動(dòng)分工有別于其他科學(xué)，比如化學(xué)或生物。在那些學(xué)科中，理論和實(shí)驗(yàn)的界限往往更加模糊。

在過去一個(gè)世紀(jì)里，理論物理學(xué)家與實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家在他們各自領(lǐng)域的專業(yè)性上都更進(jìn)了一步。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家運(yùn)用精密復(fù)雜的設(shè)備來收集數(shù)據(jù)，比如粒子加速器等。他們置身于高科技的實(shí)驗(yàn)室中，那些地方充滿了酷炫的電子設(shè)備，以及可重達(dá)數(shù)千噸的儀器陣列。而對(duì)理論物理學(xué)家來說，任何能讓思想肆意發(fā)酵的地方都是他們的“實(shí)驗(yàn)室”：一場(chǎng)對(duì)話、一塊黑板，甚至是瑞士的某個(gè)專利局。（1905年，著名的物理學(xué)家愛因斯坦正是在瑞士的一個(gè)專利局中，發(fā)表了幾篇革命性的論文。）

縱使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家使用的工具非常復(fù)雜，但它們?nèi)允怯行蔚臋C(jī)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(jiǎn)單的援助并不能幫助我們理解理論物理學(xué)家是如何思考，或是如何構(gòu)想出下一個(gè)偉大思想的。

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

一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的模型

物理學(xué)家對(duì)宇宙的理解可被簡(jiǎn)化為兩個(gè)基本理論：廣義相對(duì)論和量子場(chǎng)論。

廣義相對(duì)論是由阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）所構(gòu)想提出的，這是一種支配著宇宙結(jié)構(gòu)的理論，物理學(xué)家能通過它來預(yù)測(cè)并解釋引力以及引力對(duì)空間和時(shí)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(qiáng)力、弱力和電磁力，物理學(xué)家則需要量子場(chǎng)論。

自然界中的四種基本力。（圖/新原理研究所）

量子場(chǎng)論用非常復(fù)雜的數(shù)學(xué)來描述粒子，但物理學(xué)家坎·科里奇（Can Kilic）喜歡將量子場(chǎng)論比作是場(chǎng)舞臺(tái)劇：“臺(tái)上和臺(tái)下都有演員在表演，他們都有臺(tái)詞，你可以根據(jù)量子場(chǎng)論的規(guī)則寫出無窮無盡的劇本。”

在這個(gè)類比中，演員就是粒子，演員們所說的臺(tái)詞就是粒子間的能量交換——決定著粒子如何運(yùn)動(dòng)并該做什么事情。一旦你能描述舞臺(tái)上的演員有哪些、誰要與誰對(duì)話、說了些什么話，你就對(duì)宇宙有了一個(gè)描述。在過去的一個(gè)世紀(jì)里，理論物理學(xué)家和實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一直在縮小他們的研究范圍，以試圖確定演員是誰、臺(tái)詞是什么。

他們的努力發(fā)展出了所謂的標(biāo)準(zhǔn)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(fèi)米子——它們是物質(zhì)粒子（也包括對(duì)應(yīng)的反物質(zhì)粒子）；4種規(guī)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(xué)的標(biāo)準(zhǔn)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(yǔ)言既不是中文、也不是英文，而是數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)是量子場(chǎng)論的語(yǔ)言。故事的背景被設(shè)置在一個(gè)宏大的宇宙舞臺(tái)上，那些相應(yīng)的劇本，以一種在一個(gè)多世紀(jì)以前的物理學(xué)家甚至無法想象的方式，清晰地描繪著我們的宇宙。

盡管標(biāo)準(zhǔn)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(diǎn)。量子場(chǎng)論還缺乏一個(gè)好的方法來描述引力——鑒于我們?cè)谌粘Ｉ钪袩o時(shí)無刻都能體驗(yàn)到引力，這多少有點(diǎn)諷刺。”

統(tǒng)一量子場(chǎng)論和廣義相對(duì)論是物理學(xué)家的雄心壯志，最終得到的統(tǒng)一理論就是許多物理學(xué)家口中的“萬有理論”。這樣的一個(gè)理論能夠?qū)⒅渌械牧Ｗ樱约八幸阎南嗷プ饔昧δ依ㄔ谝粋€(gè)理論框架內(nèi)。物理學(xué)家已經(jīng)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(gè)單一的、綜合的“萬有理論”取代，標(biāo)準(zhǔn)模型也仍有可能以某種形式存在。

科里奇說：“現(xiàn)在沒有人會(huì)說牛頓力學(xué)被愛因斯坦推翻了。因?yàn)闊o論我們是談?wù)摰厍虻能壍溃€是從屋頂上掉落的鋼琴，牛頓力學(xué)都是一個(gè)近乎完美的美麗理論。”

同樣地，科里奇認(rèn)為即使物理學(xué)不斷地發(fā)展進(jìn)步，標(biāo)準(zhǔn)模型也將會(huì)繼續(xù)存在。尤其是在過去20年間，標(biāo)準(zhǔn)模型得到了改善，并被進(jìn)一步地確立為粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)。

理論物理學(xué)家波格丹·多布雷斯庫(kù)（Bogdan Dobrescu）說：“20年前，理論物理學(xué)家還未發(fā)現(xiàn)可以解釋質(zhì)量的希格斯玻色子。與今天相比，那時(shí)我們有更多創(chuàng)造新粒子的自由。”

更多的數(shù)據(jù)為粒子的特征做出了更好的描繪，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)（很符合標(biāo)準(zhǔn)模型）進(jìn)一步鞏固了標(biāo)準(zhǔn)模型作為一種普遍為人所接受的理論的地位。但這種確認(rèn)是有代價(jià)的：它導(dǎo)致理論物理學(xué)家沒有了新的、有趣的研究方向。多布雷斯庫(kù)曾笑說：“在某種意義上，我們是標(biāo)準(zhǔn)模型的巨大成功的‘受害者’。”

巨大的問題

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

理論物理學(xué)家拉琦·瑪布巴尼（Rakhi Mahbubani）說：“粒子是構(gòu)成物質(zhì)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?yàn)檫@些粒子，理論物理學(xué)家得以研究那些決定著宇宙其余部分的問題，例如：“質(zhì)量從何而來？”

早在20世紀(jì)60年代初，理論物理學(xué)家就發(fā)現(xiàn)了一個(gè)可能的答案——質(zhì)量可能源自于一個(gè)彌漫在宇宙中的場(chǎng)。物理學(xué)家通常會(huì)用“雞尾酒會(huì)”這一類比來解釋這個(gè)想法：在一場(chǎng)雞尾酒會(huì)上，那些較重的粒子就像是名人一樣，他的周圍總是會(huì)聚集著許多的人，使他無法自由地在酒會(huì)上移動(dòng)，也就是說它被賦予了更大的質(zhì)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(guān)注度的負(fù)擔(dān)，他們可以輕易地在酒會(huì)上移動(dòng)。這種提供質(zhì)量的機(jī)制后來被稱為希格斯場(chǎng)。

幾十年來，理論物理學(xué)家建立了許多理論來描述希格斯玻色子（與希格斯場(chǎng)有關(guān)的粒子）“看”起來會(huì)是怎樣的。2012年的夏天，物理學(xué)家迎來了一個(gè)重大的時(shí)刻，他們?cè)陔[藏于CERN的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)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(yī)人員在犯罪現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量飛濺出的血跡一樣，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家可以通過計(jì)算機(jī)來呈現(xiàn)這些特征，以觀察粒子在碰撞時(shí)發(fā)生了什么。

在梳理高能粒子碰撞的數(shù)據(jù)時(shí)，他們?cè)诖蠹s125GeV（這與125個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量大致相當(dāng)）處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)小的凸起。后來，這個(gè)凸起被證明就是希格斯粒子——理論物理學(xué)家用多年心血譜寫成的成千上萬的論文終于得到了證實(shí)。全世界的物理學(xué)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(fā)現(xiàn)，是標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)的粒子。（圖/新原理研究所）

但是，發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子并不是故事的結(jié)束。

實(shí)驗(yàn)物理學(xué)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(xué)，而是與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)相符。2016年，LHC又發(fā)現(xiàn)了一些數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示的希格斯粒子能量為750GeV，但隨后更多的測(cè)量表明，這一結(jié)果只是一次統(tǒng)計(jì)波動(dòng)。

幾十年來，許多理論物理學(xué)家都認(rèn)同一種未經(jīng)證實(shí)的理論——超對(duì)稱，該理論被親切地稱為“SUSY”。對(duì)于理論物理學(xué)家來說，SUSY之所以具有吸引力，是因?yàn)樗跇?biāo)準(zhǔn)模型的兩種粒子——費(fèi)米子與玻色子——之間提出了一種無論在美學(xué)還是數(shù)學(xué)上都令人愉悅的深刻對(duì)稱。而750GeV希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)本可為SUSY提供強(qiáng)有力的證據(jù)。

根據(jù)對(duì)稱性理論，標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一個(gè)粒子都有其對(duì)應(yīng)的超伙伴。（圖/新原理研究所）

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

例如，一個(gè)費(fèi)米子夸克擁有對(duì)應(yīng)的玻色子——超夸克（squark）；光子會(huì)有一個(gè)費(fèi)米子對(duì)應(yīng)物——光微子（photino）。如果真有這些“超對(duì)稱粒子”存在，它們將可以解決一個(gè)被稱為等級(jí)問題的大問題。

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

作為一個(gè)標(biāo)量玻色子，希格斯粒子對(duì)量子修正具有獨(dú)特的敏感性。如果我們計(jì)算希格斯粒子的量子修正會(huì)得到的結(jié)果是無窮大。這意味著希格斯粒子的質(zhì)量應(yīng)處于物理定律的失效處，即黑洞形成時(shí)的能量，大約為101?GeV——質(zhì)子質(zhì)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(duì)稱性粒子”，SUSY回答了這樣一個(gè)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(biāo)準(zhǔn)模型下，希格斯粒子的量子修正是由費(fèi)米子和玻色子引起的。在SUSY中，量子修正合計(jì)起來恰好為零，因?yàn)槌瑢?duì)稱粒子會(huì)彼此抵消互相的影響。例如，一個(gè)頂夸克和一個(gè)超夸克就有相反的貢獻(xiàn)，所以總的量子修正為零。在超對(duì)稱性粒子相互抵消影響的作用下，希格斯粒子的質(zhì)量可以好好地維持在較低的水平，即約125GeV，而不是101?GeV。實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家也能夠用強(qiáng)大的粒子加速器來探測(cè)這些超對(duì)稱粒子。已進(jìn)行的許多與粒子有關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究都把尋找SUSY列為了目標(biāo)。

瑪布巴尼說：“LHC的整個(gè)設(shè)計(jì)都專注于受SUSY啟發(fā)的跡象上。”

但也有一些實(shí)驗(yàn)暗示，在一些更多、更好的數(shù)據(jù)里，這些跡象全都消失了。目前，我們還沒有關(guān)于SUSY的具體證據(jù)。

科里奇說：“我們還沒有觀測(cè)到任何超對(duì)稱粒子，而且我們已經(jīng)找得非常仔細(xì)了。現(xiàn)在有一種可能是它們只是躲在了下一個(gè)轉(zhuǎn)角，但還有一種可能是我們對(duì)這個(gè)問題的思考方式錯(cuò)了。”

超越標(biāo)準(zhǔn)模型

那么，在沒有真正的實(shí)驗(yàn)線索的情況下，理論物理學(xué)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(huán)境下射擊。你知道它的框架，你知道這個(gè)游戲的規(guī)則。目前為止這可能就像是在這出戲劇中發(fā)生了一起謀殺案，我必須弄清楚誰是兇手。是一個(gè)還沒有出現(xiàn)的角色嗎？還是一個(gè)我已經(jīng)見過的角色，也許是管家呢。“

瑪布巴尼對(duì)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家所尋找的那些方向尤為感興趣。大多數(shù)實(shí)驗(yàn)作出的一個(gè)主要假設(shè)是，粒子幾乎會(huì)立刻發(fā)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(zhǎng)的，它們的衰變會(huì)在實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家的觀測(cè)范圍之外發(fā)生。如果粒子在衰變前哪怕是移動(dòng)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)搜索時(shí)，我們應(yīng)該開始遠(yuǎn)離這些理論偏倚，因?yàn)檫@些偏倚還沒有結(jié)出任何果實(shí)。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?nèi)ヌ剿鳌?/span>

這并不意味著理論物理學(xué)家可以隨意地提出任何難以在實(shí)驗(yàn)中被證明的理論，然后就此作罷。

多布雷斯庫(kù)說：“你想要的是一個(gè)能告訴你如何計(jì)算的理論，然后你才能問’在不同的實(shí)驗(yàn)中，粒子的表現(xiàn)會(huì)有什么不同’這樣的問題。”

有時(shí)，我們并不清楚一個(gè)理論能將我們帶向何處。2017年，發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上的一篇論文提出了暗光子和軸子這兩個(gè)假想粒子之間的聯(lián)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(zhì)的產(chǎn)生。

論文的第一作者金田國(guó)雄（Kunio Kaneta）說：“當(dāng)我們開始這項(xiàng)研究時(shí)，并沒有打算要發(fā)現(xiàn)一種能產(chǎn)生暗物質(zhì)的新機(jī)制。”

金田的論文代表的是新物理的一種可能方向，現(xiàn)在還無從得知它是否正確。這只是兩個(gè)假想粒子之間的假設(shè)聯(lián)系。絕大多數(shù)理論都被證明它們?cè)谀承┲饕矫媸清e(cuò)的或存在缺陷的。但是，由于科學(xué)，尤其是理論粒子物理學(xué)是一項(xiàng)強(qiáng)調(diào)合作的學(xué)科，因此衡量一篇論文價(jià)值的標(biāo)準(zhǔn)通常不在于它是否準(zhǔn)確，而在于它是否能激勵(lì)其他物理學(xué)家沿著新的思路前進(jìn)。

瑪布巴尼說：“很多時(shí)候他們會(huì)說：‘噢！這篇論文真有意思——讓我試試看能不能重現(xiàn)這些結(jié)果，或者將論文中提到的設(shè)想運(yùn)用到不同的情景下。’”

人們似乎很容易對(duì)“暗光子”和“傳送門”的概念嗤之以鼻，因?yàn)檫@些概念似乎過于異想天開，但許多物理學(xué)家敦促那些持懷疑態(tài)度的人，謹(jǐn)慎地對(duì)待他們的懷疑。

多布雷斯庫(kù)說：“如果你是在一個(gè)之前沒有人檢測(cè)過的框架下測(cè)試物理定律，那么你完全有理由期待看到理論物理學(xué)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(xué)家的新現(xiàn)實(shí)。誠(chéng)如人們所說——規(guī)則就是用來被打破的。

一個(gè)深刻的聯(lián)系

在物理學(xué)中，對(duì)稱性一直被視為是最寶藏的法則。

在日常生活中，對(duì)稱性隨處可見：無論一個(gè)圓如何旋轉(zhuǎn)，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(huì)隨著時(shí)間的流逝而改變，也不會(huì)因?yàn)槲恢玫牟煌淖儭?jù)我們所知，無論是在晚上6點(diǎn)還是早上7點(diǎn)，在北京還是在紐約，引力的作用方式都不會(huì)改變。

在20世紀(jì)初，數(shù)學(xué)家埃米·諾特（Emmy Noether）發(fā)現(xiàn)了對(duì)稱性和守恒原理之間的深刻聯(lián)系，她的工作幫助我們證明了能量守恒其實(shí)是時(shí)間對(duì)稱性產(chǎn)生的結(jié)果。換句話說：當(dāng)物理定律不隨時(shí)間變化時(shí)，能量既不能被創(chuàng)造也不能被毀滅。

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

這些對(duì)稱性以及與其相對(duì)應(yīng)的守恒定律，是幾十年乃至幾個(gè)世紀(jì)都一直堅(jiān)守的永恒真理。

科里奇說：“能量守恒被探索過、攻擊過、仔細(xì)檢查過，它經(jīng)受住了所有的考驗(yàn)。”

在物理學(xué)中，很少有完全無懈可擊的定律，但能量守恒就幾乎是。

當(dāng)理論物理學(xué)家提出新的想法或新的模型來解釋宇宙時(shí)，他們是在一套等級(jí)森嚴(yán)的限制下進(jìn)行的。在底層是基本的法則，比如能量守恒、時(shí)間和空間的對(duì)稱。在其之上的是像狹義相對(duì)論這樣的理論，它們是建立在守恒原理之上的。像標(biāo)準(zhǔn)模型這樣的理論是最近才出現(xiàn)的，這些理論基于狹義相對(duì)論和守恒原理之上。而在不穩(wěn)定的頂端則是被廣泛接受、但未經(jīng)證實(shí)的理論，比如SUSY或弦理論。

在這個(gè)等級(jí)上越往上走，越是容易顛覆傳統(tǒng)的理論。發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型的缺陷（如當(dāng)初許多物理學(xué)家在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子時(shí)期待的那樣）將是一項(xiàng)偉大的成就，但它不會(huì)消除物理學(xué)中更深層的真理。

科里奇說：“如果你發(fā)現(xiàn)能量守恒有問題，或許你需要對(duì)整個(gè)宇宙進(jìn)行重新思考。沒有任何東西能比這樣一個(gè)意想不到的結(jié)果更能激發(fā)和激勵(lì)物理學(xué)界。”

除非出現(xiàn)能夠?yàn)槟芰渴睾阗N上質(zhì)疑標(biāo)簽的驚人實(shí)驗(yàn)結(jié)果，否則理論物理學(xué)家無疑將繼續(xù)把它當(dāng)作公理來對(duì)待。

這并不是說，理論物理學(xué)家沒有經(jīng)歷過他們的基本宇宙觀被推翻的時(shí)刻。當(dāng)愛因斯坦提出狹義相對(duì)論時(shí)，他挑戰(zhàn)了一個(gè)關(guān)于我們?nèi)绾卫斫庥钪娴幕炯俣āＴ讵M義相對(duì)論之前，空間和時(shí)間被認(rèn)為是兩種獨(dú)立的現(xiàn)象；但在愛因斯坦之后，空間和時(shí)間的概念在物理學(xué)家心中被不可逆轉(zhuǎn)地交織在了一起。

物理學(xué)家、哲學(xué)家和史學(xué)家托馬斯·庫(kù)恩（Thomas Kuhn）將科學(xué)上的這些罕見的、改變了世界的時(shí)刻稱為“范式轉(zhuǎn)移”。它們不僅改變了科學(xué)家所擁有的知識(shí)，而且也改變了他們對(duì)世界的看法。庫(kù)恩認(rèn)為，這些轉(zhuǎn)變都發(fā)生在“危機(jī)”四伏的時(shí)期，也就是當(dāng)時(shí)的那些相互競(jìng)爭(zhēng)的理論，受到異常現(xiàn)象和不充足解釋的阻礙。庫(kù)恩認(rèn)為，這些危機(jī)將解放科學(xué)家，讓他們打破常規(guī)、提出新的理論，從而成為新的范式。

現(xiàn)如今，許多理論家認(rèn)為物理學(xué)正處于類似的“危機(jī)”之中，因?yàn)閺V義相對(duì)論與量子場(chǎng)論這兩個(gè)理論相互矛盾，并且宇宙中還有像暗物質(zhì)和暗能量這種懸而未決的大問題。

指導(dǎo)原則：美

多布雷斯庫(kù)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(xué)家們或許不得不重新審視他們最基本的準(zhǔn)則。

面臨的其中一個(gè)困難是，這種探索是在一個(gè)直覺和常識(shí)——這種所有優(yōu)秀的偵探都具備的技能——可能會(huì)使理論物理學(xué)家誤入歧途的領(lǐng)域中進(jìn)行的。

要探索宇宙的最基本部分，物理學(xué)家必須在一個(gè)完全陌生的能量與距離范圍內(nèi)進(jìn)行運(yùn)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?nèi)粘＝?jīng)歷的現(xiàn)實(shí)。在量子世界中，即便是像位置和速度這樣簡(jiǎn)單的事物都是不確定的。在足夠高的能量下，粒子會(huì)做出奇異的行為，比如它們會(huì)短暫的出現(xiàn)又消失。

科里奇說：“我們?nèi)狈Φ恼菍?duì)這種極端的自然極限下的直覺。”

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

1948年，戴森（Freeman Dyson）將費(fèi)曼圖可以被轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)語(yǔ)言。（圖/新原理研究所）

在過去的半個(gè)世紀(jì)中，理論物理學(xué)家基于量子場(chǎng)論所作出的預(yù)測(cè)一次又一次通過了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。理論物理學(xué)家越來越相信他們有能力洞悉宇宙發(fā)展的秘密。他們擴(kuò)展了自己的洞察力、直覺和數(shù)學(xué)能力以構(gòu)建一類更宏大的理論，比如SUSY。

但是現(xiàn)在，在缺乏能明確證明這些“超越標(biāo)準(zhǔn)模型”理論的證據(jù)的情況下，一些物理學(xué)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(xiàn)實(shí)中并不像我們希望的那樣擁有良好的基礎(chǔ)。”

他認(rèn)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?qū)徝溃鼈兪俏锢韺W(xué)家在某一領(lǐng)域工作多年后才累積發(fā)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(dǎo)方針一樣。

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

倫敦大學(xué)學(xué)院的物理學(xué)家喬恩·巴特沃斯（Jon Butterworth）評(píng)論說：“我喜歡狄拉克方程，因?yàn)樗Y(jié)合了優(yōu)雅的數(shù)學(xué)和大量的物理結(jié)果。”這種簡(jiǎn)潔優(yōu)雅的審美理想遍布整個(gè)理論物理學(xué)，但它仍是難以捉摸的。

狄拉克方程還預(yù)言了反物質(zhì)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(xué)家提出了關(guān)于“優(yōu)雅”的問題，其中包括弦理論研究方面的領(lǐng)軍學(xué)者愛德華·威滕（Edward Witten）。威滕簡(jiǎn)單地說：“你給我定義一下音樂，我就會(huì)試著去定義優(yōu)雅。”

理論物理學(xué)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(wù)于物理學(xué)家。普適化的原理讓牛頓對(duì)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(zhì)被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)之前，就已經(jīng)建立了一個(gè)可以預(yù)測(cè)反物質(zhì)的方程。

但也許是運(yùn)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(tǒng)上持有的美學(xué)觀點(diǎn)。當(dāng)我們要尋找一種描述自然的理論時(shí)，美學(xué)對(duì)我們能有什么幫助嗎？對(duì)此我毫無頭緒。如果能那自然最好，但我擔(dān)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(yuǎn)無法知道靈感會(huì)何時(shí)出現(xiàn)，或者是否會(huì)出現(xiàn)。”瑪布巴尼說道，她說有時(shí)覺得這就像是拔牙一樣——不知漫長(zhǎng)的痛苦何時(shí)才能終結(jié)。

理論上，失去希望、放棄追尋“宇宙如何運(yùn)作”這類問題的答案，并轉(zhuǎn)向去攻克簡(jiǎn)單一點(diǎn)的問題，似乎是更簡(jiǎn)單的選擇。

然而，理論物理學(xué)家卻并不是這樣選擇的。相反，他們總在逐漸削減知識(shí)的壁壘。他們敢于提出那些可能最終認(rèn)為是毫無根據(jù)的想法，因?yàn)樗麄兩钪@是科學(xué)進(jìn)步的一部分。

在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的幾十年之前，物理學(xué)家想出了許多其他的質(zhì)量機(jī)制，比如“擬色”、“頂夸克冷凝”，甚至還有“非粒子物理學(xué)”。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(fèi)曼（Richard Feynman）所說：“為了取得進(jìn)展，人們必須打開通向未知世界的那扇大門。”

你或許會(huì)困惑，為什么理論物理學(xué)家要陷入這樣一段艱難的過程——用盡多年時(shí)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(gè)想法——一個(gè)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(jiǎn)單了。接下來你要做的不是工作，而是純粹的游戲，一個(gè)你絕不想要停止的游戲。”

下一個(gè)偉大的理論物理學(xué)革命的細(xì)節(jié)尚且模糊，我們無從知道它會(huì)在何時(shí)發(fā)生、誰會(huì)是第一個(gè)想到它的人、這個(gè)偉大的想法又會(huì)是什么樣。但是，如果說歷史教會(huì)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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