接下来该怎么办？

马修·查尔莫斯:来自英国布里斯托尔的*作家，在2012年的《科学美国人》杂志上写了《后希格斯时代》。他说大型强子对撞机(LHC)在发现希格斯粒子后不再有能力对其进行更详细的研究。现在，科学家们已经提出了四个计划来建造新一代的对撞机，以提高研究精度，从而发现标准模型之外的物理现象。希格斯玻色子的发现完成了历史上最精确的科学模型——粒子物理的标准模型。然而，“一个故事的结束也是另一个故事的开始”，这也表明新的问题迫在眉睫。1964年2月，甲壳虫乐队不断颠覆美国。当时，一些强大的物质也在理论物理学家默里·盖尔·曼的大脑中盘旋。盖尔曼思考的问题是:构成物质的原子和中子也是由更小的物质组成的吗？他将这种较小的物质命名为“夸克”“夸克”这个词是默里·盖尔·曼根据爱尔兰作家詹姆斯·乔伊丝的小说《芬尼根守灵》改编的一首诗:“把夸克叫到迈克面前。”之所以选择这个名字，只是因为盖尔曼喜欢这个词的发音，就像一夸脱。当时，物理学对变革理念的渴望就像对被困在沙漠中的人们的绿洲的渴望一样强烈。科学家在宇宙射线中发现了几十种奇怪的新粒子，这似乎不合理，也没有任何理由。盖尔曼发明的夸克使得质子、中子和所有这些新粒子可以被描述为两个或三个以上基本粒子的组合。对大多数物理学家来说，这个想法有点太超前了。这些新粒子打破了既定的规则，因为它们的电荷分别是+2/3和-1/3，科学家可能永远不会看到这些粒子“独自跳舞”为什么情况变得如此美妙？为什么不呢？格尔曼目前在墨西哥的圣达菲研究所工作，他反驳道:“每个人都说这是不可能的，这是不可能的，但也许根本没有理由，也许大自然是如此美妙。”结果也表明情况确实如此。现在夸克已经成为粒子物理标准模型的基础，是所有科学中最可靠的理论模型。在过去的40年里，标准模型展示了不可思议的能力，一次又一次地将理论家的梦想变成不可辩驳的事实。2012年7月，欧洲核研究中心(CERN)大型强子对撞机(LHC)实验小组宣布发现希格斯玻色子，这只是标准模型的最新、最令人惊讶和最引人注目的演示。尽管科学家们取得了如此惊人的成就，但像“繁荣与萧条”和“物理学正在消亡”这样的词汇仍然随处可见。有了希格斯玻色子，显然不完整的标准模型变得更加完整。然而，这并不意味着模型是完美无缺的，实验也无法为科学家提供线索来创造更好的模型来弥补其不足。历史重演，粒子物理理论再次呼吁新的变化。奥斯汀德克萨斯大学的理论家斯蒂芬·温伯格在1974年提出了“标准模型”。温伯格说:我不希望这个术语成为教条。我想把它作为交流和实验的基础，这样科学家就能获得一些证据来证明标准模型是错误的。标准模型的基本本质可以在一张明信片上清楚地描述出来:六个夸克配对形成三个“世代”，除了质量之外，一切都一样；六个轻子，如电子和中子，也以同样的方式排列。此外，少数玻色子在夸克和轻子之间传递最基本的自然力。这些粒子最重要的一点是它们本质上是量子粒子。量子理论起源于20世纪早期非常重要的发现。这些发现表明，所有被原子释放和吸收的辐射都具有这样的波长，这只能通过假设能量被打包成离散的部分或“量子”来解释。按照这种思路，我们可以推断出一种奇怪的二元性。在最小的尺度上，粒子是波，波是粒子。这些模糊的“同一”波-粒子的运动并不遵循牛顿的经典力学，而是在抽象的数学空间中按照奇怪的规则与概率共舞。到20世纪20年代中期，量子力学已经基本成型，经受住了所有实验的考验。然而，在20世纪20年代末，物理学天才、最年轻的获得诺贝尔奖的理论物理学家保罗·狄拉克和其他人开始探索量子力学和爱因斯坦广义相对论之间的联系，这是描述粒子以接近光速运动的关键一步。从那以后，科学研究进入了另一个新领域。1928年，狄拉克提出了电子运动的相对论量子力学方程，即狄拉克方程。这个方程有不止一个解，这似乎表明存在这样一个粒子，它与电子性质相似，但电荷相反。五年后，科学家在宇宙射线中发现了这种“正电子”。理论家们紧随其后，提出了反物质的概念。作为标准模型的理论基础，量子场论也是上述逻辑的缩影。利用场来传递力的想法可以追溯到19世纪英国物理学家和化学家迈克尔·法拉第。然而，量子场的数学结构给了这些量子场一些奇怪的性质:它们可以从真空中产生粒子，然后在不可见的情况下将其湮灭。因此，根据量子电动力学理论，两个电子相互排斥的原因是光的一个光子(光子)“引起麻烦”。光量子是电磁场的量子粒子，它不知道自己的角色，会从一个电子传递到另一个电子。无数这样的“虚拟”粒子不断出现和消失，这将轻微改变经典电子或“裸”电子的性质。自20世纪40年代以来，许多实验已经证实了这一变化，其准确性令人震惊。量子理论也花费了大量的精力和时间来包括其他的力量。长期以来，在放射性衰变中将一个粒子转化为另一个粒子的弱核力一直被无法控制的无穷大所困扰，这使得除了最简单的计算之外的所有计算都变得毫无希望。时间在继续前进。20世纪60年代，温伯格和其他人最终找到了一条出路，将微弱的核力和电磁力统一成微弱的电力，这种电力只“出现”在极高能量的环境中(如早期宇宙)。正如狄拉克方程预测了反物质的存在一样，这个理论也预测了一些尚未被发现的粒子的可能存在:巨大的W和Z玻色子，其主要功能是转移短程弱核力和从弱电力中分离出来的希格斯玻色子。希格斯玻色子必须存在，以确保W和Z玻色子在所谓的“断裂”过程中获得质量，在该过程中，统一的弱电力被分解成电磁力和弱核力，从而将弱核力限制在原子距离内。然而，与此同时，传输电磁力的光子不会获得质量，这使得它们能够*地在宇宙中穿行。与此同时，强核力(保持原子核紧密结合的力)的量子场论也上演了一出“翻转鱼”的好戏。用该理论的共同创始人、美国加州大学圣巴巴拉分校的共同创始人大卫·格罗斯的话说，这是“从闹剧到胜利”。量子色动力学也是盖尔曼创造的一个术语。量子色动力学通过描述夸克之间的相互作用最终使夸克出名，这种相互作用是八个带“色电荷”的胶子的不断交换。该理论还表明，夸克是非常独特的:两个夸克相距越远，它们之间的作用力就越大。格罗斯说:“这个理论不仅揭示了为什么质子看起来是由夸克组成的，还解释了为什么这些夸克从未被拉出质子的管辖范围。”以上基本上是标准模型的整个故事。到1973年，甲壳虫乐队已经分道扬镳，在接下来的一段时间里，科学家们做出了一系列激动人心的发明，最终形成了标准模型，包括限制所有粒子行为的弱电统一理论和只对夸克和胶子有效的量子色动力学。标准模型不仅充满智慧，而且非常漂亮。标准模型的方程具有极其完美的对称性，不仅描述了自然界中各种力的性质和特征，还告诉物理学家在哪里寻找新的粒子。果然，新粒子一个接一个地出现在粒子对撞机的数据中，这让理论家们欣喜若狂。20世纪60年代末，科学家们已经获得了实验室中存在三个夸克的证据。然而，直到20世纪70年代末，美国物理学家才推测出第四个和第五个夸克粒子的存在，并最终在1995年推测出第六个“*”夸克粒子的存在。直到2000年，科学家们才捕获到最后一个轻子τ中微子。在寻找新粒子的战争的另一端，德国汉堡郊外的德国电子同步加速器研究所(DESY)的科学家在1979年捕获了胶子。欧洲粒子物理研究所的科学家在1983年捕获了W和Z玻色子。当时间机器前进到2012年，欧洲粒子物理研究所的科学家发现了标准模型预测的最著名也是最后一个粒子——希格斯玻色子。对温伯格来说，标准模式的胜利之路非常特殊。他说:“你在办公桌上用一些数学公式和概念打发时间，然后发现在花费数十亿美元之后，实验物理学家已经证实了这些想法。还有比这更特别的吗？”然而，在这种情况下，为什么他和其他科学家不像他们想象的那样快乐？这些令人惊讶的特征有很多原因。有些还涉及美学。例如，为什么粒子被分成三代？为什么最重的夸克是最轻的夸克的75000倍？标准模型的方程可能非常简洁优雅，但为了使它们具有预测能力，科学家必须为它们设置20多个“*”参数，如粒子质量等。一个真正的基础理论应该能够利用量子理论的力量，或者一些没人想到的更深层次的理论，来移除这些烦人的分支和卷须。事实上，从技术上讲，标准模型没有统一的强大核力量。弱电流理论和量子色动力学只结合在一起，不像弱核力和电磁力，它们在量子水平上是统一的。这也是科学家在最终实现所有事物的艰难道路上遇到的第一个“路障”。不仅如此，还有我们之前谈到的重力。到目前为止，引力已经被广义相对论所描述，这显然与量子理论不一致。既然提到了重力，为什么重力与其他力相比如此之弱(两个质子之间的电磁力比质子之间的重力强1038倍)？这个所谓的“等级问题”是标准模型最令人困惑的特征之一。还有实验证据表明标准模型并不完美。例如，科学家最初假设没有质量的中子实际上质量很小。这玷污了标准模型的数学一致性，但它也可能成为科学家创造除标准模型之外的新物理模型的第一个指针。更神秘的是暗物质和暗能量。宇宙学家认为宇宙的96%是由这两种“黑暗力量”组成的。然而，标准模型仍然对其身份保持“沉默”。面对这些沟壑，理论家们开始求助于成熟的老方法:用新粒子和对称性填补空白。但这一次，现实似乎不相信这一点。到目前为止，没有粒子对撞机发现任何意想不到的奇怪粒子的痕迹，即使是大型强子对撞机，尽管机器还没有达到最大能量运行的状态。温伯格说:“最有可能的是，LHC能做的是继续验证标准模型的正确性。”那么，我们下一步该怎么办？简而言之，我们不知道。没有大型强子对撞机或其他地方的进一步指导，我们将发现自己处于类似于当时希腊哲学家德谟克利特的情况，他提出物质不能无限期地分裂，并在2000年后被实验推翻。值得记住的是，符合德谟克利特描述的第一个“原子”并不是整个故事的结尾。尽管标准模型取得了巨大的成功，我们仍然不知道盖尔曼的夸克是否会成为另一个“原子”。迈克尔·布鲁克斯:美国著名科普作家，著有《影响身体发育的20个主要问题》等书。不顾一切地寻找所有事物的真相，一个最终整合所有物理理论的统一理论似乎和以前一样远离我们，但这并不意味着我们应该停止追求这个梦想。责怪古希腊人造成的一切——是古希腊的一些科学家首先开始反对过去流传的神话和神创论，并提出世界最初是由一些物质元素组成的，例如水、气体、火等。，从而揭开现代物理学研究的帷幕。指责古希腊人的想法听起来很合理，但是一旦潘多拉的盒子被打开，它就不能再被关闭了。如果我们深入挖掘，我们可以揭示现实的基础:物质最终由什么组成？什么规则支配他们的行为？如果我们走得更远，我们将最终得到金矿——宇宙如何运作的理论。从某种意义上说，我们已经做得足够好了。量子理论的奇异性可能会迷惑我们，但是建立在它之上的标准粒子物理模型将一切简化为几个基本粒子和三种力。广义相对论提出的时空弯曲理论以惊人的精确度描述了一个由第四种力——重力——主导的宇宙，这为我们提供了另一种宇宙观。是的，这两种理论各有优缺点，但我们能最终找到一个将两者结合为一的理由吗？如果许多物理学家被问到这个问题，他们可能会发疯。"基本粒子物理学是完美的，就像俄罗斯化学家迪米特里·伊万诺维奇·门捷列夫绘制的元素周期表一样."英国牛津大学的科学家大卫·迪特里希说，“元素周期表已经对事物进行了分类，并承认有一个基础设施，但我们不知道这个基础设施是什么。”关键问题是量子力学和广义相对论根本不相容。一般来说，我们用相对论来描述非常大的物体，比如恒星、星系甚至整个宇宙。同时，我们用量子理论来解释非常小规模的物体，如分子、原子、亚原子粒子等。，这没问题。然而，为了全面彻底地理解整个宇宙，我们必须知道为什么这个小小的新生宇宙变得如此巨大:回到大爆炸时代，需要两种理论一起工作。这也是黑洞存在的必要条件。正如斯蒂芬·霍金和以色列科学家、黑洞热力学创始人之一雅各布·大卫·贝肯斯坦在20世纪70年代所证明的那样，黑洞，一个符合广义相对论的怪物，可能会摧毁量子理论所禁止的信息。甚至像时间和空间这样的基本事物也会告诉我们，当量子理论遇到广义相对论时，事情会变得多么糟糕。相对论时空是一个光滑的四维毯子；量子场论是标准物理模型的基础，它表明时空是由大约10-35米大小的像素单元组成的。量子场论甚至不认为时间是真实的、可观察的东西。当物理学家被要求在量子理论和广义相对论之间做出选择时，大多数物理学家可能会把钱放在量子理论一边。他们认为量子理论是“正确的”，因为量子理论的数学基础是一个非常成功的棱镜，让科学家看到整个世界。当然，一些人也继承了爱因斯坦的衣钵，质疑量子力学的“不真实”和怪异本质，以及看似不相关的物体之间的反常识联系。这些科学家认为，如果我们不能为这些联系找到令人信服的物理原因，量子理论可能只是一些更好的理论的近似。科学家们正试图打破这一僵局，因此他们提出了一些得到广泛支持的数学概念，如对称性。其中之一是超对称性。科学家们普遍认为，超对称性是弦理论的一个转折点，弦理论也是一个候选理论，科学家们认为弦理论可以成为一切事物的原理。弦理论预测，在空间中还有其他我们尚未发现的额外维度，引入对称性来嵌入这些维度会将能量弯曲成几何状态，看起来像一些基本粒子，或者像空间遇到质量时的弯曲方式。弦理论也给出了许多对粒子的可靠描述，包括引力子，一种承载重力的量子粒子，科学家们一直在努力寻找。因此，弦理论可以在量子理论的基础上在几个步骤内统一自然界的四种力。然而，像其他为万物的原因而提出的结构一样，弦理论也有巨大的缺陷。亚利桑那州立大学的科学家保罗·戴维斯说:“弦理论的确能预测新事物，但在可预见的未来，科学家很难测试它是否正确。”荷兰奈梅根大学的雷纳特·勒说，这种无能意味着一切原则可能根本不可用。英国帝国理工学院的克里斯·伊沙姆说:“一段时间后，你会在报纸上看到所有事情的原因。此时，弦理论正处于全盛时期，但它也将完全过时，并进入历史的旧堆。”依沙姆认为，从心理学上讲，万物的原理是“非常令人兴奋的”，但是我们没有理由相信万物的原理确实存在或者我们可以找到它。我们已经用数学做出了如此多的科学发现，这真的很神奇，但这并不意味着我们可以继续沿着这条路走下去，做出更重要的发现。德池认为:“数学只能揭示抽象对象的真理。物理学与其说是试图研究这些物体，不如说是找出哪个物体更真实。据我们所知，到目前为止，我们用来构建物理理论的纯数学的比例非常小。”例如，粒子和场之间以及空间和时间之间的所有关系都可以用一系列的数学运算来表示，这些运算可以在图灵机上进行计算(图灵机是目前广泛使用的计算机的基础)。然而，德池指出，为了在获得一切原理的道路上取得进展，我们可能需要进入一些目前计算机无法计算的数学领域。此外，德池进一步说，我们必须放弃我们在过去几个世纪取得了巨大进步的想法，即如果我们从数学开始我们的研究，现实将遵循数学方法。相反，我们必须首先用我们对物理宇宙的理解来解决这个问题，也就是说，宇宙中的物质正在慢慢减少，或者为什么重力比其他力弱，等等。此外，为了解决这个问题，我们还应该尽最大努力了解我们的世界观发生了什么变化。德池指出:“许多理论物理学家试图从数学方法开始，但这没有帮助，也永远不会成功。”所有事物的原则都值得我们努力吗？戴维斯认为这是值得的，但我们必须清楚，即使万物的原理——至少物理学家是这样定义的——也可能无法解决所有的问题。戴维斯说:“万物的原理将帮助我们揭示生命的起源或意识的本质等问题。”丽莎·兰德尔是哈佛大学的理论物理学家，也是粒子物理学和宇宙学的权威。她说得更直接了。她说:“即使我们最终知道了这个基本理论，我们如何解释我们存在的事实？”也许科学家们继续他们研究的最大动机不是我们最终会取得什么成果，而是我们将走哪条路来实现这个目标。我们能够改变生活的最大和最有活力的科学探索来源是，我们想让物理学更简单，整合我们对自然的各种复杂理解。例如，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦统一了我们对电和磁的理解，为历史上最现代的技术--信息技术--提供了理论基础。爱因斯坦用一个简单的方程E=mc2来整合与质量和能量相关的概念，带领人类进入核时代，并获得其他高科技技术。“从历史的角度来看，科学家的努力和探索将给我们带来一定的成果，并引导我们走向一个更加现代的社会。”戴维斯说。然而，戴维斯也强调，对于任何只为自己而追求一切原则的人来说，他最终可能会面临失败的风险。此外，这些人也面临犯错误的危险，就像那些认为物理学在19世纪晚期已经完成的人一样。戴维斯强调说:“你可能会想出一些不可思议的想法，然后庆祝这是人类文明史上的一大进步，但总会有人想出更好的想法。”