主题：Sean Carrol：粒子、场与物理学的未来 上 -- 万年看客

如果你想了解尚未被发现的物理知识，应该从何处下手？却原来量子场理论告诉了我们如何寻找尚未被发现的物理存在。这真是一项了不起的事实。在经典物理当中，我们尽管可以想象各种各样尚且无人得见的奇特现象。但是一旦接受了世界由场构成、而且场还会相互干涉的理念，你就有了寻找新的场的思路。只要以足够的强度振动已知的场，就能促使其他场也振动起来。我们可以将场之间的所有新式振动都标注在一个方块以内。假设有这样一种新粒子或者说新场，我们要了解两项相关信息。首先，这个粒子的质量是多少。在物理学当中，质量与短距离息息相关，因为粒子的质量等同于振动强度，振动波长短则强度高，相应的粒子质量也大。简单来说，较重的粒子对应着较短的作用距离与较高的能量，较轻的粒子对应着较长的作用距离与较低的能量。其次，这个粒子如何与其他粒子互动？互动程度是只有一点点还是非常显著？并不意外的是，我们已经熟悉的粒子或者说已知的已知粒子都是作用距离较长且互动强烈的粒子。我们尚未发现的未知粒子要么太重，以至于我们还不具备创造此类粒子所需的能量；要么互动太弱，以至于我们注意不到。借用拉姆斯菲尔德的话来说，这些粒子属于已知的未知粒子。至于未知的未知粒子，如果它们当真存在，除非量子场理论是错的。这当然也有可能，只不过现有证据并不支持这一点。

因此在寻找全新物理现象时有两种策略。要么创造高能量环境，修建大型粒子对撞机，以尽可能快的速度砸碎已知粒子；要么高度精确地观察特别微弱的互动。我们目前正在两手抓。咱们费米实验室的Tevatron粒子加速器以及继承其精神的大型强子对撞机走的都是高能路线。我们创造出尽可能高能的环境，从而尝试着创造出全新的粒子。Tevatron最近就像服役多年的战舰那样退役了。大型强子对撞机位于日内瓦的欧洲核子研究组织。我们从地面上其实看不到强子对撞机，因为机器的本体埋在三百英尺的地下，你站在正上方都发现不了。至少费米实验室的Tevatron粒子加速器修建在地面上——我认为任何自尊自重的粒子加速器都应该让人能够坐着飞机从空中鸟瞰（笑声）。这些机器的作用就是用粒子去砸粒子——费米实验室用质子去砸反质子，大型强子对撞机就只用质子去砸质子——然后观察结果。结果还真砸出来不少东西。质子内部其实乱七八糟的，质子相撞之后会砸出来许多东西。这些东西都遵守量子力学规则。在大型强子对撞机这里，每当两个质子相撞之后，999999%的观测数据都不值得保留，因为我们事先就知道这些数据将会出现，只有百万分之一的数据值得保留下来。粒子物理学家的一大部分工作就是筛选并且保留正确的数据。

有一个比喻经常用在这里：说是研究高能粒子物理就好比用一块手表去砸另一块手表，然后通过观察砸出来的零件碎片来推测手表的工作原理。这是一个很糟糕的比喻，原因有很多。首先，粒子对撞砸出来的东西并非一开始就藏在原本的粒子里面。别忘了粒子是振动的场，一旦以极高能量强迫两个场互动，两个场的相互振动就会产生新的振动，也就是新的场。两个质子相撞产生希格斯玻色子并不是因为质子原本包含希格斯玻色子，而是因为你通过质子对撞创造了希格斯玻色子。就好比你拿着两块天美时手表相互砸，砸出来一块劳力士（笑声）。你可能觉得用这种方法制造劳力士手表太费力，肯定还有更便宜的办法。如果要制造精工手表，确实还有其他方法；如果要研究粒子物理，就只能这么做。

麻烦在于，并没有什么单一特质能让我们确定自己找到了希格斯粒子。希格斯粒子从来不会出现在监测仪器上面，因为希格斯粒子寿命很短，刚刚出现就会衰变，只能存在一仄秒。这么短的存在时间，我们的监测仪器根本发现不了。因此我们要问希格斯粒子衰变以后会变成什么。理论家们告诉我们，会变成许多东西，足够凑一张饼图。而且饼图上的所有成分全都用不着希格斯粒子衰变也能被制造出来。有人说寻找希格斯粒子就好比在稻草垛里找针，但是这个说法还是太乐观了。当你在稻草垛里找到了针的时候，你会知道自己找到了针，因为针与稻草长得不一样。寻找希格斯粒子更像是在稻草垛里找一根稻草。我们需要将草垛里的每一根稻草都排列出来，然后挑出一根长短粗细刚刚好的稻草。所以我们才需要长得帅又拿钱多的物理学家们仔细梳理数据。一番梳理之后他们给出了两张图表。这两张图就是去年七月在欧洲核子研究中心展示的图表，两张图都收录在了我的新书里——欢迎大家踊跃订购（笑声）。我写书的时候，出版商觉得这两张图不能要，因为超出了一般科普的界限，看上去有点太科学了，恐怕会把读者吓跑。我在回复邮件当中表示：“我们为了这两张图花费了九十亿美元，我说必须收录。”

这两张图表上的每一个点都代表了质子对撞产生两个光子所释放出的能量。两个质子对撞，会产生两个非常高能的光子以及许多其他低能量粒子。图上的下行曲线代表了假设希格斯粒子不存在的情况下对于能量走势的预测。之所以在图表中部个各点连线会出现一个小凸起，是因为这几次撞击首先创造了一个希格斯玻色子，然后希格斯玻色子才衰变成为两个光子。这几个点与其他点位相比并非代表了从根本上截然不同的事件，最终结果依然是创造了两个光子，只不过能量略高了一些，因为创造光子的方式不一样。在怀疑主义者看来，这个凸起并不算很显著。要不是有曲线映衬着恐怕你都看不出有突起。但是首先物理学家们进行了数学计算并且得出结论，并非由希格斯粒子导致这种程度的凸起的可能性只有百万分之一；其次两组实验人员分别进行了实验，并且在同样的位置观察到了同样的凸起。毋庸置疑，在这里肯定出现了新粒子，也就是希格斯玻色子。

这一结果为我们带来了苦乐参半的现实。好消息是我们现在终于掌握了支配身边可见世界的一切物理定律。换言之，你在日常生活当中用眼睛能看到的、用耳朵能听到的、用手指能摸到的一切事物背后的物理定律我们现在都已经理解了，从原子到基本粒子再到希格斯场。构成你我、太阳、月球。群星、讲台以及你家的猫的物质所涉及的一切物理定律已经被我们充分掌握了。你们大概认为我是在说大话，除非我能亮出公式。那么请看公式如下（笑声）。这一条公式就总结了一切日常物理学。但是接下来还有坏消息。诚然，找到希格斯粒子标志着两千五百年来试图理解周遭世界基本构成的努力终于告一段落。我们成功了。希格斯粒子是人类智识发展史上的里程碑，我们有理由感到骄傲，也很应该感激为此辛勤工作的人们。但是我们知道物理学的研究工作还远远没有完成。我们知道身边的物理学远非物理学的全貌。我刚才措辞很谨慎：我们彻底理解的物理学仅仅涉及看得见摸得着的身边物质。这种程度的知识还无法告诉我们宇宙大爆炸是怎么回事，无法告诉我们为什么宇宙当中的物质比反物质更多，无法告诉我们暗物质究竟是什么。我们必须继续前进，探索的征途还远远没有结束。

不过刚才那条公式符合我们在地球上做的一切实验得出的一切数据，在这样的基础上我们还能前进到哪里去呢？实际上在地球以外的实验确实得出了这条公式无法解释的结果。比方说宇宙当中有暗物质。画面上的图像不是模拟，而是真实数据。我们朝向某个方向观察夜空，发现来自遥远星系的光线受到暗物质的影响而扰动。我们根据扰动情况测算出了暗物质的分布，画出了分布图。此外我们还知道标准粒子物理完全无法解释暗物质。可以肯定，暗物质肯定也是某种粒子或者振动场，但是我们还不知道究竟是什么粒子。想法我们倒是有一些，比方说超对称——要想说清楚超对称究竟是什么起码还需要一个钟头的时间，所以大家看看我这张图画得多可爱就行了（笑声）。超对称理论认为我们现在发现的每一种粒子都有一个对称的搭档，比方说每一个费米子都对应一个玻色子……假如这个理论是正确的，那么我们就有一定可能——不是全无可能也不是绝对一定——找到所有已知粒子的对称粒子。当然今年不能指望大型强子对撞机再开动了，因为机器正在检修升级，计划要将能量级别将近翻一番。到了2015年大型强子对撞机将会再次开动，到时候我们将会寻找所有这些粒子。如果能找到的话，世界将会再次改变。

但是到这里还不算完。咱们费米实验室也在研究这方面的问题。专攻高能领域的Tevatron粒子加速器已经关闭了，但是还有强度领域需要研究：我们不再创造高能环境，而是提高观测灵敏度来探寻更细微的效应，通过更细致的工作来寻求更微小的发现，这些发现就像高能领域一样能够带来全新的物理知识。费米实验室外围有一块路牌，以前上面写着“欢迎来到高能量之城巴达维亚”，如今已经改成了“欢迎来到高强度之城巴达维亚”。探索物理新领域是一个多头并进的项目，我在这方面也不是无所不知的专家。所以接下来我着重介绍两个具体项目，因为我觉得这两个项目特别酷——当然，所有这些项目都很酷。

首先是渺子g-2实验——粒子物理学家的命名天才再次发挥了作用。这个实验是怎么回事？前面说过渺子就是较重的电子，不仅会旋转，而且带有电荷，因此具有电磁场。假如按照经典物理将渺子视为粒子，那么可以用常数g来描述这个电磁场的形状。在经典物理体系下，g等于2。但是如果按照量子场理论将渺子视为振动的场，那么渺子在振动时也会连带着振动周围其他的场。我们从小接受的训练让我们惯于按照粒子模式来思考，因此我们并不会想到振动的场，而是会想到虚拟粒子。物理学家们设想渺子其实被一团虚拟粒子包围了，这些粒子可以与渺子光子之类的粒子耦合。正是这团虚拟粒子云让真正的渺子拥有了电磁场。假如按照这种思路来计算g，结果就不是2，而是2.0023318354。我忘了这个数字是理论计算结果还是实验测量结果，但是大致是这么个意思，总之只有极其精确的测算才能得出这个数字。实际上就连理论数字与测量数字之间都有一点点差异。这是好事，我们现在就是要寻找差异作为突破口。我们希望这团虚拟粒子云当中就包括我们在标准模型之下尚未发现的新粒子。换言之，我们不需要创造新粒子才能发现新粒子。如果我们发现渺子的特质与我们的预测不一致，也能证明我们发现了新粒子，也算物理新发现。

那么我们应该怎么做？事实上渺子g-2实验已经开始了，地点就在纽约长岛的布鲁克黑文国家实验室。他们有一台渺子储存环，但是他们缺少费米实验室这样大量创造渺子的能力。因此最好在费米实验室做这个实验。可是储存环位于长岛，我们也没钱在费米实验室修建一个全新储存环。好在粒子物理学家全都足智多谋，因此他们决定用船将储存环的环状磁铁运到费米实验室，这条船下周就要起航了这条船要先向南绕过佛罗里达州，然后沿密西西比河北上抵达芝加哥。卸货之后首先运到一家COSCO超市门前的停车场，在那里装上卡车——鉴于运输过程还没开始，这里姑且先用乐高模型来表现运输现场（笑声）——然后沿着88号公路抵达费米实验室。我建议他们在周五下午五点发车（笑声），因为卡车本来就跑不快，不能超过时速五英里，而周五下班时间严重拥堵的88号公路本来也只能跑到时速五英里。不过他们的计划显然是要在周六或周日午夜发车，我觉得他们这是浪费了科普宣传的机会。

另一个很有趣的项目是中微子监测。中微子是互动极其微弱的粒子，倒不是说微弱到了我们无法监测的程度——我们已经发现了它们的存在，但是监测它们确实非常不容易。非常聪明的粒子物理学家们将这一劣势转化成了优势。我们希望在中微子花费时间变化一番之后再去观测它们的性质，因为中微子有各种口味，例如电子中微子，渺子中微子，陶子中微子等等，它们还会通过振动相互干涉。但是中微子的速度很接近光速，因此我们要在费米实验室制造中微子，在明尼苏达州或者达科塔州检测中微子。怎样让中微子从这一头跑到那一头？让它们穿过地下就行。由于互动性微弱，几乎所有中微子都能穿透这一千多公里的土层，然后我们只需要在明尼苏达州修建一座足够灵敏的检测器就行。有些此类实验已经开始了，例如NOvA项目正在兴建，MINOS项目已经开始，LBNE则是未来将要动工的项目。就像我们之前已经了解了比较容易了解的重粒子一样，接下来我们就要了解没那么容易了解的轻粒子。

但是这还不算完。今天我们这么多人共聚一堂的原因之一在于隔壁正在召开关于国际线性对撞机的研讨会。我们很多人都认为这是大型强子对撞机之后的下一步发展方向。国际线性对撞机的修建还是未来的事，以至于我们现在甚至不知道选址究竟应该在哪里。如今大多数人看好日本，因为其他国家都不愿意为了这个项目出钱，只有日本人说我们也不想出钱，不过只出一点点也不是不行。线性对撞机是大型强子对撞机的好搭档，原因我待会儿解释。这张示意图用足球场来对比线性对撞机的尺寸，其实是把比例搞错了。因为线性对撞机从头到尾长三十一公里，按比例计算的话图上这座足球场的长度得有五公里。如果修在美国，线性对撞机的尺寸相当于从咱们这里到芝加哥的一半路程。线性对撞机里撞得不是质子，而是电子与阳电子，当然这些电子在对撞机里的运行速度要比88号公路上的汽车快得多。

为什么说线性对撞机是对于大型强子对撞机的补充？因为两者的功能不一样。大型强子对撞机将质子与其他类型的质子撞在一起，但是我们已经知道了质子不是基本粒子，而是夸克的集合。当我们以极大的能量将其加速时，真正重要的不仅只有质子内部的三个夸克，还有其他所有将三个夸克束缚在一起的虚拟粒子，例如夸克-反夸克对与胶子。根据狭义相对论，质子既然在加速器里以光速的99.99999999%运动，这些粒子将会遭到压缩。因此实际上的质子对撞相当于两张结构复杂的薄煎饼面对面拍在了一起。我们很难知道撞击过程当中究竟发生了什么。所以大型强子对撞机才要进行几百万亿次撞击实验，从而得出足够的统计数据来确定是否发生了从未见过的新现象。这是酒神路线的物理研究，靠得是大鸣大放。与之相对的太阳神路线则讲究干净利索，这就是线性加速器的功能，既让电子与阳电子对撞。就我们所知，这两种粒子的确是基本粒子。这两者的对撞产生的一切数据都必然是前所未见的新数据。大型强子对撞机产生的数据只有百万分之一值得保留，线性对撞机产生的一切数据则都必须保留，我们可以利用后者进行高精确度测量。换言之，大型强子对撞机通过一通乱砸来找到新粒子，线性对撞机则操起手术刀小心仔细地研究新粒子。

这种细化研究值得进行吗？那是一定的。比方说我们已经遭到了希格斯粒子，不过五年前我们刚刚启动大型强子对撞机时好些人都很紧张，担心万一找不到希格斯玻色子该怎么办。现在我们知道了希格斯玻色子确实存在，也知道了凭借大型强子对撞机一下子能制造出万万亿个希格斯玻色子，还知道了希格斯玻色子衰变之后会产生什么，那么下一步就要彻底研究一下希格斯玻色子。制造希格斯玻色子的方法有三种，我们已经有了理论来解释分析所有这些过程。更重要的是，如果这套理论尚不完备——我们的确认为它并不完备——那么新的物理现象就该在这三个过程当中展现出来。并不是说发现希格斯玻色子之后的下一步就一定是再制造一种新粒子。实际上，假如实验得出的希格斯玻色子衰变成分比例与理论不一致，我们就可以宣称自己找到了新粒子。假如我们预测的数据与线性对撞机高精度测量得到的数据不一致，那就意味着全新物理学知识的存在。

我们甚至兴许能了解到宇宙将会如何终结。刚才说过，希格斯场在真空空间的值也不为零，实际上必须额外注入能量才能让希格斯场的值为零。所以假如我们看一下希格斯场的能量大小与希格斯场的数值之间的关系，会发现当希格斯场的值最小时，希格斯场的能量依然比真空空间的能量多出一块，我们认为这部分能量很可能就是暗能量，也就是让宇宙加速膨胀的力量。但是现在我们还知道了希格斯粒子的质量，所以可以进一步预测希格斯场能量与数值关系的曲线。你可能会认为这条曲线经过最低点之后将会无限走高，这样想确实合乎逻辑，但是基于现有数据的预测并不支持这一点；你可能会认为这条曲线经过最低点之后走高一段又会无限下跌，但是基于现有数据的预测同样不支持这一点。数据似乎表明，或许希格斯场的能量还能比现在更低。这种可能意味着我们这个宇宙目前的状态或许只是暂时的。或许在未来宇宙的某个角落，会有一个希格斯粒子通过量子跃迁达到这个更低值状态，形成一个低能量希格斯场空泡。这个空泡一旦形成就会以光速扩张，最终吞噬整个宇宙——我可从没说过粒子物理有多么温暖人心（笑声）。不过眼下我们还不知道这种可能性究竟是否属实。就算当真属实，发生这种跃迁所需要的时间大概也相当于宇宙寿命的万亿倍，你还用不着急着调整自己的股票投资组合。但是我们依然很想知道这一设想究竟是对是错。为此我们必须进一步理解当前已知的粒子。这就是线性加速器的作用。

当然线性加速器的作用还有很多，我最后着重强调一点，也就是暗物质……要记得，说到我们为什么需要超越现有已知的物理学，最刺目最不容辩驳的经验证据就是暗物质。我们有很多理论与粒子物理模型来猜测暗物质究竟是什么，这些模型往往都是一团糟，并且超出了标准模型之外。刚才我介绍超对称的时候提到所有粒子都有搭档，所有这些搭档粒子都有不同的质量、自旋与耦合等等。我们想做的是通过研究已知粒子来推测未知粒子。通过线性对撞机的实验，我们可以测量出各种关于粒子质量、耦合与互动的参数，从而推测出宇宙当中暗物质的含量，然后让寻找暗物质的天文学家们检验我们的推测是否正确。我们可以就暗物质的分布给出非常精确的预测。二十一世纪一十年代是暗物质的时代，我们有机会确定宇宙当中的大部分物质究竟是什么。我们距离真相似乎已经近在咫尺。只要提升暗物质探测器的性能并且启动线性对撞机，我们就很有可能破解暗物质之谜——至少有五成以上的胜算。

我知道大家耐心听了这么久都想知道最终答案：我们下一步要往何处去？这是保罗.高更当年就借助大溪地系列绘画提出过的问题。正是这个问题促使我们研究粒子物理与科学。我们通过科学研究发现德谟克利特是正确的，物质确实由粒子构成。然后我们的理解又略微深了一层，意识到物质其实由场构成。但是德谟克利特提出的哲学思路依然有效。我们现在有了极其非凡的理念：你，我，我们的一切思想希望与梦想，全都是互动的原子。这些原子在物理定律与基本作用力的支配下按照不同模式运动。至于你我与石头土块之类其他原子集合之间的区别则在于我们具备自我指涉的能力，我们的头脑里能装下整个宇宙的图景，而且我们还会在好奇心的驱使下继续探索这个宇宙。正是这份好奇心将我们带到了无数神奇之地，并且还会让我们走的更远。我们很享受早已发现的科学知识，我们也有责任确保科学探索不断进行，从而让我们身后的世代比我们懂得更多。谢谢大家。