主题：Sean Carrol：粒子、场与物理学的未来 上 -- 万年看客
家园 Sean Carrol：粒子、场与物理学的未来 上 https://www.youtube.com/watch?v=gEKSpZPByD0&list=PL4i9YSoIJiPfAq5TCk7xdVrJlxRAMbay-&index=42&t=4300s
很高兴能再次回到费米实验室。我曾在这里度过了许多个小时。这里是全世界研究物理与思考物理的最佳场所之一。今天早些时候我与费米实验室的工作人员聊天，他们告诉我，在这里举办的公共讲座很少以粒子科学为主题，演讲人通常惯于借用这里的平台讨论其他有趣的科学领域。而且我也知道台下有一半听众都是粒子物理学家，恐怕堪称我遇到过的最难应付的听众群体。不过我的优势在于我今天的讲座题材很过硬：粒子、场与物理学的未来。其实我还有秘密打算，就是夹带一点量子物理学的私货。这是我想向大家宣讲的东西。我很高兴费米实验室今晚专门给我划拨出六个钟头的时间（笑声）来略微讲一下量子场理论究竟是怎么回事。
去年7月，也就是2012年7月，我十分有幸地身在瑞士日内瓦的欧洲核子研究组织。当时那里的气氛恰似摇滚音乐会现场。举办活动的通知发出去之后，许多人都来到活动现场门口彻夜宿营，就像在摇滚音乐会现场宿营的乐迷们一样，只不过人手一台麦金塔笔记本。第二天举行的也不是摇滚音乐会，而是两场PowerPoint演示会。怎样的PowerPoint演示才会促使人们彻夜宿营？却原来演示会宣布发现了我们现在称作希格斯粒子的新粒子。物理学家寻找这种粒子已经找了几十年，如今通过成千上万人的通力合作、几十亿美元的投入与几十年的工作，我们终于找到了希格斯粒子。
你现在应该想问两个问题。首先，这有什么大不了的？我们很难想到还有其他事件一方面能引起如此热烈的公众反响，另一方面又只有寥寥几百人真正理解究竟是怎么回事。公众看到物理学家们一个个激动异常，于是也跟着激动了起来，但是他们并不理解究竟是怎么回事。或许在今晚之前你们也不太清楚。其次：接下来该干嘛？既然你们已经取得了追求几十年的成果，可以庆祝三十分钟——在推特时代两分钟就够了——然后你们接下来有什么打算？
我们这个故事可以追溯到德谟克利特，他是一位生活在两千五百年前的古希腊物理学家，也是世上第一位理论粒子物理学家——当然他并不是实验粒子物理学家，古希腊那会儿也没有做实验的条件。德谟克利特、伊壁鸠鲁以及罗马时期的卢克莱修都是最早期的原子论者。这些人注意到构成世界的物质种类千差万别，有各种生物，有地水火风，有各种材质。原子论者认为这些物质并没有根本上的差异，只不过是由不同方式排列组合而成的同质原材料，这种原材料就是原子或者说基本粒子。基本粒子的不同排列方式造就了千变万化的物质形态。不幸地是，到了十九世纪，他们一直使用的“原子”一词被化学家们偷偷拿去指代化学元素了。但是原子论者口中的原子其实就等同于我们所谓的基本粒子，既不可分粒子。
画面上的肖像并不是德谟克利特的照片——他那会儿也没有照相的条件——甚至都不是本人肖像。但是德谟克利特有个绰号叫做“大笑的哲学家”。到了文艺复兴时期，画家可以通过卖画维生，而且古典主义题材大行其道，于是很多人订购了自己的肖像画之后都会将其称作德谟克利特，因为画面上的他们也是一副满面笑容的模样。画面上这幅肖像的正主其实是年轻时的伦勃朗。他画完这幅自画像之后也将其命名为《德谟克利特》，然后出售价格就翻了一番。
如今距离德谟克利特的时代已经过去了两千五百年，我们究竟进展如何？我们目前所理解的粒子物理直到二十世纪才真正发展起来。到了二十世纪三十年代，我们已经构建了一套关于物质与力的周全图景。我们理应体谅1935年的物理学家们认为物理学即将研究到头的错误观点。我们已经知道了原子的存在，卢瑟福与玻尔揭示了原子的运作机制。我们曾经认为原子的结构像一块布丁，新的理解则指出原子中心有一个极其致密的原子核，质量较轻且带有电荷的电子围绕原子核旋转。然后我们又了解到原子核本身由带正电的质子与不带电的中子构成，质子的数量决定了化学元素的种类。这样一来我们就有了三种粒子，质子、电子与中子。有三种力驱动着三种粒子。首先是电磁力。十九世纪我们统一了电与磁，之后又发现带负电的电子与带正电的质子之间的吸引力就是电磁力。其次是核力，1935年的时候还没人知道这种力的存在，但是他们知道某种力量将质子与中子束缚在了一起。第三种力就是引力，引力无处不在，吸引着一切物体向其他物体靠拢。
科学进步的一大特征在于，随着我们了解了越来越多的新知识，有时不得不抛弃旧知识，也有时要扩充旧知识。我们在1935年描绘的图景直到今天依然正确，未来也将永远正确下去。你我永远都要由原子构成，原子也永远要由电子、质子与中子构成。但是我们又向这副图景添加了新内容。到了二十世纪八十年代，这副图景就升级了。这时我们知道质子与中子都不是基本粒子，而是核子，两者都由名为夸克的更小粒子构成。两个上夸克加一个下夸克构成质子，两个下夸克加一个上夸克构成中子。这一来我们还需要一种新粒子，因为核力被一分为二了。粒子物理学家很擅长起名字，于是将一分为二的核力分别叫做强核力与弱核力力——我说“粒子物理学家很擅长起名字”其实是在反讽。强核力将核子内部的夸克束缚在一起，弱核力——或者说从核子内部渗透出来的强核力——则将质子与中子束缚在一起。但是这还没完。在太阳内部，两个氢原子会融合为一发生聚变，构成其中一个氢原子核的质子会成为中子，那么多出来的正电荷到哪里去了？会以反电子的形式喷射出去，同时还会产生一个名为中微子的粒子。这一过程并非由强核力驱动，而是由弱核力驱动，而弱核力需要中微子作为媒介。
但是在其他方面，这幅图景并没什么变化。之前是三种粒子三种力，现在是四种粒子四种力。从三十年代到八十年代这五十年来的努力换来了一种新粒子与一种新作用力。不幸的是，实际情况还要比这副图景更复杂一点点。如果你想预测物理学的未来，就该这么问：“什么发现最能让未来物理系学生的生活痛苦不堪。”进一步研究之后，我们不得不将这幅图景复制三次。现在不仅有上夸克、下夸克、反电子与中微子，而且在这个家族里面还划分世代。第二代粒子比这一代更重，第三代粒子又比第二代更重。我们首先发现的比电子更重的表亲是渺子，当初我们刚发现渺子的时候著名物理学家伊西多.艾萨克.拉比曾经脱口而出：“这玩意谁点的？”渺子对我们一点用都没有，只会自顾自地存在。此外还存在比渺子更重的陶子。至于上下夸克也有更重的表亲，名叫粲夸克与奇夸克，此外还有比这两者更重的顶夸克与底夸克。至今我们依然不知道为什么会同时存在三个世代的基本粒子，但是这副图景的基本结构依然保持了大致完整。
将所有这些知识整合起来，我们就有了一套模型，可以印在T恤上面，当然T恤上面的图案将会很复杂，完全是一套流程图。因此尽管粒子的种类就像动物园里的动物一样千奇百怪，但是细分起来却井井有条。要想确定你究竟是一个什么粒子，我们需要询问一系列问题。首先，假设将两个同类粒子相互叠加，它们是否会占据空间？假如两个粒子很容易叠加，那么这就是玻色子；假如两个粒子难以叠加还会占据空间，那么这就是费米子——这个名字就像费米实验室一样都来自恩利克.费米。费米子是组成物质的粒子，会占据空间。原子、电子、质子、中子全都属于费米子。确定了你属于费米子之后，下一个问题是你是否会与强核力互动？假如答案是肯定的，那么你就是夸克；假如是否定的，那你就是轻子。轻子包括了电子、中微子以及这两者的较重表亲。反过来说，假如两个粒子很容易叠加，那么就会产生力，而你则是作为力的媒介的玻色子。比方说负责传递弱核力的W玻色子与Z玻色子，负责传递引力的引力子，负责传递强核力的胶子，以及负责传递电磁力的光子。在这张流程图的右上角还有一种玻色子不会传递任何力，也就是希格斯粒子。
希格斯粒子是这套体系当中最后才被发现的粒子，也是特质最怪异的粒子。这种粒子一点道理都不讲。我们发现了物质粒子，也发现了作用力粒子，希格斯粒子却两边都不靠。那么我们一开始干嘛要发明希格斯粒子这个概念？早在二十世纪六十年代初期，早在基本粒子大发现之间，就有人设想了这种粒子的存在。这样做究竟是为什么？显然我们的理论需要发明这种粒子才能完善。你要想理解希格斯粒子的重要性，首先就要理解我们当初为什么要发明这东西。而这一点非常难以解释。之所以难以解释，全都要怪德谟克利特，因为正是他最早主张物质的基本构成单位是粒子。哪怕他接受过一丁点现代物理学教育都不会说出这么离谱的话来。你的老师与教授们肯定告诉过你，光或者物质或者电子的基本构成要么是粒子要么是波。但是我和你打十陪一的赌，他们肯定没告诉你最终答案是什么：是波。如果真想彻底理解物质世界，就必须略微放弃一点对于粒子的执念。
因此接下来我不想首先从费米或者德谟克利特入手。我用来检验物理理论解释现实世界能力的试金石是“疯狂小丑二人组”说唱组合（Insane Clown Posse）。这是个刚成立不久的组合，走得是创作型歌手路线，曲风沿袭了嘻哈音乐传统。两位歌手的艺名分别是Violent J与Shaggy 2 Dope。他们的大多数歌曲主题都是派对玩乐，但是几年前他们推出了一首颇有争议的歌曲，主题并不是派对玩乐。这首歌的题目叫做《奇迹》，主题是这个世界多么神奇而又神秘。不过这首歌的歌词着实惹恼了许多科学家，尤其是下面这段：“我看到我身边到处是奇迹/停下脚步看一看，多不可思议/水、火、空气与尘埃/CTM的磁铁，谁能弄明白？”科学家们听完这段歌词之后越想越气——自然，科学家的歌单里理应包括嘻哈说唱音乐（笑声）——因为我们真的已经将磁铁研究透了。身为科学家，我们确实还有很多不理解的东西，不过磁铁并非其中之一。
但是我还是要为两位歌手说句公道话：虽然我们完全理解了磁铁的原理，但是依然必须承认磁铁非常不可思议，尽管我们经常忘记这玩意究竟多么怪异。磁铁能做什么？能贴在你的电冰箱门上不掉下来。但是许多东西都能贴在电冰箱门上不掉下来，例如胶带，例如壁虎，这并不奇怪。奇怪之处在于，胶带首先要接触冰箱门才能贴在上面，胶带的某一部分必须与冰箱门互动。但是磁铁在实际接触到冰箱门之前就会受到吸引。磁铁怎么知道附近有一扇冰箱门需要它贴上去？磁铁的力量如何跨越空间？“来吧冰箱门，我准备好了！”（笑声）“磁铁谁能弄明白？”其实是个很值得严肃回答的问题。
为了回答Violent J与Shaggy 2 Dope的提问，首先我们要把艾萨克.牛顿请出来。牛顿最著名的贡献就是发明了万有引力——这话不对，万有引力一直都存在，但是牛顿发明了可靠的万有引力定律。当然这套定律并不完美，日后爱因斯坦还推出了加强版，但是牛顿定律已经足够将人类送上月球了。牛顿的理念很简单：引力无处不在并且遵循简单的数学关系。比方说这里是地球，NASA发射的卫星绕着地球旋转。牛顿主张一切物体都会产生引力，引力大小与物体的质量成正比，而且物体之间距离越大则引力越小，引力大小与距离的平方成反比，遵守平方反比率。这条定律既能用来描述苹果落地，也能用来描述月球绕地球旋转，还能用来描述银河系当中的恒星运行轨迹。
但是从十七世纪的视角来看，牛顿还有一个问题死活想不通：为什么？牛顿时代的牛顿引力定律就像我们今天的量子物理一样：理论完美契合观测到的数据，因此显然正确，但是无论如何都不符合我们的直觉。对于牛顿来说，引力最难以理解的方面在于超距作用。假设你想知道作用在你身上的引力究竟有多大，牛顿认为既然引力可以超距作用，那么宇宙当中一切物质都会对你产生引力。因此只有知道了宇宙当中一切物质的总质量以及这些物质与你的距离，然后才能依据平方反比率算出你受到的引力大小。人们都觉得很奇怪，凭什么必须首先得知宇宙当中的物质总量才能算出我在此时此地受到的引力大小？难不成仙女座星云也能影响到此时此地的我？牛顿对此百思不得其解，只能无奈地表示“我将引力的运作机制留给更聪明的后来人解决。”
这个谜题的解谜人是皮埃尔-西蒙.拉普拉斯——此人在这方面的贡献远远没得到应有的认可——时间是在十八世纪。拉普拉斯是著名数学家兼物理学家，他的最著名事迹是当面告诉拿破仑，自己不需要引入上帝这一概念来解释天体的位置。这句话其实不太符合拉普拉斯的一贯人设，因为他平时很喜欢拍马钻营。显然这一回他太因为自己的智力而自豪，以至于暂时忘记了玩弄心机。总之早在觐见拿破仑之前很久拉普拉斯就在考虑引力问题。当时他正在研究地球形状与行星运动。他并没有改动牛顿的平方反比率，而是主张你可以认为宇宙当中充满了场。什么是场？场就是填充全部空间的存在，在空间内的每一点都有一个值。比方说这个房间里的温度也是场，因为房间里的每一点都有温度。但是温度显然不是什么基本属性，而是空气的特质。拉普拉斯这里所说的引力场则是现实的基本构成要素之一。拉普拉斯提出了计算引力势的公式，凭借这一公式他可以复现牛顿引力定律的一切预测结果。根据拉普拉斯的理论，地球产生的引力场在空间各处都有不同的值，离地球越近就越高，越远就越低。拉普拉斯认为你在引力场里感受到的引力其实只是引力势的坡度，坡度大则引力强，坡度小则引力弱。
既然这套理论的预测结果与牛顿理论一模一样，那么为什么说这套理论在某些方面优于牛顿理论？因为利用这套理论来计算局部区域的引力时不需要考虑极远处的宇宙。如果要研究某一粒子周边球形区域内的引力，只要知道区域内某一点上的引力势就够了。一旦采用了场理论，物理定律就不必再进行超距作用，而只需在局域内起作用。你所需要的一切信息都在你的身边。这样一来引力的机制也得到了解释，不再是什么诡异的即时性超远距传递，而是地球加大了此时此地的引力场的引力势，并且渐次影响了空间里的其他各点。所有物体都只会将引力传递给最接近自己的其他物体而不是整个宇宙。
这个范式看起来极其有效。到了十九世纪，我们构建了这样一幅物理图景：物质由粒子构成——十九世纪的科学家已经普遍接受了原子的存在；力则由场构成，例如磁场与引力场。不过二十世纪的科学家们普遍倒向了绝对主义，认为粒子其实遭到了高估，一切都是由场构成的，没必要分开讨论粒子构成的物质与场构成的力，只要有场就够了。话说至此你应该会有点犯迷糊：我面前这座讲台看上去这么结实难不成也是由场构成的？难不成这座讲台只是一堆不断颤动的数字？莫非你我也不过是场而已？我们可是觉得自己结实的很。例如我们自身或者地球这样看得见摸得着的东西怎么也会是不断颤动充斥空间的场构成的？答案用四个字就可以概括：量子力学。将量子力学与场结合，就得到了量子场理论。对于物理学家们来说，量子场理论我我们掌握的最重要的知识。我们在读本科的时候就学到了量子场理论；讲解量子场理论的书籍汗牛充栋，从《数学家的量子场入门》到《量子场入门外行必读》——还有一本《量子场理论怎么可能》，这本书我没看过，但是量子场理论确实可能。但是关键在于，当我们这些物理学家面向非物理学家做科普时，极少谈到量子场。我们经常谈论粒子物理、相对论、量子力学，甚至还有弦理论、多元宇宙与人择原理，但是量子场理论就没人说。结果当我们发现希格斯玻色子的时候，谁都不理解这项发现的重要性。要想理解希格斯玻色子的意义，首先就要理解量子场理论。
鉴于大家的量子力学知识可能都有些生疏，我先领着大家复习一下。量子力学是什么？量子力学认为我们能够观察与测量的宇宙与实际宇宙相差很大。在经典物理学或者说牛顿物理学当中，粒子与场分别存在。粒子有位置有速度，场有强度，会随时间变化。只要你付出足够的努力就能将场内任意一点的强度值测量到任意精确的程度。量子力学则认为现实根本不是这么回事，现实当中有些事件你永远不可能直接观察，你的观察结果永远不可能符合现实。这一原则刚刚问世时就令人困惑不已，今天依然令人困惑不已。假设在量子力学的世界里有一个正在旋转的陀螺，那么你能够测量出来的陀螺旋转速度只能是一系列固定值。这其中最小的答案真的非常小，完全无法用实验验证——转速最慢的陀螺旋转一圈的时间相当于宇宙寿命的一亿倍。在研究基本粒子的时候，可观察旋转速度的离散性质是一项重要的特性。所以我们首次注意到量子力学就是在开始研究基本粒子的时候。基本粒子的某些可观测特性的“量化”正是量子力学一词的由来。
量子力学认为，将电子视为有位置有速率的粒子的看法是全然错误的。并不是说我们无法测量电子的位置与速率，而是说电子并不没有位置与速率，存在的只有波函数。有一种波填充了空间，而波函数则回答了以下问题：你在空间内某一点观测到电子的概率有多大。画面上是激发态电子波函数的数学模型，在波谷处肯定观测不到电子，在波峰处则有可能观测到电子。波函数确实存在，填充了物理公式，主宰了物理状态的时间演进。但是当你观测电子时却看不到波函数，只能看到某一位置上的电子。你应当为此感到困惑，我们也一直在试图给出更好的解释。但是现实确实就是这样运作的。
接下来我们将量子力学与场结合在一起，就得到了量子场理论。场意味着现实的基本构成元素不是粒子，而是充满空间的各种数值。量子力学则意味着当你观察场的时候未必会观察到某种平滑波动的存在。如果场的波动不太强，那么当你观察的时候场就会化作一小包一小包的能量，我们将这些能量包称作粒子，或者说粒子只是量子场里的细微振动。这一点我们其实很熟悉。灯泡放出的光线可以被视为电磁波，有频率也有波长。但是只要仔细观察，光波就会分解成无数粒子，我们称其为光子。假设你三更半夜出门宿营，你的朋友在前面举着灯。然后你与你朋友闹翻了，于是他举着灯向前赶路，把你抛在了黑暗里。你会看到灯光越来越暗，最后完全消失。这是因为我们的眼睛并不擅长检测单个光子。相比起来青蛙的眼睛则要灵敏得多。因此青蛙眼中不断远离的灯光不仅会越来越暗，而且暗到一定程度就会开始闪烁。随着灯光越来越远，闪烁的间隔也越来越长。青蛙看到的景象就是单个光子进入眼睛导致的。实际上是电磁波进入了青蛙的眼睛，但是青蛙的观察致使电磁波变成了能量包。我这里使用“观察”二字，可能会让人觉得这个过程涉及意识乃至智能，还以为我们可以通过观察来改变现实。其实观察者完全不必非得有自我意识不可，可以是一只青蛙，也可以是一台摄像机，或者说可以是任何一套在微观层面大量聚合起来并且能够与单一的振动场进行互动的复合振动场。正是这种互动使得单一振动场凝结成了定量的能量包，也就是我们所谓的粒子。
这一理论实际上能解释很多现象，比方说一个粒子为什么会变成另一个粒子。在人们刚刚发现辐射现象时这个问题确实令人挠头：为什么有些原子的原子核会向外发射粒子？为什么中子会衰变成为质子与电子——现在我们知道还会放出中微子？难道说电子一直都藏在中子里面吗？如果这个世界当真是由粒子构成的，那么确实很难解释粒子之间的转化。不过如果粒子的本质都是场，那么问题的答案一下子就显而易见了。以W玻色子为例，这个振动的场在我们的观察下是粒子，但是场本身并不稳定，因为它有质量。大家可能不理解为什么场也会有质量，因为我们一般将质量与粒子联系在一起，但是粒子的质量其实就是让场振动的能量。比方说一根线绳抖动起来不费力，大粗铁链子抖动起来很费力，铁链就好比重粒子，线绳就好比轻粒子。你眼前的空间充满了各种基本场，不仅只有电磁场与引力场。刚才提到的流程图里的每一种粒子都对应着一种场，例如W玻色子场、电子场、上夸克场、渺子场、中微子场……等等。所有这些场还会互动，而且一个场的振动可以影响到其他场的振动，将自身的振动传递出去。W玻色子的振动能够将能量传导给比较轻的电子场与反中微子场，于是我们就观察到W玻色子衰变成为了电子与反中微子。这样看来，粒子变成其他粒子或者两种粒子相互湮灭之类的现象就很好理解了。这些都是振动方式不同的粒子在相互传导能量而已。
我希望到此我已经讲清楚了量子场理论，家庭作业会在讲座结束后布置下去。那么我为什么要费事讲解量子场理论，哪怕别人都不讲？因为量子场理论有两大用处：首先能够用来解释希格斯玻色子的重大意义，其次可以用来指明物理学下一步的发展方向。当人们讨论希格斯玻色子时总会提到质量二字，说什么希格斯玻色子向粒子赋予了质量。我之前写过一本关于希格斯粒子的书——欢迎大家马上拿起手机下单订购（笑声）——其中我意识到实在难以解释为什么需要希格斯玻色子赋予粒子以质量。然后我转而思考最早提出希格斯玻色子理论的人们都在想些什么，这才意识到他们根本没考虑质量问题。他们设想出希格斯玻色子是为了解决力的问题。牛顿提出了平方反比率来描述引力——或者说描述引力场随着距离增加而衰减的方式。从几何学角度可以很直观地解释这一点：假如将引力视为从一点向空间均匀发散的射线，那么距离原点越远则线之间的距离越疏远，穿过单位面积的引力线数量也越稀少。光的传播也遵从平方反比率，之所以距离光源越远则亮度越暗，是因为穿过你的眼球的光线数量减少了。就连电磁力也遵从平方反比率。
但是原子核内部的强核力与弱核力却完全不遵从平方反比率。强核力与弱核力都无法像引力与电磁力那样长距离传播。在六十年代设想出希格斯玻色子的人们一开始怎么也想不通为什么核力的作用距离这么短。别忘了平方反比率可是数学规律，凭什么核力就可以规避数学规律？却原来自然界一贯总会选择最能让物理系本科生头疼的方式来构建自身：“为什么核力的作用距离这么短”这个问题对于强核力与弱核力来说答案居然完全不一样。对于强核力来说，答案在于禁闭。强核力的作用线不会无限延伸，而是会彼此交互纠结在一起。就好比在灯光外围加个罩子，把头伸进罩子里能看到一片光明，罩子外面则是一片黯淡。同理，如果急把头伸进质子内部，强核力就非常显著，在质子外部则完全察觉不到。围绕禁闭现象已经给出了好几个诺贝尔奖。
至于弱核力则没有受到禁闭，而是遭到了吸收。就好比那盏灯远离你的时候正是个大雾之夜，所以几步之外灯光就看不见了，灯发出的亮光被雾气吸收了。二十世纪六十年代以来的物理学家们提出的高明设想如下：或许存在这样一种我们从未考虑过的场吸收了弱核力，所以作用线延伸不远就被这种弥漫于空间当中的浓雾场湮没了。我们现在讨论的所谓希格斯场其实曾有七八位物理学家先后提出过，其中彼得.希格斯的姓氏听上去最入耳，于是就用他的姓氏来命名了。我们所知的自然界当中的一切其他场在真空空间里的默认值都是零，至多偶尔振动一两下。电磁场、胶子场、电子场等等都是如此。但是希格斯场即便在真空空间默认值也不为零。简而言之这些物理学家等于是在说：“真正难以理解的不是弱核力，而是真空。真空当中存在着一种场，而且这种场还能造成可测量的效应。比方说只要戳一下这个场就能凭空创造出一个粒子，也就是希格斯玻色子。”这就是过去四十多年里我们一直在寻找的粒子。
1967年，斯蒂芬.温伯格进一步指出——当时的人们还主要在思考希格斯场与强核力的关系——假如将希格斯场理论应用于弱核力，还能顺便解答粒子如何获得质量的问题。当时几乎没人关注这个小问题，但是当时的理论的确解释不了为什么电子与夸克之类的粒子居然会有质量。这是因为——因为什么我就不说了，这个坑太深，在这里一两句话说不清楚。简而言之，假设我们用一面镜子照出整个世界，然后比照现实世界与镜中世界，就会发现弱核力在现实世界与镜中世界的作用方式并不对称。根据这一点能够得出推论：每一个能通过弱相互作用力来互动的粒子都必然以光速运动并且质量为零。很久以前爱因斯坦就告诉我们，假如一个粒子没有质量，就必然以光速运动且永远不会减速。假如电子没有质量，那就太糟了，因为电子是原子的组成部分，附着在原子核周围。当两个原子发生化学反应时，都要依靠电子之间的互动。假如电子当真没有质量，就会脱离原子核的束缚，原子根本不会存在，分子更不会存在，至于化学乃至生命就别提了。一个电子没有质量的宇宙是一个非常无聊的地方，不会存在费米实验室与公开讲座。温伯格认为，假如让空间充满希格斯场，那么就可以构建一套模型，让电子受到希格斯场的影响，从而使其获得质量。在希格斯场里想要让电子移动会更加困难。这套模型做出的许多预测都得到了高度精确的证实。换言之，正是希格斯粒子使得生命成为了可能。所以发现希格斯粒子的意义才如此重大。
通宝推：回旋镖,桥上,住在乡下,海中山,兰迪,唐家山,花棍舞,家园 下 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。
通宝推：桥上,海中山,兰迪,胡一刀,唐家山,