理論與實驗
多年來，物理學家們一直在等待一場新的革命的出現。
從實驗的角度看，這樣一場革命的到來并非難以想象：它可能來自一臺強大的設備，調到合適的頻率，對科學家們尋找已久的暗物質進行觀測；也可能來自一架望遠鏡，能夠看得足夠遠，從比最古老的恒星還要古老的光信號中發現宇宙膨脹的秘密；或許它來自一個深埋在地下的實驗室，從中微子中尋找宇宙為什么充滿物質而不是反物質的答案。
除了實驗突破外，物理學的大部分進步都來自理論發展。
在物理學中，理論和實驗就像同一枚硬幣的兩面。理論家為一些宇宙難題提出解決方案；實驗家則專注于測試這些想法。當實驗家發現一個有趣的結果時，理論家就會提出一個模型來解釋它。
這種相對明確的分工不同于化學或生物學等其他科學，因為這些科學中的理論和實驗之間的界限通常更加模糊。
在過去的一個世紀里，理論物理學家和實驗物理學家都在各自的領域變得更加專業化。實驗物理學家使用粒子加速器等先進設備來收集數據。他們在高科技實驗室里工作，實驗室里裝滿了超酷的電子設備和重達數千噸的儀器陣列。對于理論物理學家來說，他們的“實驗室”是任何可以自由醞釀想法的地方：一次談話、一塊黑板，甚至是瑞士專利局。（1905 年，著名物理學家愛因斯坦在瑞士專利局發表了幾篇革命性的論文。）
盡管實驗物理學家使用的工具非常復雜，但它們仍然是有形的機器。圖表、圖畫和視頻都可以用來說明它們的工作原理。相比之下，僅靠簡單的輔助工具無法幫助我們了解理論物理學家的思維方式，或者他們如何想出下一個偉大的想法。
但總是有希望的——如果你愿意傾聽，理論物理學家總是樂于嘗試解釋他們的理論是如何運作的。
物理學家對宇宙的理解可以歸結為兩個基本理論：廣義相對論和量子場論。
廣義相對論是愛因斯坦提出的宇宙結構理論，它使物理學家能夠預測和解釋引力及其對空間和時間的影響。然而，要理解粒子和引力以外的其他三種基本力——強力、弱力和電磁力——物理學家需要量子場論。
自然界中的四種基本力。（圖片/新原理研究所）
量子場論使用非常復雜的數學來描述粒子，但物理學家坎·基利克將量子場論比作一出舞臺?。骸拔枧_上和舞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編寫出無數的劇本?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
在這個類比中，演員是粒子，他們說的臺詞是粒子之間的能量交換——決定了粒子如何運動以及它們做什么。一旦你能描述誰在舞臺上，誰在和誰說話，以及他們說了什么，你就有了對宇宙的描述。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范圍，試圖確定誰是演員，臺詞是什么。
他們的努力催生了所謂的標準模型，該模型賦予基本粒子在這場戲劇中的角色。目前，演員陣容包括 12 個基本費米子，它們是物質粒子（及其反物質對應物）；四個規范玻色子，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及其相互作用。（圖片/新原理研究所）
劇本不是用中文或英文寫的，而是用數學寫的。數學是量子場論的語言。故事背景設定在一個宏大的宇宙舞臺上，相應的劇本以一種一個多世紀前的物理學家無法想象的方式清晰地描繪了我們的宇宙。
盡管標準模型已經取得了很大成就，但仍然留下許多未解釋的問題。
科里奇說：“沒有人聲稱這就是大自然的全貌，我們知道它有很多缺陷。量子場論也缺乏一種很好的方法來描述引力——這有點諷刺，因為我們在日常生活中無時無刻不在經歷引力?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
統一量子場論和廣義相對論是物理學家的夢想。最終的統一理論就是許多物理學家所說的“萬物理論”。這樣的理論可以在一個理論框架內涵蓋所有粒子和所有已知相互作用。物理學家提出了一些非常有希望的候選理論，例如弦理論和圈量子引力。
但即使這兩種理論最終都被一個全面的“萬物理論”所取代，標準模型也可能以某種形式繼續存在。
科里奇說：“現在沒有人會說愛因斯坦推翻了牛頓力學。因為無論我們談論的是地球軌道還是從屋頂上掉下來的鋼琴，牛頓力學都是一個近乎完美的美麗理論?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
同樣，科里奇認為，即使物理學不斷進步，標準模型仍將繼續存在，特別是在過去 20 年里，因為標準模型已經得到完善并進一步確立為粒子物理學的標準。
“二十年前，理論物理學家還沒有發現可以解釋質量的希格斯玻色子，”理論物理學家波格丹·多布雷斯庫說?！拔覀儽冉裉鞊碛懈嗟淖杂蓙韯撛煨铝Ｗ印！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
更多數據提供了粒子特性的更清晰圖像，而與標準模型高度吻合的希格斯玻色子的發現進一步鞏固了標準模型作為普遍接受的理論的地位。但這種確認是有代價的：它讓理論物理學家失去了新的、有趣的研究方向。“從某種意義上說，我們是標準模型巨大成功的受害者，”多布雷斯庫曾笑著說。
大問題
可觀測宇宙延伸至約 930 億光年，但為了了解它，物理學家經常求助于非常小以至于我們無法測量其大小的亞原子粒子。
理論物理學家拉基·馬布巴尼說：“粒子是物質的基本組成部分。我們看到的一切以及我們生活的世界都是由粒子構成的?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
由于這些粒子，理論物理學家可以研究支配宇宙其他部分的問題，例如：“質量從哪里來？”
早在 1960 年代初，理論物理學家就發現了一個可能的答案——質量可能來自一種遍布宇宙的場。物理學家經常用“雞尾酒會”的比喻來解釋這個想法：在雞尾酒會上，較重的粒子就像名人，總是被很多人圍著，使得它們無法在聚會上自由移動，也就是被賦予了較大的質量。較輕的粒子就像無名小卒，由于不承擔任何關注的負擔，它們可以輕松地在聚會上四處移動。這種提供質量的機制后來被稱為希格斯場。
幾十年來，理論物理學家一直在研究希格斯玻色子（與希格斯場相關的粒子）的“樣子”。2012 年夏天，物理學家們迎來了重大時刻，他們在歐洲核子研究中心大型強子對撞機 (LHC) 的數據中發現了隱藏的希格斯玻色子的線索。
這些特征是粒子碰撞后留下的微弱痕跡。就像法醫測量犯罪現場的血跡一樣，實驗物理學家可以使用計算機將這些特征可視化，以了解粒子碰撞時發生了什么。
在梳理高能粒子碰撞的數據時，他們在距離約 1.5 公里處發現了一個小凸起（約 125 個質子的質量）。那個凸起原來是希格斯粒子，證實了理論物理學家多年的工作和數千篇論文。世界各地的物理學家都為這一里程碑而歡呼。
希格斯玻色子于2012年被發現，是標準模型中發現的最后一種粒子。（圖片/新原理研究所）
但希格斯玻色子的發現并不是故事的結束。
實驗物理學家發現的是一個“好孩子”希格斯粒子。希格斯粒子并沒有為我們指出新的物理學，但它與標準模型的預測是一致的。2016年，大型強子對撞機發現了一些數據，顯示希格斯粒子的能量為，但后來更多的測量表明，這個結果只是統計波動。
幾十年來，許多理論物理學家都認同一種未經證實的理論，即超對稱理論，人們親切地稱其為“SUSY”。SUSY 之所以受到理論物理學家的青睞如何成為理論物理學家，是因為它提出了標準模型中的兩種粒子——費米子和玻色子之間存在一種深刻的、在美學和數學上令人愉悅的對稱性。希格斯粒子的發現將為 SUSY 提供強有力的證據。
根據對稱理論，標準模型中的每個粒子都有其對應的超伙伴。（圖片/新原理研究所）
科里奇說：“這個想法很棒。如果我們所知道的每一個粒子都有另一個粒子的行為與之相反，那會怎樣？”
例如，費米子夸克有一個玻色子對應物，即超夸克；光子有一個費米子對應物，即光子。如果這些“超對稱粒子”存在，它們將解決一個被稱為層次問題的大問題。
科里奇問道：“質子或中子的質量約為 1 GeV。為什么希格斯粒子與質子或中子的質量差別不大？它可能比質子或中子重數十億、數萬億、數千萬億倍，但不知何故它卻不是。”
作為標量玻色子，希格斯粒子對量子修正具有獨特的敏感性。如果我們計算對希格斯粒子的量子修正，我們會得到無窮大。這意味著希格斯粒子的質量應該處于物理定律失效的點，即黑洞形成的能量，約為 101?GeV——質子質量的 101? 倍。但希格斯粒子只有，所以一定有某種東西抵消了量子修正。通過提出“超對稱粒子”，SUSY 回答了這個問題：“有人能把我從這些煩人的量子修正中拯救出來嗎？”
在標準模型中，希格斯粒子的量子修正是由費米子和玻色子引起的。在超對稱粒子中，量子修正加起來正好是零，因為超對稱粒子相互抵消。例如，頂夸克和超夸克具有相反的貢獻，因此總量子修正為零。由于超對稱粒子相互抵消了彼此的影響，希格斯粒子的質量可以保持在 10 左右，而不是 101?GeV。實驗物理學家還可以使用強大的粒子加速器探測這些超對稱粒子。許多與粒子相關的實驗研究都是為了找到超對稱粒子而進行的。
馬凱碩表示：“LHC 的整個設計都集中于受 SUSY 啟發的信號?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
但有些實驗暗示了這一點，隨著數據越來越好，這些跡象都消失了。目前如何成為理論物理學家，我們還沒有關于超對稱現象的確鑿證據。
科里奇說：“我們還沒有觀察到任何超對稱粒子，我們已經非常仔細地尋找它們了。一種可能是它們就藏在下一個角落，但另一種可能是我們以錯誤的方式思考這個問題?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
超越標準模型
那么，當沒有真正的實驗線索時，理論物理學家如何提出新的理論呢？
“這不像是在完全黑暗的環境中拍攝，”科里奇說。“你知道框架，你知道游戲規則。到目前為止，就像劇中發生了一起謀殺案，我必須弄清楚誰是兇手。是一個還沒有介紹過的角色嗎？還是我已經認識的角色，也許是管家。”
馬布巴尼對實驗者??正在尋找的方向特別感興趣。大多數實驗的一個關鍵假設是粒子幾乎立即衰變——如果 SUSY 是正確的，情況很可能如此。但在非 SUSY 理論中，一些粒子可能具有非常長的“壽命”，并且衰變超出了實驗者的感知范圍。如果一個粒子在衰變前行進了幾米，LHC 的儀器將無法探測到它。
“我的觀點是，也許我們應該在設計實驗性搜索時開始擺脫這些理論偏見，因為它們還沒有取得任何成果，”馬凱碩說?！巴饷嬗泻芏嗉炔皇浅瑢ΨQ的，也沒有相同的特征。”
這并不意味著理論物理學家可以自由地提出任何難以通過實驗證明的理論，然后就此罷休。
“你需要一個理論來告訴你如何進行計算，然后你就可以提出這樣的問題：‘粒子在不同的實驗中會有什么不同的表現？’”多布雷斯庫說。
有時我們并不清楚理論會將我們引向何方。2017 年，《物理評論快報》發表的一篇論文提出了兩種假想粒子——暗光子和軸子之間的聯系，作者展示了這種假想聯系，即所謂的“門戶”，將如何影響暗物質的產生。
“當我們開始這項研究時，我們并沒有打算發現產生暗物質的新機制，”該論文的第一作者 Kunio 說。
金田的論文代表了新物理學的一個可能方向，現在判斷它是否正確還為時過早。它只是兩個假設粒子之間的假設聯系。大多數理論已被證明是錯誤的或在某些方面存在重大缺陷。但由于科學，尤其是理論粒子物理學，是一門協作學科，因此論文的價值通常不是由它是否準確來衡量，而是由它是否激勵其他物理學家沿著新的方向前進來衡量。
“很多時候他們會說，‘哦！這是一篇有趣的論文——讓我看看我是否可以復制這些結果或將本文中的想法應用到不同的環境中，’”馬凱碩說。
人們可能很容易認為暗光子和門戶的概念太過奇幻而將其駁回，但許多物理學家敦促懷疑論者要謹慎對待自己的懷疑態度。
多布雷斯庫說：“如果你在一個以前從未研究過的框架中測試物理定律，那么你有充分的理由期待看到理論物理學家編織的所有奇怪而美妙的東西?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
一次又一次，一些最初聽起來瘋狂的不尋常事物成為物理學家的新現實。正如他們所說——規則就是用來打破的。
深厚的聯系
在物理學中，對稱性一直被視為最珍貴的定律。
對稱性在日常生活中隨處可見：無論圓如何旋轉，它看起來總是相同的。這種不變性也反映在宇宙中，例如，物理定律不會隨時間或地點而改變。據我們所知，無論是下午 6 點還是早上 7 點，無論是在北京還是在紐約，重力的作用方式都不會改變。
20 世紀初，數學家埃米·諾特發現了對稱性和守恒定律之間的深刻聯系，她的工作幫助我們證明了能量守恒是時間對稱的結果。換句話說：當物理定律不隨時間改變時，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聯系在一起。如果你在自然界中看到對稱性，你就能找到相應的守恒定律，反之亦然。（圖片/新原理研究所）
這些對稱性及其相應的守恒定律是幾十年甚至幾個世紀以來一直存在的永恒真理。
科里奇說：“能量守恒已經被探索、攻擊和審查，并且經受住了所有的考驗。”
物理學中很少有定律是完全無懈可擊的，但能量守恒定律卻非常接近。
當理論物理學家提出新觀點或新模型來解釋宇宙時，他們會在嚴格的約束層級內進行。最底層是基本定律，如能量守恒定律和時間和空間的對稱性。其上是建立在守恒定律基礎上的理論，如狹義相對論。標準模型等較新的理論則以狹義相對論和守恒定律為基礎。而在這個不穩定層級的頂端，則是被廣泛接受但未經證實的理論，如超對稱或弦理論。
在這個尺度上，你走得越高，就越容易推翻傳統理論。發現標準模型中的缺陷（許多物理學家在發現希格斯粒子時都希望找到這個缺陷）將是一項偉大的成就，但它不會消除物理學的更深層次的真理。
科里奇說：“如果你發現能量守恒定律存在問題，也許你需要重新思考整個宇宙。沒有什么比這種意想不到的結果更能激發物理學界的熱情和靈感了。”
除非出現一些令人驚訝的實驗結果，對能量守恒定律提出質疑，否則理論物理學家無疑會繼續將其視為公理。
這并不是說理論物理學家沒有經歷過他們對宇宙的基本觀點被顛覆的時刻。當愛因斯坦提出狹義相對論時，他挑戰了我們如何理解宇宙的一個基本假設。在狹義相對論之前，空間和時間被認為是兩個獨立的現象；但在愛因斯坦之后，空間和時間的概念在物理學家的腦海中不可逆轉地交織在一起。
物理學家、哲學家和歷史學家托馬斯·庫恩將這些罕見的、改變世界的時刻稱為“范式轉移”。它們不僅改變了科學家的知識，也改變了他們對世界的看法。庫恩認為，這些轉變發生在“危機”時期，當時相互競爭的理論受到異常現象和不充分解釋的阻礙。庫恩認為，這些危機讓科學家們得以打破傳統，提出新的理論，這些理論將成為新的范式。
今天物理資源網，許多理論家認為，由于廣義相對論和量子場論之間的矛盾，物理學正處于類似的“危機”，而宇宙中仍然存在一些尚未解決的重大問題，例如暗物質和暗能量。
指導原則：美麗
“我們正在試圖找出大自然最深層的規律，”多布雷斯庫說。
為了探究這些問題，物理學家可能必須重新審視他們最基本的原理。
其中一個困難是，這一探索領域中的直覺和常識（所有優秀偵探的技能）可能會使理論物理學家誤入歧途。
為了探索宇宙最基本的部分，物理學家必須在完全陌生的能量和距離范圍內進行研究。電子和夸克的世界遵循量子定律，這與我們每天經歷的現實截然不同。在量子世界中，即使是位置和速度等簡單的東西也是不確定的。在足夠高的能量下，粒子可能會表現出奇怪的行為，例如短暫出現和消失。
科里奇說：“我們缺乏的是對這些極端自然極限的直覺?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
盡管如此，理論物理學家仍試圖發展適用于該領域的直覺：例如，費曼圖等視覺輔助工具可以幫助理論家更好地理解和“描繪”粒子如何相互作用。
1948 年，戴森證明費曼圖可以轉換成數學語言。（圖片/新原理研究所）
在過去的半個世紀里，理論物理學家基于量子場論做出了多次預測，這些預測一次又一次地被實驗所證實。理論物理學家越來越相信自己能夠理解宇宙發展的秘密。他們擴展了自己的洞察力、直覺和數學能力，構建了一類更雄心勃勃的理論，例如 SUSY。
但現在，由于缺乏這些“超越標準模型”理論的確鑿證據，一些物理學家正在重新考慮他們的偏見。
馬凱碩表示：“或許我們的偏見并不像我們所希望的那樣有充分的現實依據?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
他認為，對特定模型或思考宇宙的方式的許多偏見就像物理學家在某一領域多年工作中培養出來的愛好或審美觀，它們的存在就像決定哪些想法可以接受、哪些想法不可接受的指導方針。
簡潔是理論物理學家青睞的審美特征。2016年，英國廣播公司（BBC）舉辦了一場評選“最美方程式”的活動，狄拉克方程榮登榜首。
倫敦大學學院的物理學家喬恩·巴特沃思評論道：“我喜歡狄拉克方程，因為它將優雅的數學與豐富的物理結果結合在一起?！边@種簡單優雅的美學理想充斥著理論物理學，但它仍然難以捉摸。
狄拉克方程還預測了反物質的存在。（圖片/新原理研究所）
《紐約客》的一篇文章中，幾位理論物理學家被問及優雅，其中包括弦理論的領軍學者愛德華·威滕。威滕簡單地說：“給我一個音樂的定義，我會試著定義優雅?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
理論物理學家的偏見有充分的理由。自從德謨克利特提出原子以來，還原論就為物理學家提供了很好的幫助。普遍化原理使牛頓對引力有了無與倫比的洞察力。美在一定程度上使狄拉克能夠在實驗發現反物質之前就開發出預測反物質的方程。
但也許我們的偏見恰好與理論一致，這只是運氣好而已?；蛘哌@些偏見與某些理論一致，但與其他理論不一致。
“我不知道我們傳統上對美學觀點的信任程度有多高，”馬凱碩說。“當我們尋找一種理論來描述自然時，美學對我們有什么幫助嗎？我不知道。如果他們能，那就太好了，但我擔心他們不能?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
理論上
這絕不是一件容易的事。
馬凱碩說：“你永遠不知道靈感何時會來，或者是否會來。”他說，有時候感覺就像拔牙一樣——不知道這個漫長而痛苦的過程何時才能結束。
從理論上來說，放棄希望、放棄尋找“宇宙如何運轉？”等問題的答案并轉向更簡單的問題似乎更容易。
但理論物理學家卻不甘心，他們不斷突破知識的壁壘，敢于提出最終可能被認為毫無根據的想法，因為他們知道這是科學進步的一部分。
早在希格斯粒子出現幾十年前，物理學家就提出了許多其他質量機制，例如“偽色”、“頂夸克凝聚態”，甚至“非粒子物理”。這些都是在黑暗中摸索，但也是必經之路。正如理查德·費曼所說：“要想取得進步，就必須打開未知之門?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
你可能會想知道為什么理論物理學家要經歷如此艱苦的過程——花費數年時間去探索很可能是死路一條的道路——直到你看到和聽到他們對此的熱情——那種興奮和激情說明了一切。
“一旦你有了一個想法——一個你真正想知道答案的想法的種子——從那一刻起，一切都變得簡單了，”馬凱碩說?！澳憬酉聛碜龅牟皇枪ぷ?，而是純粹的玩樂，一場你永遠不想停止的玩樂?！?span style="display:none">xTJ物理好資源網(原物理ok網)
理論物理學的下一次偉大革命的細節仍不明朗。我們不知道它何時會發生，誰會第一個想到它，或者那個偉大的想法是什么。但如果歷史教會了我們什么的話，那就是不要忽視那些畢生致力于探索宇宙的人。
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作者：丹
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