寻找万物至理

是什么样的神奇手眼

将你造得如此惊人的对称。

——威廉·布莱克（《老虎》1794年）

在日内瓦老城的中心位置坐落着雄伟的圣皮埃尔大教堂。它采用当时朴素的标准罗马式风格，于1160～1232年间建造。为了强调上帝创世设计中的基本统一性，圣皮埃尔大教堂的拱形圆顶和高耸的塔楼都设计得非常平衡，左右对称。

多年以后，随着宗教信仰的潮流变换，这座大教堂原本的设计也受到了侵蚀。16世纪的宗教改革导致其内部艺术遭到了疯狂的破坏：雕塑被毁坏，墙上的壁画也被抹去。由于建筑学上的混乱，在1750年原来的临街面被替换成了新古典主义风格。

许多物理学家相信宇宙原本是一座简单的殿堂，优美且平衡。根据这个观点，宇宙最早就像一艘完美时髦的轮船，是由对立物——正负电荷、物质和反物质、轻子和夸克、费米子和玻色子等均匀地混合起来的。当宇宙从原来非常炽热的致密状态开始冷却下来，这些对称性就被打破了，因此现在的宇宙就像圣皮埃尔大教堂那样混乱了。

大强子对撞机（LHC）的主要任务之一是某种考古性质的探索，就是试图将宇宙原本的对称性拼凑起来。寻找这些对称性的目的是，寻求最终将世界上所有的粒子和力都统一起来的单一理论。回望宇宙最初的那一刻可能会提供答案。LHC用于粒子尺度上非凡的能量会再现大爆炸后远小于1秒时的环境，在很小的层次上，这也算是一种逆转的时间之旅。

LHC并不是要重复实际的大爆炸本身。尽管LHC中的实验对于每个粒子而言提供了足够多的能量，但整体而言那些能量却是微不足道的。就像在一点沙子上泼点水来测试沙滩的侵蚀情况，尽管这可以模拟海洋拍打沙滩的效果，但这对整个太平洋来说没有丝毫作用。

对称性表达它们自己原始状态的理论线索来自于现在自然界中的守恒和近守恒量，近似对称性导致了优美的标准模型的出现。标准模型是表达两种自然基本作用力的数学方法，这两种相互作用是电磁相互作用和弱相互作用（它是某种辐射的来源）。还有无数的工作尝试将它们和另外两种自然作用力——强相互作用（它将原子核捆扎起来）和万有引力中的一个或是两个也统一起来。

例如，爱因斯坦在他生命的最后几十年里，一直尝试用广义相对论不同的推广方式将电磁相互作用和万有引力统一起来。他相信自然定律对于原始和谐性给出了微妙的信号。爱因斯坦希望通过不懈的数学探索来揭示这些隐藏起来的一般原理，可惜他所有的努力都没有成功，直到1955年去世，他仍没有找到所寻求的满意答案。

爱因斯坦去世之后几十年内，描述电弱相互作用的标准模型出现了。之所以叫电弱相互作用，是因为它将电磁相互作用和弱相互作用融合起来。这是那时得到的唯一成功的统一模型，是通过大量的繁重工作和创造性的思维才完成了相融。在一般条件下，电磁相互作用和弱相互作用有几个显著的特征：从原子间极小间距到闪电跨越的巨大距离，电磁相互作用可以在极其宽广的空间范围内传递；而弱相互作用只是在亚原子尺度下起作用。电磁相互作用可以把带电粒子吸引到一起或者推开，但不会改变其带电荷量的多少或极性。因此带正电的质子可以拉着带负电的电子，并且状态可以保持不变。而弱相互作用则不一样，它表现得像个极小的掠夺者，专门抢劫粒子的电荷和其他性质。例如，它可以导致β衰变，这一过程使得中性的中子转变成质子（还有其他的粒子）。

聪明的理论家注意到，质子和中子的质量差不多，但却不完全一样。于是他们想导致它们相互转换的原因是不是由于某种对称性以某种方式破缺了。就像独立钟，它发出的声音曾经和与它在同一铸造厂铸造出来的大钟一样，但随着时间的流逝就有了缺陷。那么电磁相互作用和弱相互作用会不会原来就是双生子，但有不同的形成经历呢？

标准模型所基于的自发对称破缺概念来源于完全不同的物理领域——超导的研究。某些物质当冷却到极其低的温度时会失去电阻，可以完美地导电。“超电流”会阻挡外磁场并保持内部场的完整。超导磁体遍布LHC，它们用来产生极高的磁场来引导粒子以紧密的粒子束形式在绕着圈运动。

1957年，约翰·巴丁、里昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗（BCS）成功地发展出了关于物质是怎么组织起来形成这种超导态的量子理论。这一理论依赖于电子之间的被称为库珀对的特殊相关性。电子成对地结合起来，像尽职的士兵一样整齐行军，从而它们可以克服所有的阻力，成为完美的超导体。

成对的电子可以步伐一致地运动，而单个电子不能这样的原因，与所谓的泡利不相容原理有关。基本粒子可以归为费米子和玻色子两种不同类型。电子（如果没有成对）就是费米子的一个例子，而光子就是玻色子的一个例子。泡利不相容原理是量子力学中一个极其重要的规则，它是说两个费米子不能处于相同的量子态。这一原理对玻色子无效，因而在同一量子态可以有任意多的玻色子占据。这就像是在夏令营里同一铺位可以给任意多的小孩（玻色子）分享，但指导老师（费米子）每人拥有一间房间。自然前者比后者会更加聚集在一起，这就解释了为什么玻色子可以更容易集体行动。虽然是由两个费米子结合起来的，但库珀对表现得像玻色子，这就解释了为什么它们会步调一致。

超导的死敌是热。根据材料的不同，在足够高的温度下，同步运动会被破坏，超导体转变回普通的电行为。这种转变类似于晶体的冰变成液体的水，也称为相变。

BCS理论发表4年之后，生于日本的物理学家南部阳一郎巧妙地证明了，其中的假设可以类似地描述粒子物理中对称性是如何自发破缺的。在大爆炸爆发之后片刻，随着温度降低，相变发生了，玻色子突然从无目标的运动变得同步起来，形成协调的模式。由于这个重要的发现他分享了2008年的诺贝尔物理学奖。

之后，在1964年，英国物理学家皮特·希格斯提出一种新的玻色子，在某种特殊的自发对称性破缺过程中它可以获得质量。为了获得质量，它也赋予了别的粒子质量。尽管这种玻色子最后以他的名字来命名，在那个时候还是有几个类似的机制被独立地提了出来，包括杰拉尔德·古拉尔尼克、C·理查德·哈根和汤姆·基布尔的一篇论文以及弗朗索瓦·恩勒特和罗伯特·布罗特的另一篇论文。

在量子力学中，能量场根据所处的势能而呈现不同的形状。势能可以是某种斜坡、井或者障碍，它勾画出了能量是如何随着位置变化而变化。例如，像悬崖形状的势能就表现出比平台形状的势能更剧烈的能量变化。希格斯将他的玻色子放在一种特别的势能中：在较高温度时，它像是盆地的底部，而在较低温度时，它像是盆地的边缘。当温度低于某个临界值时，这个玻色子被迫从盆地的中间位置（零能态，称为真空）移到沿着边缘的某个位置（非零能态，称为假真空）。希格斯玻色子最后呆在边缘的任意位置上，这表明它的相（一种内部参数，它可以为不同的角度，就像钟上的指针）被锁在了空间的基态相上。这是与单个粒子不同的，真空必须是唯一的，而且在每一点不能有不同的相，因而原来的对称性就被自发破缺了。

我们可以想一下，在由一些正方形区域构成的棋盘形土地上如何建造房子。在这块土地上建好房子之前，每块区域都是绝对对称的，不管是南边还是北边都没有什么不同。现在假设有个地区的法令要求房子的间距必须为某个大小。如果第一栋房子精确建于每块区域的中心，同时其他的房子也这样修建，那么这些土地依然保持对称。这类似于希格斯玻色子处于高温的情况。但是如果第一栋房子建造在土地的西南角，由于要求房子之间的距离为某个特定的大小，周围的房子也不得不有同样的偏向。最终，所有土地上的房子的位置都偏向西南角了。这样由于一个任意的局部上的决定，它们原来的对称性就被破坏了。如果当初第一栋房子是建造在东北角的，那么结果整体的趋向性就会变为偏东北。类似地，希格斯玻色子局部上的相位选择就会影响整体的相位。

正像希格斯证明的那样，一旦玻色场的相位被设定好了，它就获得非零能量的质量。这一质量不是无缘无故出现的，它是在不同真空态之间发生转变时，由能量转变来的，转变出的质量大小就是爱因斯坦狭义相对论所表示的那么大。此外当希格斯玻色子和其他粒子发生相互作用的时候，就将它们自己的质量赋予对方，因而希格斯粒子可以很好地给宇宙中所有有质量的粒子设定质量。由于希格斯玻色子有着貌似可以无中生有地得到质量的能力，所以它又有一个昵称叫“上帝粒子”。希格斯本人对于这一昵称并不是太舒服。对于一位谦逊的教授来说，去接受一件用自己名字来命名一种粒子的事情总是要花些时间的，更不用说这一粒子还有着神奇的特性。

希格斯的想法非常激进，以至于他的原始论文没有被欧洲的期刊《物理快报》录用。后来他这样描述当时的失望之情：

我很愤怒。我相信我所展示的东西对于粒子物理的发展有着重要的影响。后来我在欧洲核子研究中心（CERN）的同事告诉我，他们那里的理论家们也没有看出我所做的事情的要点……

认识到这篇论文在推销自己方面有所欠缺，于是我重写了一遍，新加入了两个段落。其中一段里讨论了当时时髦的关于SU（3）味（夸克类型）对称性的自发破缺。然后将它投给了《物理评论快报》……这回它被接受了。

希格斯的论文促使人们从新的角度来尝试将电磁相互作用和弱相互作用统一成一个理论。其中的要点是，这些力是通过交换一些粒子的方式来传递的，而其中的三个粒子通过希格斯机制获得了质量。交换粒子是玻色子，它加强了一些有质量粒子间的联系，使它们相互吸引、排斥以及转换。交换粒子的质量越大，对应的相互作用的距离就越近。

电磁相互作用是可以在无限距离中起作用的力，它的传递者光子是无质量的。此外由于它们不会影响相互作用粒子的电荷大小，因此它们是电中性的。另外两个交换粒子是为弱相互作用服务的，它们称作“W＋”和“W-”玻色子，具有电荷和质量。这反映了它们所传递的相互作用的性质：电荷变换和短程性。还有一个中性的弱相互作用携带者，叫做Z玻色子。它是在1960年由哈佛大学的理论家谢尔登·格拉肖提出的。所有这三个弱相互作用交换粒子后来都被找到了。

一旦将希格斯机制包含进去，加上交换粒子的表象以及用来表达各种类型粒子的场，所有用来统一电磁相互作用和弱相互作用的东西都被捏成了一体。1967年，就职于麻省理工学院的美国物理学家史蒂文·温伯格和就职于剑桥大学的巴基斯坦物理学家阿卜杜勒·萨拉姆各自独立地成功发展出来电弱统一理论。这是大师级的理论，是花费几十年对自然界中亚原子粒子进行实验和理论探索所取到的最高成就。标准模型的称号标志着它非凡的重要性。

根据理论预言，最初的希格斯场的残骸应该还有保留下来的，并且是可以探测到的。令人惊讶的是，尽管花费了几十年时间在相应能区进行实验探索，希格斯玻色子依然没有被找到。物理学界希望通过大强子对撞机最终找到希格斯玻色子，从而奠定标准模型毋庸置疑的基础。

LHC的研究人员们很清楚标准模型还没有被完全证明。要使得标准模型完成一切达到大圆满，在宇宙中还有太多的不平等谜题需要来解释。因为希格斯粒子还没有被找到，同时其他的相互作用还没有完满地统一起来，现在的许多物理学家对于标准模型的最终有效性不置可否。尽管它非常成功地解释了大部分粒子现象，但是像许多描绘的非常美丽的古老壁画一样，它还是有瑕疵的。

在过去几年出现了很多种统一理论，其中最流行的就是弦理论。在弦理论中，组成世界的最小组分是振动的能量弦，而不是点粒子（标准模型就是这么认为的）。这些弦不可思议地小，比所谓普朗克长度（10-33英寸）还要小。尽管它们太小了，以至于观测不到，但是还不是无穷小，大小还是有限的。这在数学上带来的直接好处是对于任何问题，当涉及到长度的倒数时是有限大的，而不是无穷大。这避免了标准量子场论中所遇到的某些数学弊端——某些项变得不可定义，而且不切实际地大。

弦理论有时被称为万物至理（TOE），因为它号称包括了所有已知的相互作用。它的有限性使其特别适合处理万有引力。万有引力不能融入之前的所有统一理论，包括爱因斯坦的杰出工作在内。而批评者们则指出弦理论包含了过多的东西。它不仅可以把标准模型作为它的一个子集，而且还包含了无数物理上不现实的结构。因而弦理论的一个长期目标是，将自己缩减到单一的、仅描述我们自己的宇宙的万物至理上。

根据弦理论，不同的场和粒子是能量振动的不同模式。如果一把吉他走调了，你会去调整弦的松紧。类似地，弦理论中能量振动模式对应于张力的改变。和泛音可以使音乐作品变得丰富多彩一样，它们也有谐波模式。这些弦组合对应于各种各样的质量、自旋以及各种成分的其他性质。

起初弦理论只是以强相互作用的一个模型的形式出现。那时候它只包含了力的携带者，也就是玻色子。玻色弦理论从没有描述那些在最小的层次上表现为费米子的物质粒子。理论家因此想找到一种描述费米子的方法，给出这些物质以及引力中介者的模型。

为了把费米弦和玻色弦都包含进去，佛罗里达大学物理学家皮埃尔·雷蒙德在1971年提出了超对称的概念。在雷蒙德的想法里，存在一个变换将力和物质联系起来，这个概念很快就火了起来，激起了持各种态度的理论家的兴趣，甚至包括那些对弦理论没有什么热情的理论家。将费米子和玻色子统一起来的对称性仿佛就是粒子间的终极民主制度。

此外，超对称不同于传统的量子场论，而是类似标准模型，它给万有引力提供了充足的空间。在量子物理的历史上，万有引力第一次像是要和统一场论合并起来了。仿佛到了春天，爱因斯坦那已冬眠了的对大统一的探求突然就苏醒了过来，像是一辆古董轿车装备上了一个轰鸣着的新引擎。

被超对称（昵称为“SUSY”）发电机所推动，相信其力量的场理论学家们发现自己面对着几条不同可选择路线。其一是推进成弦的超对称理论——超弦理论，探索它们的基本特性，希望能够与基本粒子的观测结果对得上。值得庆幸的是在1984年，迈克尔·格林和约翰·施瓦茨的一个重要结果表明超弦理论没有某种被称为“反常”的数学缺陷。超弦理论这架充满生气的飞车似乎行驶得更加平滑了。

然而对于那些选择这条基本路线的人们来说，挑战之一是要给实验家们提供一些案例。弦理论的计算往往很复杂并且有许多个自由参数，这些参数可以加以调整以适应很宽范围的预言。另外，弦理论有几个不同的版本，直到20世纪90年代中期爱德华·威滕和其他理论家们才证明了它们的等价性。由于有多个参数和理论，研究者们不完全确定要测试什么东西。毕竟对于这么小的一个区域——在那里原子核就像星系那么大——似乎是根本不可能做探测的。

此外，只有当世界是十维或更高维的时候，超弦在数学上才是自洽的。为了与人们只观测到了三维空间一维时间的事实相符，理论家们利用了瑞典物理学家奥斯卡·克莱因在20世纪20年代提出的想法，假设其中六维卷曲成一个非常微小，小到无法在物理上观测的球。这个想法在数学上行之有效，但对于实验家们来说，并没有机会去测试这一理论。如果不能得到实验上的验证，超弦理论的怀疑者们——格拉肖、理查德·费曼就是典型例子——就会认为它的根基是不可靠的。

实验室的研究人员们更大程度上被超对称的一个更保守的应用吸引了，它称为最小超对称标准模型（MSSM）。最小超对称标准模型是由斯坦福大学物理学家萨瓦斯·季莫普洛斯和霍华德·格奥尔基在1981年提出的，它给出了一种推广标准模型、使其可以包含附加场的方法，其目的是把它作为更大的统一理论的一部分。这些场包括了超对称伙伴粒子，其中最轻的粒子是有希望在实验室中观测到的。

完整的统一需要把万有引力包括进去。万有引力远比其他力要弱。回溯宇宙的历史，在大爆炸后短于10-43秒的时候，万有引力在强度上与那些同源的相互作用可以比拟。那个时刻被称为普朗克时间，宇宙还处于不可思议的高温和致密状态。由于处于这种极端状态下，适用于自然界最小尺度的量子力学原理那时也适用于万有引力。在那短暂的一刻，广义相对论和量子力学这两个不同的世界被强制结合到一起成为量子引力。

由于把所有的自然作用力统一到一起需要如此高的能量，参与其中的粒子质量将会出奇地大。它们的质量会是大强子对撞机能找到的粒子的质量的千万亿倍。与希格斯粒子相互作用，普朗克尺度粒子会将自己的能量提升很高，以至于破坏标准模型的稳定性。特别是在理论上会使弱相互作用减弱到实际观测不到的程度。

当季莫普洛斯和奥尔基构造统一场理论的超对称描述的时候出现了吉利的数学抵消，他们利用这些数学抵消避免了那个灾难。这些抵消消除了高质量项的影响，并保证了希格斯粒子不被拉扯到非现实的能量上。预言之一是，希格斯粒子会被一组带电荷或中性的粒子取代，其中包括了它的一个叫做希格斯微子的超对称伙伴。

如果一些低质量的超对称伙伴粒子被发现了，那么就可以为超越标准模型是什么提供重要线索。它们会揭示最小超对称标准模型或其他的扩展模式是否正确。如果是正确的，还有助于调整其中不确定的参数（最小超对称标准模型有超过100个这样的参数）。最后，这些发现还会为极高能下弦理论（或其他的统一场论）会呈现什么样子提供有价值的线索。

由于弦理论允许有太多的不同结构，而且所需要的能量可能遥不可及，因此大强子对撞机的任何结果都不太可能最终证实或者否定弦理论。在最好的情况下，它们只是为弦理论的限制和约束提供更多的信息。例如实验上发现了超对称并不能证实弦理论，但可以让它的拥护者确定他们是不是走对了路。

最急于寻找超对称的那群人，是那些试图解决当今科学所面临的一个最深刻的两难问题的研究人员。这个问题就是丢失物质之谜。天文学家对于看不见的物质非常困惑，它们散布于宇宙的各个角落。我们通过万有引力的扯拉，比如作用在星系外环中的星体上的附加力，才知道它们的存在。暗物质谜题是天文学中最深刻的谜题之一。一些研究人员认为答案可能是有质量但无法看到的超对称伙伴粒子。超对称负载可能是宇宙之船隐藏起来的压舱物吗？不久之后，这个世界上最强大的高能装置就有可能揭示这一自然界中看不见的货物。

揭示这些奥秘需要高能碰撞，并用复杂的探测器加以监视，从而确定碰撞出的大量产物的性质。这一方法有着很长的卓越历史，通过碰撞来探索物质的内部结构开始于一个世纪之前，那是1909年的金箔实验。当然那时的装置和现在相比，是非常非常简单的。

那时的科学家尝试探索原子的内部世界，当时对于原子内部知之甚少，直到对撞揭示了这一奥秘。你不可能用一片叶子来敲开一个椰子，而必须用一个木槌，并且还得准确地用力敲打。揭示原子的结构则需要一个特别的大锤，并用最稳定的胳膊来操控它。