馬修·查默斯：來自英國布里斯托爾的自由撰稿人，2012年在《科學(xué)美國人》雜志上撰文《后希格斯粒子時(shí)代》。他表示，發(fā)現(xiàn)希格斯粒子之后，要對(duì)這種粒子進(jìn)行更精細(xì)的研究，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）已無法勝任?，F(xiàn)在，科學(xué)家提出了4種方案，建造新一代對(duì)撞機(jī)，提高研究精度，以期發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型之外的物理現(xiàn)象。

    希格斯粒子進(jìn)入死胡同

    希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)讓歷史上最精確的科學(xué)模型——粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型得以完整，但是，“一個(gè)故事的結(jié)束，也是另一個(gè)故事的開始”，這也預(yù)示著新問題即將出現(xiàn)。

    1964年2月，披頭士樂隊(duì)心中時(shí)刻想的就是讓美國為之傾倒，而彼時(shí)彼刻，一些強(qiáng)大的物質(zhì)也在理論物理學(xué)家穆雷·蓋爾曼的大腦中盤旋。蓋爾曼思考的問題是：組成物質(zhì)的原子和中子本身是否也由更小的物質(zhì)組成呢？他將這種更小的物質(zhì)命名為“夸克”。“夸克”一詞是穆雷·蓋爾曼改編自愛爾蘭作家詹姆斯·喬伊斯的小說《芬尼根守靈夜》（Finnegans Wake）中的詩句：“向麥克老大三呼夸克。” 取這一名字僅僅因?yàn)樯w爾曼喜歡這個(gè)單詞的發(fā)音，就像夸脫一樣。

    那時(shí)，物理學(xué)對(duì)變革理念的渴求就像困在沙漠中的人對(duì)綠洲的渴求一樣強(qiáng)烈?？茖W(xué)家們?cè)谟钪嫔渚€中發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)奇異的新粒子，這似乎不合情理也毫無緣由。蓋爾曼發(fā)明的夸克使質(zhì)子、中子和所有這些新粒子可以被描述為兩個(gè)或者三個(gè)更基本的粒子的組合。

    對(duì)于大多數(shù)物理學(xué)家來說，這一想法有點(diǎn)太過于超前了。新粒子打破了既定的規(guī)則，因?yàn)槠鋼碛?2/3、-1/3這樣的電荷，而且，科學(xué)家們或許也從來不會(huì)看到這些粒子“獨(dú)自起舞”。情況為什么會(huì)變得這么奇妙呢？

    為什么就不能如此呢？現(xiàn)就職于墨西哥州桑塔費(fèi)研究所的蓋爾曼反駁道：“每個(gè)人都在說，這也不可能，那也不可能，但或許本來就毫無道理，或許自然就是如此奇妙。”結(jié)果也表明正是如此?，F(xiàn)在，夸克已經(jīng)成為所有科學(xué)里最禁得住檢驗(yàn)的理論模型——粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)。在40年的歲月中，標(biāo)準(zhǔn)模型展示出了不可思議的能力，一次次地將理論學(xué)家們的夢(mèng)想變成無可辯駁的事實(shí)。2012年7月，歐洲核子研究中心（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）實(shí)驗(yàn)組宣稱發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，這只是標(biāo)準(zhǔn)模型最新、最驚人、最引人矚目的一次展示而已。

    盡管科學(xué)家們已經(jīng)取得了如此驚人的成就，但是，“盛極而衰”“物理學(xué)已日薄西山”等言語卻不絕于耳。有了希格斯玻色子，明顯不完整的標(biāo)準(zhǔn)模型變得更加完整完滿，但是，這并不表示該模型沒有瑕疵，而實(shí)驗(yàn)也無力再提供線索，供科學(xué)家們創(chuàng)建出更好的模型來彌補(bǔ)其不足。歷史再次重演，粒子物理學(xué)理論再次呼喚全新的變革。

    美國得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的理論學(xué)家斯蒂芬·溫伯格于1974年提出了“標(biāo)準(zhǔn)模型”。溫伯格表示：我并不希望這一術(shù)語成為教條，我希望它成為交流和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)，讓科學(xué)家們借此獲得一些證據(jù)，證明標(biāo)準(zhǔn)模型是錯(cuò)的。標(biāo)準(zhǔn)模型的基本要義在一張明信片上就能表述清楚：6個(gè)夸克成雙成對(duì)，構(gòu)成除了質(zhì)量以外其他一切都一模一樣的三“代”；諸如電子和中子等6個(gè)“輕子”也采用同樣的方式排列；另外還有一小撮玻色子在夸克和輕子之間傳遞自然界最基本的作用力。

    關(guān)于這些粒子最重要的事情是，它們?cè)诒举|(zhì)上都是量子粒子。量子理論源于20世紀(jì)初非常關(guān)鍵的發(fā)現(xiàn)，這些發(fā)現(xiàn)表明，原子釋放和吸收的輻射之所有具有這樣的波長，只能夠過假定能量被打包成不連續(xù)的小份或者“量子”來解釋。順著這條思路，我們就能推導(dǎo)出一個(gè)怪異的二象性，在最小的尺度上，粒子是波，波也是粒子。這些“身份”含混不清的波—粒子的運(yùn)動(dòng)并不遵從牛頓經(jīng)典力學(xué)，而是在抽象的數(shù)學(xué)空間中的奇異規(guī)則下跳著概率的舞蹈。

    到了上世紀(jì)20年代中期，量子力學(xué)大體已經(jīng)成型，也經(jīng)受住了所有實(shí)驗(yàn)的考驗(yàn)。但是，在上世紀(jì)20年代晚期，物理學(xué)天才、獲得諾貝爾獎(jiǎng)的最年輕的理論物理學(xué)家保羅·狄拉克和其他人開始探究將量子力學(xué)和愛因斯坦的廣義相對(duì)論關(guān)聯(lián)起來，這一舉動(dòng)在描述以接近光速運(yùn)動(dòng)的粒子方面邁出了關(guān)鍵的一步，自此，科學(xué)研究進(jìn)入另外一番新天地。

    1928年，狄拉克提出了一個(gè)電子運(yùn)動(dòng)的相對(duì)論性量子力學(xué)方程，即狄拉克方程，該方程擁有不止一個(gè)解，這似乎預(yù)示著存在著這樣一種粒子，其屬性和電子類似，但是，電荷相反。五年后，科學(xué)家們?cè)谟钪嫔渚€中發(fā)現(xiàn)了這種“正電子”。理論學(xué)家們也順勢(shì)而動(dòng)，提出了“反物質(zhì)”這一概念。

    量子場(chǎng)論作為標(biāo)準(zhǔn)模型的理論基礎(chǔ)，也是上述邏輯的集大成者。用場(chǎng)來傳遞力這一想法可以追溯到19世紀(jì)英國物理學(xué)家、化學(xué)家邁克爾·法拉第，但是，量子場(chǎng)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)給這些量子場(chǎng)賦予了一些奇怪的屬性：它們可以從空無一物的真空中制造出粒子，再讓其湮滅于無形。因此，根據(jù)量子電動(dòng)力學(xué)理論的觀點(diǎn)，兩個(gè)電子之所以會(huì)相互排斥，是因?yàn)橐粋€(gè)光量子（光子）“作祟”，光量子是電磁場(chǎng)的量子粒子，不知所起而且會(huì)從一個(gè)電子傳到另一個(gè)電子那兒。無數(shù)個(gè)這樣的“虛擬”粒子不斷出沒，會(huì)輕微改變經(jīng)典電子或者說“裸”電子的屬性。自從上世紀(jì)40年代以來，很多實(shí)驗(yàn)都證實(shí)了這種變化，而且，精確程度令人瞠目結(jié)舌。

    量子理論將其他力囊括其中也頗費(fèi)了一番功夫，花費(fèi)了更長時(shí)間。在輻射衰變中將一種粒子變成另一種粒子的弱核力很長時(shí)間以來都被難以控制的無窮大所困擾，這就使得除了最簡單的一些效應(yīng)以外，其他計(jì)算都陷入無望。時(shí)間繼續(xù)向前推進(jìn)，到了上世紀(jì)60年代，溫伯格等人終于找到出路，將弱核力與電磁力統(tǒng)一成弱電力，這種弱電力只在能量極高的環(huán)境（比如早期宇宙）下才會(huì)“現(xiàn)身”。

    正如狄拉克方程預(yù)言了反物質(zhì)的存在一樣，這一理論也預(yù)示了可能存在一些迄今還沒有被看到的粒子：大質(zhì)量的W和Z玻色子——其主要作用是傳遞目前已經(jīng)成弱電力中分離出來的短程弱核力以及希格斯玻色子。希格斯玻色子一定要存在，才能確保W和Z玻色子在統(tǒng)一的弱電力被分解成電磁力和弱核力的所謂“破缺”過程中獲得質(zhì)量，從而將弱核力限制在原子距離范圍內(nèi)；然而，與此同時(shí)，傳遞電磁力的光子則不會(huì)獲得質(zhì)量，這就使得它們能夠自由自在地在宇宙中穿梭馳騁。

    與此同時(shí)，強(qiáng)核力（讓原子核緊緊依附在一起的作用力）的量子場(chǎng)理論也上演了一出“咸魚翻身”的好戲，用該理論的聯(lián)合創(chuàng)立者、美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的戴維·格羅斯的話來說，就是“從鬧劇到勝利”。量子色動(dòng)力學(xué)也是蓋爾曼創(chuàng)造出的一個(gè)術(shù)語，量子色動(dòng)力學(xué)通過將夸克之間的相互作用描述為它們不斷交換8種攜帶“色荷”的膠子，最終讓夸克名聲大噪；該理論還展示了夸克非常獨(dú)特的一點(diǎn)：那就是兩個(gè)夸克距離越遠(yuǎn)，它們之間的作用力就越強(qiáng)。格羅斯說：“該理論不但揭示了為什么質(zhì)子看上去由夸克構(gòu)成，而且也解釋了為什么這些夸克從來不會(huì)被拉出質(zhì)子的管轄疆域。”

    上述基本上就是標(biāo)準(zhǔn)模型的全部故事了。到了1973年，披頭士樂隊(duì)的成員們已經(jīng)分道揚(yáng)鑣，而在接下來的一段時(shí)期內(nèi)，科學(xué)家們做出了一連串激動(dòng)人心的發(fā)明，使得標(biāo)準(zhǔn)模型最終成型，其中包括約束所有粒子的行為的弱電統(tǒng)一理論以及僅僅對(duì)夸克和膠子起作用的量子色動(dòng)力學(xué)。標(biāo)準(zhǔn)模型不僅充滿智慧而且非常優(yōu)美。標(biāo)準(zhǔn)模型的方程式具有極端完美的對(duì)稱性，不僅描述了自然界中各種力的本質(zhì)和特征，也告訴物理學(xué)家們應(yīng)該前往何處尋找什么新粒子。

    果不其然，新粒子在粒子對(duì)撞機(jī)的數(shù)據(jù)中逐個(gè)“顯山露水”，這讓理論學(xué)家們狂喜不已。上世紀(jì)60年代末，科學(xué)家們就已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室獲得了三個(gè)夸克存在的證據(jù)，但是，直到上世紀(jì)70年代末，美國物理學(xué)家們才推測(cè)出第四和第五種夸克粒子的存在，并最終在1995年推測(cè)出立刻第6個(gè)種“頂”夸克粒子的存在。

    到了2000年，最后一個(gè)輕子τ中微子才被科學(xué)家們收入囊中。在這場(chǎng)發(fā)現(xiàn)新粒子的戰(zhàn)爭(zhēng)的另一端，德國漢堡城外的德國電子同步加速器研究所（DESY）的科學(xué)家們于1979年捕獲了膠子；歐洲核子研究中心的科學(xué)家們?cè)?983年抓住了W和Z玻色子。當(dāng)時(shí)光機(jī)器前進(jìn)到2012年時(shí)，歐洲核子研究中心的科學(xué)家們才眾望所歸地發(fā)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測(cè)的最著名的也是最后一種粒子——希格斯玻色子。