理论与实验
多年来，物理学家们一直在等待一场新的革命的出现。
从实验的角度看，这样一场革命的到来并非难以想象：它可能来自一台强大的设备，调到合适的频率，对科学家们寻找已久的暗物质进行观测；也可能来自一架望远镜，能够看得足够远，从比最古老的恒星还要古老的光信号中发现宇宙膨胀的秘密；或许它来自一个深埋在地下的实验室，从中微子中寻找宇宙为什么充满物质而不是反物质的答案。
除了实验突破外，物理学的大部分进步都来自理论发展。
在物理学中，理论和实验就像同一枚硬币的两面。理论家为一些宇宙难题提出解决方案；实验家则专注于测试这些想法。当实验家发现一个有趣的结果时，理论家就会提出一个模型来解释它。
这种相对明确的分工不同于化学或生物学等其他科学，因为这些科学中的理论和实验之间的界限通常更加模糊。
在过去的一个世纪里，理论物理学家和实验物理学家都在各自的领域变得更加专业化。实验物理学家使用粒子加速器等先进设备来收集数据。他们在高科技实验室里工作，实验室里装满了超酷的电子设备和重达数千吨的仪器阵列。对于理论物理学家来说，他们的“实验室”是任何可以自由酝酿想法的地方：一次谈话、一块黑板，甚至是瑞士专利局。（1905 年，著名物理学家爱因斯坦在瑞士专利局发表了几篇革命性的论文。）
尽管实验物理学家使用的工具非常复杂，但它们仍然是有形的机器。图表、图画和视频都可以用来说明它们的工作原理。相比之下，仅靠简单的辅助工具无法帮助我们了解理论物理学家的思维方式，或者他们如何想出下一个伟大的想法。
但总是有希望的——如果你愿意倾听，理论物理学家总是乐于尝试解释他们的理论是如何运作的。
物理学家对宇宙的理解可以归结为两个基本理论：广义相对论和量子场论。
广义相对论是爱因斯坦提出的宇宙结构理论，它使物理学家能够预测和解释引力及其对空间和时间的影响。然而，要理解粒子和引力以外的其他三种基本力——强力、弱力和电磁力——物理学家需要量子场论。
自然界中的四种基本力。（图片/新原理研究所）
量子场论使用非常复杂的数学来描述粒子，但物理学家坎·基利克将量子场论比作一出舞台剧：“舞台上和舞台下都有演员在表演，他们都有台词，你可以根据量子场论的规则编写出无数的剧本。”
在这个类比中，演员是粒子，他们说的台词是粒子之间的能量交换——决定了粒子如何运动以及它们做什么。一旦你能描述谁在舞台上，谁在和谁说话，以及他们说了什么，你就有了对宇宙的描述。在过去的一个世纪里，理论物理学家和实验物理学家一直在缩小他们的范围，试图确定谁是演员，台词是什么。
他们的努力催生了所谓的标准模型，该模型赋予基本粒子在这场戏剧中的角色。目前，演员阵容包括 12 个基本费米子，它们是物质粒子（及其反物质对应物）；四个规范玻色子，它们是传递力的粒子；以及希格斯玻色子。
粒子物理学的标准模型描述了基本粒子的行为及其相互作用。（图片/新原理研究所）
剧本不是用中文或英文写的，而是用数学写的。数学是量子场论的语言。故事背景设定在一个宏大的宇宙舞台上，相应的剧本以一种一个多世纪前的物理学家无法想象的方式清晰地描绘了我们的宇宙。
尽管标准模型已经取得了很大成就，但仍然留下许多未解释的问题。
科里奇说：“没有人声称这就是大自然的全貌，我们知道它有很多缺陷。量子场论也缺乏一种很好的方法来描述引力——这有点讽刺，因为我们在日常生活中无时无刻不在经历引力。”
统一量子场论和广义相对论是物理学家的梦想。最终的统一理论就是许多物理学家所说的“万物理论”。这样的理论可以在一个理论框架内涵盖所有粒子和所有已知相互作用。物理学家提出了一些非常有希望的候选理论，例如弦理论和圈量子引力。
但即使这两种理论最终都被一个全面的“万物理论”所取代，标准模型也可能以某种形式继续存在。
科里奇说：“现在没有人会说爱因斯坦推翻了牛顿力学。因为无论我们谈论的是地球轨道还是从屋顶上掉下来的钢琴，牛顿力学都是一个近乎完美的美丽理论。”
同样，科里奇认为，即使物理学不断进步，标准模型仍将继续存在，特别是在过去 20 年里，因为标准模型已经得到完善并进一步确立为粒子物理学的标准。
“二十年前，理论物理学家还没有发现可以解释质量的希格斯玻色子，”理论物理学家波格丹·多布雷斯库说。“我们比今天拥有更多的自由来创造新粒子。”
更多数据提供了粒子特性的更清晰图像，而与标准模型高度吻合的希格斯玻色子的发现进一步巩固了标准模型作为普遍接受的理论的地位。但这种确认是有代价的：它让理论物理学家失去了新的、有趣的研究方向。“从某种意义上说，我们是标准模型巨大成功的受害者，”多布雷斯库曾笑着说。
大问题
可观测宇宙延伸至约 930 亿光年，但为了了解它，物理学家经常求助于非常小以至于我们无法测量其大小的亚原子粒子。
理论物理学家拉基·马布巴尼说：“粒子是物质的基本组成部分。我们看到的一切以及我们生活的世界都是由粒子构成的。”
由于这些粒子，理论物理学家可以研究支配宇宙其他部分的问题，例如：“质量从哪里来？”
早在 1960 年代初，理论物理学家就发现了一个可能的答案——质量可能来自一种遍布宇宙的场。物理学家经常用“鸡尾酒会”的比喻来解释这个想法：在鸡尾酒会上，较重的粒子就像名人，总是被很多人围着，使得它们无法在聚会上自由移动，也就是被赋予了较大的质量。较轻的粒子就像无名小卒，由于不承担任何关注的负担，它们可以轻松地在聚会上四处移动。这种提供质量的机制后来被称为希格斯场。
几十年来，理论物理学家一直在研究希格斯玻色子（与希格斯场相关的粒子）的“样子”。2012 年夏天，物理学家们迎来了重大时刻，他们在欧洲核子研究中心大型强子对撞机 (LHC) 的数据中发现了隐藏的希格斯玻色子的线索。
这些特征是粒子碰撞后留下的微弱痕迹。就像法医测量犯罪现场的血迹一样，实验物理学家可以使用计算机将这些特征可视化，以了解粒子碰撞时发生了什么。
在梳理高能粒子碰撞的数据时，他们在距离约 1.5 公里处发现了一个小凸起（约 125 个质子的质量）。那个凸起原来是希格斯粒子，证实了理论物理学家多年的工作和数千篇论文。世界各地的物理学家都为这一里程碑而欢呼。
希格斯玻色子于2012年被发现，是标准模型中发现的最后一种粒子。（图片/新原理研究所）
但希格斯玻色子的发现并不是故事的结束。
实验物理学家发现的是一个“好孩子”希格斯粒子。希格斯粒子并没有为我们指出新的物理学，但它与标准模型的预测是一致的。2016年，大型强子对撞机发现了一些数据，显示希格斯粒子的能量为，但后来更多的测量表明，这个结果只是统计波动。
几十年来，许多理论物理学家都认同一种未经证实的理论，即超对称理论，人们亲切地称其为“SUSY”。SUSY 之所以受到理论物理学家的青睐如何成为理论物理学家，是因为它提出了标准模型中的两种粒子——费米子和玻色子之间存在一种深刻的、在美学和数学上令人愉悦的对称性。希格斯粒子的发现将为 SUSY 提供强有力的证据。
根据对称理论，标准模型中的每个粒子都有其对应的超伙伴。（图片/新原理研究所）
科里奇说：“这个想法很棒。如果我们所知道的每一个粒子都有另一个粒子的行为与之相反，那会怎样？”
例如，费米子夸克有一个玻色子对应物，即超夸克；光子有一个费米子对应物，即光子。如果这些“超对称粒子”存在，它们将解决一个被称为层次问题的大问题。
科里奇问道：“质子或中子的质量约为 1 GeV。为什么希格斯粒子与质子或中子的质量差别不大？它可能比质子或中子重数十亿、数万亿、数千万亿倍，但不知何故它却不是。”
作为标量玻色子，希格斯粒子对量子修正具有独特的敏感性。如果我们计算对希格斯粒子的量子修正，我们会得到无穷大。这意味着希格斯粒子的质量应该处于物理定律失效的点，即黑洞形成的能量，约为 10¹⁸GeV——质子质量的 10¹⁸ 倍。但希格斯粒子只有，所以一定有某种东西抵消了量子修正。通过提出“超对称粒子”，SUSY 回答了这个问题：“有人能把我从这些烦人的量子修正中拯救出来吗？”
在标准模型中，希格斯粒子的量子修正是由费米子和玻色子引起的。在超对称粒子中，量子修正加起来正好是零，因为超对称粒子相互抵消。例如，顶夸克和超夸克具有相反的贡献，因此总量子修正为零。由于超对称粒子相互抵消了彼此的影响，希格斯粒子的质量可以保持在 10 左右，而不是 10¹⁸GeV。实验物理学家还可以使用强大的粒子加速器探测这些超对称粒子。许多与粒子相关的实验研究都是为了找到超对称粒子而进行的。
马凯硕表示：“LHC 的整个设计都集中于受 SUSY 启发的信号。”
但有些实验暗示了这一点，随着数据越来越好，这些迹象都消失了。目前如何成为理论物理学家，我们还没有关于超对称现象的确凿证据。
科里奇说：“我们还没有观察到任何超对称粒子，我们已经非常仔细地寻找它们了。一种可能是它们就藏在下一个角落，但另一种可能是我们以错误的方式思考这个问题。”
超越标准模型
那么，当没有真正的实验线索时，理论物理学家如何提出新的理论呢？
“这不像是在完全黑暗的环境中拍摄，”科里奇说。“你知道框架，你知道游戏规则。到目前为止，就像剧中发生了一起谋杀案，我必须弄清楚谁是凶手。是一个还没有介绍过的角色吗？还是我已经认识的角色，也许是管家。”
马布巴尼对实验者正在寻找的方向特别感兴趣。大多数实验的一个关键假设是粒子几乎立即衰变——如果 SUSY 是正确的，情况很可能如此。但在非 SUSY 理论中，一些粒子可能具有非常长的“寿命”，并且衰变超出了实验者的感知范围。如果一个粒子在衰变前行进了几米，LHC 的仪器将无法探测到它。
“我的观点是，也许我们应该在设计实验性搜索时开始摆脱这些理论偏见，因为它们还没有取得任何成果，”马凯硕说。“外面有很多既不是超对称的，也没有相同的特征。”
这并不意味着理论物理学家可以自由地提出任何难以通过实验证明的理论，然后就此罢休。
“你需要一个理论来告诉你如何进行计算，然后你就可以提出这样的问题：‘粒子在不同的实验中会有什么不同的表现？’”多布雷斯库说。
有时我们并不清楚理论会将我们引向何方。2017 年，《物理评论快报》发表的一篇论文提出了两种假想粒子——暗光子和轴子之间的联系，作者展示了这种假想联系，即所谓的“门户”，将如何影响暗物质的产生。
“当我们开始这项研究时，我们并没有打算发现产生暗物质的新机制，”该论文的第一作者 Kunio 说。
金田的论文代表了新物理学的一个可能方向，现在判断它是否正确还为时过早。它只是两个假设粒子之间的假设联系。大多数理论已被证明是错误的或在某些方面存在重大缺陷。但由于科学，尤其是理论粒子物理学，是一门协作学科，因此论文的价值通常不是由它是否准确来衡量，而是由它是否激励其他物理学家沿着新的方向前进来衡量。
“很多时候他们会说，‘哦！这是一篇有趣的论文——让我看看我是否可以复制这些结果或将本文中的想法应用到不同的环境中，’”马凯硕说。
人们可能很容易认为暗光子和门户的概念太过奇幻而将其驳回，但许多物理学家敦促怀疑论者要谨慎对待自己的怀疑态度。
多布雷斯库说：“如果你在一个以前从未研究过的框架中测试物理定律，那么你有充分的理由期待看到理论物理学家编织的所有奇怪而美妙的东西。”
一次又一次，一些最初听起来疯狂的不寻常事物成为物理学家的新现实。正如他们所说——规则就是用来打破的。
深厚的联系
在物理学中，对称性一直被视为最珍贵的定律。
对称性在日常生活中随处可见：无论圆如何旋转，它看起来总是相同的。这种不变性也反映在宇宙中，例如，物理定律不会随时间或地点而改变。据我们所知，无论是下午 6 点还是早上 7 点，无论是在北京还是在纽约，重力的作用方式都不会改变。
20 世纪初，数学家埃米·诺特发现了对称性和守恒定律之间的深刻联系，她的工作帮助我们证明了能量守恒是时间对称的结果。换句话说：当物理定律不随时间改变时，能量既不能被创造也不能被毁灭。
诺特定理将守恒定律和对称性联系在一起。如果你在自然界中看到对称性，你就能找到相应的守恒定律，反之亦然。（图片/新原理研究所）
这些对称性及其相应的守恒定律是几十年甚至几个世纪以来一直存在的永恒真理。
科里奇说：“能量守恒已经被探索、攻击和审查，并且经受住了所有的考验。”
物理学中很少有定律是完全无懈可击的，但能量守恒定律却非常接近。
当理论物理学家提出新观点或新模型来解释宇宙时，他们会在严格的约束层级内进行。最底层是基本定律，如能量守恒定律和时间和空间的对称性。其上是建立在守恒定律基础上的理论，如狭义相对论。标准模型等较新的理论则以狭义相对论和守恒定律为基础。而在这个不稳定层级的顶端，则是被广泛接受但未经证实的理论，如超对称或弦理论。
在这个尺度上，你走得越高，就越容易推翻传统理论。发现标准模型中的缺陷（许多物理学家在发现希格斯粒子时都希望找到这个缺陷）将是一项伟大的成就，但它不会消除物理学的更深层次的真理。
科里奇说：“如果你发现能量守恒定律存在问题，也许你需要重新思考整个宇宙。没有什么比这种意想不到的结果更能激发物理学界的热情和灵感了。”
除非出现一些令人惊讶的实验结果，对能量守恒定律提出质疑，否则理论物理学家无疑会继续将其视为公理。
这并不是说理论物理学家没有经历过他们对宇宙的基本观点被颠覆的时刻。当爱因斯坦提出狭义相对论时，他挑战了我们如何理解宇宙的一个基本假设。在狭义相对论之前，空间和时间被认为是两个独立的现象；但在爱因斯坦之后，空间和时间的概念在物理学家的脑海中不可逆转地交织在一起。
物理学家、哲学家和历史学家托马斯·库恩将这些罕见的、改变世界的时刻称为“范式转移”。它们不仅改变了科学家的知识，也改变了他们对世界的看法。库恩认为，这些转变发生在“危机”时期，当时相互竞争的理论受到异常现象和不充分解释的阻碍。库恩认为，这些危机让科学家们得以打破传统，提出新的理论，这些理论将成为新的范式。
今天物理资源网，许多理论家认为，由于广义相对论和量子场论之间的矛盾，物理学正处于类似的“危机”，而宇宙中仍然存在一些尚未解决的重大问题，例如暗物质和暗能量。
指导原则：美丽
“我们正在试图找出大自然最深层的规律，”多布雷斯库说。
为了探究这些问题，物理学家可能必须重新审视他们最基本的原理。
其中一个困难是，这一探索领域中的直觉和常识（所有优秀侦探的技能）可能会使理论物理学家误入歧途。
为了探索宇宙最基本的部分，物理学家必须在完全陌生的能量和距离范围内进行研究。电子和夸克的世界遵循量子定律，这与我们每天经历的现实截然不同。在量子世界中，即使是位置和速度等简单的东西也是不确定的。在足够高的能量下，粒子可能会表现出奇怪的行为，例如短暂出现和消失。
科里奇说：“我们缺乏的是对这些极端自然极限的直觉。”
尽管如此，理论物理学家仍试图发展适用于该领域的直觉：例如，费曼图等视觉辅助工具可以帮助理论家更好地理解和“描绘”粒子如何相互作用。
1948 年，戴森证明费曼图可以转换成数学语言。（图片/新原理研究所）
在过去的半个世纪里，理论物理学家基于量子场论做出了多次预测，这些预测一次又一次地被实验所证实。理论物理学家越来越相信自己能够理解宇宙发展的秘密。他们扩展了自己的洞察力、直觉和数学能力，构建了一类更雄心勃勃的理论，例如 SUSY。
但现在，由于缺乏这些“超越标准模型”理论的确凿证据，一些物理学家正在重新考虑他们的偏见。
马凯硕表示：“或许我们的偏见并不像我们所希望的那样有充分的现实依据。”
他认为，对特定模型或思考宇宙的方式的许多偏见就像物理学家在某一领域多年工作中培养出来的爱好或审美观，它们的存在就像决定哪些想法可以接受、哪些想法不可接受的指导方针。
简洁是理论物理学家青睐的审美特征。2016年，英国广播公司（BBC）举办了一场评选“最美方程式”的活动，狄拉克方程荣登榜首。
伦敦大学学院的物理学家乔恩·巴特沃思评论道：“我喜欢狄拉克方程，因为它将优雅的数学与丰富的物理结果结合在一起。”这种简单优雅的美学理想充斥着理论物理学，但它仍然难以捉摸。
狄拉克方程还预测了反物质的存在。（图片/新原理研究所）
《纽约客》的一篇文章中，几位理论物理学家被问及优雅，其中包括弦理论的领军学者爱德华·威滕。威滕简单地说：“给我一个音乐的定义，我会试着定义优雅。”
理论物理学家的偏见有充分的理由。自从德谟克利特提出原子以来，还原论就为物理学家提供了很好的帮助。普遍化原理使牛顿对引力有了无与伦比的洞察力。美在一定程度上使狄拉克能够在实验发现反物质之前就开发出预测反物质的方程。
但也许我们的偏见恰好与理论一致，这只是运气好而已。或者这些偏见与某些理论一致，但与其他理论不一致。
“我不知道我们传统上对美学观点的信任程度有多高，”马凯硕说。“当我们寻找一种理论来描述自然时，美学对我们有什么帮助吗？我不知道。如果他们能，那就太好了，但我担心他们不能。”
理论上
这绝不是一件容易的事。
马凯硕说：“你永远不知道灵感何时会来，或者是否会来。”他说，有时候感觉就像拔牙一样——不知道这个漫长而痛苦的过程何时才能结束。
从理论上来说，放弃希望、放弃寻找“宇宙如何运转？”等问题的答案并转向更简单的问题似乎更容易。
但理论物理学家却不甘心，他们不断突破知识的壁垒，敢于提出最终可能被认为毫无根据的想法，因为他们知道这是科学进步的一部分。
早在希格斯粒子出现几十年前，物理学家就提出了许多其他质量机制，例如“伪色”、“顶夸克凝聚态”，甚至“非粒子物理”。这些都是在黑暗中摸索，但也是必经之路。正如理查德·费曼所说：“要想取得进步，就必须打开未知之门。”
你可能会想知道为什么理论物理学家要经历如此艰苦的过程——花费数年时间去探索很可能是死路一条的道路——直到你看到和听到他们对此的热情——那种兴奋和激情说明了一切。
“一旦你有了一个想法——一个你真正想知道答案的想法的种子——从那一刻起，一切都变得简单了，”马凯硕说。“你接下来做的不是工作，而是纯粹的玩乐，一场你永远不想停止的玩乐。”
理论物理学的下一次伟大革命的细节仍不明朗。我们不知道它何时会发生，谁会第一个想到它，或者那个伟大的想法是什么。但如果历史教会了我们什么的话，那就是不要忽视那些毕生致力于探索宇宙的人。
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