王孟源

現(xiàn)代高能物理始于1940年代的量子場(chǎng)論（Quantum Field Theory），最初的應(yīng)用是以量子電動(dòng)力學(xué)（Quantum Electro-Dynamics，QED）來(lái)解釋電磁力。

在1950年代，加速器的技術(shù)突飛猛進(jìn)，數(shù)以百計(jì)的高能粒子被發(fā)現(xiàn)；物理學(xué)家在整理這些粒子的時(shí)候，注意到各種對(duì)稱性（Symmetry），其中最深?yuàn)W困難也最重要的是規(guī)范對(duì)稱性（Gauge Symmetry）。其實(shí)QED本身就是一個(gè)規(guī)范場(chǎng)論，但是它只是規(guī)范場(chǎng)論中最簡(jiǎn)單的一種，叫可交換規(guī)范場(chǎng)論（Abelian Gauge Theory）。

1954年，楊振寧和他的學(xué)生米爾斯（Robea Mills）解決了非交換規(guī)范場(chǎng)論（Non-Abelian Gauge Theory）的難題，高能物理理論界隨即注意到用非交換規(guī)范場(chǎng)論來(lái)解釋弱作用力和強(qiáng)作用力（宇宙中只有四種作用力：電磁力、弱作用力、強(qiáng)作用力和重力）的可能，但是具體的細(xì)節(jié)還不清楚。

1961年，當(dāng)時(shí)在哈佛大學(xué)物理系的格拉肖（Sheldon Glashow）領(lǐng)悟到電磁力和弱作用力如何混合起來(lái)的機(jī)制。1967年，薩拉姆（Abdus Salam）和溫伯格（Steven Weinberg）把1964年定型的希格斯機(jī)制（Higgs Mechanism）加入格拉肖機(jī)制，確立了完整的電弱理論。在1973—1974年間，有關(guān)強(qiáng)作用力的基本難題也被一一突破，從此高能物理界有了一套完整的理論體系來(lái)描述除了重力以外的所有作用力，它被稱為標(biāo)準(zhǔn)模型（Standard Model）。

在其后40多年里，標(biāo)準(zhǔn)模型的成功超出了任何物理學(xué)家的意料之外。所有量化的實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)都符合標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測(cè)；然而標(biāo)準(zhǔn)模型卻又很明顯地不是一個(gè)完整的理論。姑且不論它所需的幾十個(gè)特定參數(shù)值，首先它先天上就不包含重力。超弦原本的動(dòng)機(jī)便是要把重力統(tǒng)一起來(lái)，在浪費(fèi)了30年卻只得到一坨污爛之后，不肯把靈魂賣給超弦的物理學(xué)家已經(jīng)理解到，即使是圈量子重力論（Loop Quantum Gravity）這類還沒有像超弦一樣被證明是完全沒有預(yù)測(cè)能力的重力理論，它的預(yù)測(cè)也必然會(huì)比現(xiàn)代加速器的能階（Energy Level）高出十幾個(gè)數(shù)量級(jí)（Order of Magnitude），因此它的可預(yù)測(cè)性仍然是幾百年內(nèi)都無(wú)法用實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)的。所以在最近幾年，大家（亦即還在做科學(xué)而不是只做論文的高能物理學(xué)家）的共識(shí)是重力太難了，還是先擺在一邊吧。既然必須接受欠缺重力的事實(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模型里的參數(shù)值也當(dāng)然是目前不可能解釋的了。

但是即使不管重力和參數(shù)值，標(biāo)準(zhǔn)模型還是有其他的毛病。其中最重要的有三項(xiàng)：（1）它不包含暗物質(zhì)（暗能量顯然是和重力有關(guān)的，所以目前管不到）；（2）它不能解釋為什么宇宙里的物質(zhì)和反物質(zhì)沒有對(duì)消近凈；（3）它不含有能驅(qū)動(dòng)宇宙暴脹（Cosmic Inflation）的暴脹子（Inflaton）?，F(xiàn)在理論學(xué)家（Theorists）實(shí)在是想不出什么好主意了（否則也不會(huì)讓超弦騙走這么多人），真正的希望還是要靠實(shí)驗(yàn)。而實(shí)驗(yàn)要探索更高的能階有兩個(gè)辦法，一個(gè)是靠精密測(cè)量很小的修正值；另一個(gè)則是建造更大型的加速器，以蠻力來(lái)產(chǎn)生更高能的粒子。前者一般比較便宜，但是往往只能探測(cè)參數(shù)空間（Parameter Space）里的小小一隅；真正要產(chǎn)生詳盡的資料，最理想的還是更大的加速器，而現(xiàn)在最大最先進(jìn)的加速器就是歐洲核子研究機(jī)構(gòu)（Organisation Europeene pour la Recherche Nucleaire，CERN）位于日內(nèi)瓦的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，LHC）。

LHC自1998年至2008年，共花費(fèi)了十年才建成，總預(yù)算是75億歐元（約90億美元）。由于選錯(cuò)了焊接工藝，2008年9月開機(jī)后9天，超導(dǎo)電磁鐵的電路就燒壞了。其后用了一年多才修好，但是只能以原設(shè)計(jì)能量（14 TeV）的一半（即7 TeV）運(yùn)行。不過還好希格斯粒子質(zhì)量（125 GeV）不太高，在2013年LHC就有了足夠的實(shí)驗(yàn)資料來(lái)證實(shí)這個(gè)發(fā)現(xiàn)，希格斯（Peter Higgs）和同僚隨即獲頒當(dāng)年的諾貝爾物理獎(jiǎng)?？墒窍８袼沽Ｗ邮菢?biāo)準(zhǔn)模型的（最后）一部分，當(dāng)初計(jì)劃LHC時(shí)，發(fā)現(xiàn)希格斯粒子是最起碼的標(biāo)的。真正的目的是要發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)模型以外的粒子，尤其是超對(duì)稱粒子（Supersymmetric Particles）。超對(duì)稱（supersymmetry）是超弦所做的幾十個(gè)假設(shè)里，最重要也是最基本的一個(gè)，甚至連超弦名字里的“超”都是由超對(duì)稱而來(lái)的（Super-String其實(shí)是Supersymmetric String的簡(jiǎn)稱）。原本1970年代發(fā)明超對(duì)稱是為了解釋標(biāo)準(zhǔn)模型所需的幾十個(gè)特定參數(shù)值間的一些關(guān)系，不過后來(lái)大家發(fā)現(xiàn)即使是最簡(jiǎn)單的超對(duì)稱模型都需要另外幾百個(gè)新的參數(shù)，于是有些人（包括我）就不再相信超對(duì)稱，而威騰（Witten）和他的信徒（把超弦比為宗教并不是我的發(fā)明，超弦界自己在20年前就戲稱威騰為教宗）則加倍下注，搞出了更復(fù)雜、最終有10^500個(gè)自由度的超弦。在1990年代，做超弦的個(gè)個(gè)都說(shuō)最輕的超對(duì)稱粒子會(huì)馬上被Tevatron（位于芝加哥附近的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的上一代加速器，最高總能量在2011年停機(jī)前達(dá)到了2 TeV）發(fā)現(xiàn)，所以LHC只是用來(lái)研究更重的那幾百個(gè)超對(duì)稱粒子的。結(jié)果此后每年Tevatron和后來(lái)的LHC的能量和亮度（Luminosity，即對(duì)撞實(shí)驗(yàn)的數(shù)量）提高一步，做超弦的就把最輕的超對(duì)稱粒子的質(zhì)量往上調(diào)高一步，以解釋為什么沒有觀察到超對(duì)稱。到2013年LHC做完7 TeV能階的實(shí)驗(yàn)后，超對(duì)稱理論的原始參數(shù)空間已經(jīng)有99.9%被否定掉了。

LHC在過去兩年關(guān)機(jī)，以便完全重建超導(dǎo)電磁鐵的電路。在未來(lái)幾周內(nèi)將重新啟動(dòng)，預(yù)計(jì)今年夏天可以達(dá)到接近原設(shè)計(jì)值的13 TeV能階。如果沒有意外，到年底將會(huì)把超對(duì)稱理論的原始參數(shù)空間再壓縮兩個(gè)位數(shù)，也就是否決掉99.999%。當(dāng)然，做超弦的在過去20年已經(jīng)自打嘴巴幾百次，再胡扯出幾千篇神話、重寫一次歷史也只是他們的專業(yè)。高能物理眼前真正的危機(jī)是LHC很可能無(wú)法超越標(biāo)準(zhǔn)模型。下一代的加速器目前臺(tái)面上的估價(jià)是200億美元，實(shí)際上大家都知道會(huì)超過500億。更糟糕的是LHC至少還保證有希格斯粒子來(lái)當(dāng)安慰獎(jiǎng)，下一代的加速器卻很可能什么都找不到。高能物理界在2014年開始游說(shuō)中國(guó)政府，估計(jì)成功機(jī)率不大。如果到年底LHC還沒有發(fā)現(xiàn)新粒子（當(dāng)然，發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子的機(jī)率是100%-99.9%=0.1%，所以希望只能寄托在其他的新粒子上），那么我們這代人到死大概都不會(huì)再有更高階的加速器（不含能階略低于LHC，用來(lái)精密測(cè)量希格斯粒子的電子/正子直線對(duì)撞機(jī)）出現(xiàn)。前面提到除了加速器以外，精密測(cè)量也有可能突破標(biāo)準(zhǔn)模型；可是我的猜測(cè)是只有暗物質(zhì)比較可能會(huì)如此被發(fā)現(xiàn)，而且機(jī)率不超過25%，這還包含了暗物質(zhì)是一種中微子（Neutrino，標(biāo)準(zhǔn)模型只包含三種中微子，若有第四種則將超越標(biāo)準(zhǔn)模型）或軸子（Axion，不是標(biāo)準(zhǔn)模型的一部分）的可能，而新的中微子或軸子雖然超越標(biāo)準(zhǔn)模型，卻并不解釋更高能階的物理。所以總結(jié)來(lái)說(shuō)，2015年很有可能是高能物理對(duì)我們這代人的絕唱。