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物理学的暗面

帕萨迪纳—近一个世纪前,我们第一次发现了银河之外的世界,此后不出十年,就第一次提出了宇宙正在扩张的理论。自此以后,日新月异的技术发展给物理学、天文学、宇宙学和生命科学带来了革命性进步。

如今,物理学站在了新的门槛上。2012年7月4日,国际物理学界目睹了高能物理学史上划时代的发现:希格斯波色子。希格斯波色子假说由来已久,它是作为现实宇宙“蓝图”的基本粒子标准模型成立的必要条件。希格斯波色子为基本粒子提供质量;没有它,我们所理解的真实世界就不会有原子,不会有化学,也不会有生命。

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此前,找到希格斯波色子只不过是一个理论预言。这个预言需要人类所尝试过的最大、最复杂的科学实验:建立粒子加速器——位于日内瓦的大型强子对撞机(简称LHC)。目前,依靠LHC所进行的研究有望引导我们理解从最小的基本粒子到宇宙学研究的全部物理学。2010—2012年间,LHC进行了最高能量的质子对撞;2015年将进行更高能量的对撞。

长期以来,物理学家一直期待LHC揭示与“电弱对称性破缺”和宇宙暗物质有关的新的粒子和场的类别。两个重要的实验发现支持了这一预期。首先是W玻色子和Z玻色子的质量。W玻色子和Z玻色子是弱相互作用的介质,比如阳光照射就是有它们传递的。其次是一大类天文物理学发现,指向宇宙中引力“脚手架”的必要性:即防止星系和银河分崩离析的暗物质。

尽管希格斯波色子的发现有助于我们理解基本粒子质量(包括其本身)的来源,但大自然在两个更进一步的方面给了我们惊喜。首先,希格斯玻色子的测得质量带给我们整个理论的“亚稳态”,不需要任何新的物理现象。换句话说,宇宙可能有其他积极有利的设定。其次,LHC数据似乎不支持(尽管没有排除)最具美感、在数学上最完美的新物理现象——“超对称”。超对称现象在实际发现前便与希格斯玻色子一起得到了理论化,并且是解决量子修正的必要条件。长期存在的暗物质之谜以及这些问题可能改变我们的基本思想以及对该发现会带来什么的预测。

现在,新的思想围绕希格斯波色子本身产生,开启了通向暗物质和宇宙直接通到。粒子物理学、宇宙学、天文物理学和引力物理学等领域展开了联合实验和理论研究,以期发现下一个十年的暗物质例子候选。过去76年来所采用的、并且得到最新的宇宙宏观测量支持的范式岌岌可危。

物理学界中有人称之为危机。但是,一个理论缺少实验支持乃是稀松平常之事。所有对宇宙和现实世界的研究都致力于实现完全的理解。从这个角度讲,我们处于永恒的危机中,并且永远站在发现的门槛上。说物理学正站在转折点或十字路口更加合适。

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物理学为其他科学领域提供了不断演化的核心基础框架。如今,有了先进的技术和海量数据,随着交叉科学的兴起——并且研究不设边界——任何东西都有可能做出重大修正。量子工程团队已开始在全世界学术和研究机构兴起。计算机科学与工程和神经科学的结合已经产生了不久前还只存在于科幻小说中的成果。

大自然或许看似十分复杂,充满了狡黠和偶然;它也可以通过它的简单、对称和优美震撼我们。无论如何,量子世界将继续给我们带来惊奇。