有很多話要說

斯德哥爾摩，2013年7月23日下午6點30分

他走起路來像個敏捷的小孩，這說明他已經習慣步行了。會議組織者給他安排了一輛專車，他有著八十四歲的高齡和虛弱的外表，我剛向他提議出去散步，他立即通知藍色奔馳車的司機我們已經出發了。酒店距離瓦薩博物館1.5km，繞著海灣散步很有意思，氣溫在美麗的夏日是讓人愉快的。今晚有一場社交晚宴，就在那里舉辦，在世界上唯一一個慶祝巨大失敗的博物館里。

瓦薩戰艦[12]是瑞典古斯塔沃·阿道夫二世艦隊的驕傲。它曾是世界上最華麗、最氣勢磅礴、裝備最精良的戰艦。人們曾迫切需要盡快發動它，以對抗波蘭人和立陶宛人——他們當時正在與瑞典海軍爭奪在波羅的海的貿易壟斷地位。最初的項目并沒有完全讓國王滿意。它還不夠宏偉，古斯塔沃·阿道夫二世堅持讓工程師們再建一個甲板，在甲板上裝滿青銅大炮。幾個專業的木匠曾戰戰兢兢、小心翼翼地提出反對意見，也無濟于事。國王的意志不可違抗。

忽略這個細節會付出很大的代價。1628年8月16日，這艘在斯德哥爾摩灣進行首次航行的戰艦，本來是要彰顯瑞典皇家海軍的實力，卻像鉛一樣沉到了港口的泥里。幾個世紀后，瓦薩戰艦在那里被打撈起來，保存完好，它的木頭裝飾精美，青銅大炮從未發射過一顆炮彈。

現在人們可以在瓦薩博物館里參觀戰艦，這座博物館的位置離它在水下休息了300多年的地方僅幾百米遠。讓世界各地的孩子們高興的是，他們可以上船并且觸摸這艘裝滿了他們幻想的戰艦。

在20分鐘的散步中，彼得愉快地向我講述了他在愛丁堡的短途旅行，以及他參加的無數無休止的和平游行。然后，他突然好奇地問我：“不過你們是怎么成功讓3000名物理學家一起齊心協力工作的呢？”我愉快地告訴他，從我們發現希格斯粒子的第一個跡象開始，雖然我們在合作中出現各種沖突、爭吵和懷疑。當我告訴他我的項目要贏得賭注時，他開心地笑了，并補充道：“坦白地說，你們發現了這個事實也讓我吃驚，我根本不確定希格斯粒子是否真的存在。”

大多數人認為彼得·希格斯是一個難以相處的角色，他就是一頭熊，簡單而無趣。沒有比他更脫離現實的了。這種負面名聲可能源于他與記者的不良關系。自從一個肆無忌憚的家伙捉弄了他，彼得就盡一切可能避開記者們——那個記者發表了一篇采訪彼得的文章，把他從未說過的一些過激話語加入其中。這種不愿接受采訪的態度導致他被視為厭世者，被人們誤解。彼得一直害怕并且不信任記者，甚至昨天在新聞發布會上，我也看到他緊張得坐立難安。

歐洲物理學會的會議是物理學界一年中最重要的會議。英國皇家科學院于10月8日向全世界宣布諾貝爾物理學獎的獲得者，而在10月8日這一重大日期的三個月前，這一屆的會議在斯德哥爾摩舉行。每個研究大型強子對撞機的人都知道，在去年，我們已經收集到了更多的證據，證明了2012年發現的新粒子，它在所有方面都與布勞特、恩格勒和希格斯在1964年預測的特征相似。人們希望皇家科學院考慮這一點，并且大家的目光都集中在弗朗索瓦和彼得這兩位年輕人身上。每個人都希望今年是個好時機。

昨天，弗朗索瓦和彼得發表了感人的演講，緊接著在開幕式結束后，主辦方在午休時間為他倆安排了一場新聞發布會。

一位記者問彼得·希格斯，被當作如此重要的粒子之父是什么感覺，他簡潔地回答：“沒什么特別的，因為我的貢獻很小。”另一些人則在尋找豐富多彩的注解，他們堅持問道：“告訴我們關于靈光乍現的時刻吧。”彼得靦腆地笑著說：“那是8月份，我寫的文章被拒絕了。有那么幾天我想我該放棄了。然后我又添加了幾句話，因為顯然他們沒看懂我的文章。”

這兩位科學家太不一樣了。他們的性格完全相反。彼得害羞且語言簡潔，而弗朗索瓦活潑且氣勢洶洶。一個人說話時身體僵硬，直立著，嘴唇肌肉幾乎不動，吃力地蹦出幾個詞。另一個人則很興奮，用他的手和整個身體來說明他闡述的概念。他講故事，講笑話，有時甚至沉浸在字里行間，似乎沒完沒了。但這并不是唯一的區別。弗朗索瓦·恩格勒有猶太血統，雖然他在戰爭中幸免于大屠殺，但他的家人遭受了重創。當比利時遭到入侵時，他還是個孩子，他躲藏了好幾年才逃過了大屠殺。他是一個隱藏的孩子[13]（enfant caché），這些猶太孩子假扮為基督徒，或被孤兒院及非常勇敢的家庭收容。弗朗索瓦的靈魂中承載著那個可怕時期的所有創傷，也許他的熱情，他從所有毛孔中散發出的生活樂趣，是那些在恐懼中生活太久的人的反應。在經歷了那些可怕的日子后，他見證了許多家庭成員移民以色列，他與這個他經常訪問的國家有著非常特殊的關系。

這一切和彼得·希格斯完全相反。自20世紀60年代以來，彼得一直參加裁軍及支持和平的游行。他是一個堅定的積極分子，他的政治傾向經常指引他為建立一個巴勒斯坦國而示威。2004年，他獲悉自己獲得了沃爾夫獎（Wolf Prize）——以色列由同名基金會頒發的享有盛譽的獎項，其重要性僅次于諾貝爾獎。該獎項共同授予他、弗朗索瓦·恩格勒和羅伯特·布勞特。由于頒獎儀式要求獲獎者從以色列當時的總統摩西·卡察夫手中接過獎杯，故彼得毫無疑問拒絕飛往耶路撒冷。只有兩位比利時朋友出席交接儀式：恩格勒和布勞特。

弗朗索瓦的家庭人口眾多。他結過三次婚，兒孫分散在世界各地。彼得只有一個妻子，他深愛的喬迪，是來自伊利諾伊州厄巴納的美國講師，曾和他在愛丁堡的同一所大學工作。他一見到喬迪就愛上了她，兩人擁有共同的世界觀、政治熱情和公民傾向。他當時剛過三十歲，夜以繼日地工作。他深愛的妻子照顧他，幫助他，鼓勵他。他們是天作之合，彼此瘋狂相愛。他們歡笑，他們玩耍，他們為未來制訂計劃，他們爭吵，他們達成和解。第一個孩子出生的時候，正是彼得發表的文章開始受到重視的時候，他被邀請到最有聲望的大學參加研討會，展示他的研究成果。這似乎是一個完美的幸福時刻。然而，一點一點地，有些東西不知不覺地開始崩潰。最初的誤解，一種陌生感，一個幻想破滅的意識。這位年輕的物理學家解決了困擾他的所有問題，他發表了一篇將永垂青史的文章，但年輕的妻子選擇了另一條道路。就這樣，兩人分道揚鑣。內心情感的尖叫和被遺棄的痛苦使這顆才華橫溢的頭腦陷入了沮喪。年輕的物理學家越來越多地把自己關在家里，和朋友們的聯系也越來越少，一切都變得困難，他的工作永遠不會再產生任何重大的成果。

簡而言之，彼得和弗朗索瓦有著截然相反的性格和個性。弗朗索瓦一直對希格斯玻色子這個名字感到有些厭煩，他也毫不隱藏這一點。自從史蒂文·溫伯格讓這個名字流行起來后，每個人都在用希格斯玻色子這個名字，這可能會掩蓋他和羅伯特所做的工作。而彼得，你可以從他的表情看出，和弗朗索瓦互動時他的手勢和語言都很不自在。大家都清楚，這兩個人彼此不喜歡。

記者會一結束，我們就來到后面的房間，在會議再次開始之前，我們要迅速吃點三明治和水果。在那里，當我和彼得，以及弗朗索瓦坐在一起吃三明治時，出乎意料的事情發生了。他們兩人開始交談，互相交流，我在中間充當沉默的見證者。我的感受是，我聽到了一個已經憋了將近50年的對話。除了在公共場合順帶相遇，我發現他們從來沒有私下見過面，他們從來沒有時間交談，告訴對方他們是如何寫就這些文章，以及他們有什么疑慮和期望。就好像一切又重新開始了。從1964年那個夏天起，他們的生活發生了決定性的轉變。我安靜地聽著，讓他們倆說話，我備感榮幸地目睹了這兩個本來相互并不喜歡的人之間這種深情的和解。現在這兩個1964年的男孩說話、回憶、感動不已。工作人員來找我們，因為會議已經開始了，但這兩個人不愿停止對話。他們仍然有很多話要對彼此說。

費米相互作用

玻色子的歷史可以追溯到近一個世紀以前。可以說，一切都始于20世紀初，這一時期在科學史上是無與倫比的。一系列的事件以羅西尼式漸強[14]的節奏快速發生，一群杰出的人，在短短幾年內，就在人類思維方式上發生了范式轉變。

狹義相對論、量子力學和廣義相對論為認識物質和宇宙提供了新的基礎。事實證明，這些變化如此深刻，以至于一個多世紀后的今天，我們仍然難以理解所有的結論。

在這個基礎上，新一代的物理學家們提出了一系列令人驚訝的發現和新的理論模型以解釋當時的觀測結果。這些模型，因后續的測量數據，被系統性地質疑。這就是建立基本相互作用[15]的標準模型[16]的故事。

故事始于1933年一位年輕的意大利科學家恩里科·費米的直覺。這位來自羅馬的教授領導著一群非常年輕的物理學家（比他年輕幾歲），在這些人當中，他享有如此大的權威，以至于他們給他起了一個綽號——教皇。該小組進行了一系列的實驗和研究，這些實驗和研究在物理學的各個領域都被載入了史冊。他們被稱作“帕尼斯伯納大街的男孩們”，名字源于他們工作的物理研究所坐落的街道。20世紀最聰明的一些人：愛德華多·阿馬爾迪、奧斯卡·達戈斯蒂諾、埃托爾·馬若拉娜、布魯諾·龐特科沃、佛朗哥·拉塞蒂和埃米利奧·塞格雷。他們得到的結果如此不同尋常，費米帶領的這群年輕人很快就會為全世界所知曉。

自從年輕的費米來到比薩大學學習物理以來，他給每個人都留下了深刻的印象。那個17歲的羅馬男孩，針對著名的比薩高等師范學院的入學考試，寫了一篇小文章。該文章已具備論文的原創性和深度。我們都是比薩大學的學生，都記得他的那篇文章的標題，“聲音的獨特特征及其成因”。該作品完好地陳列在院系的辦公地點（多年后，該系正是以恩里科·費米本人名字命名）。這個聰明的年輕學生經常在課堂上走上講臺，和他的同學拉塞蒂和卡拉拉一起組織實驗，甚至在畢業前，還發表了他的第一篇物理學文章。他21歲博士畢業，四年后成為羅馬大學理論物理學教授。

1933年，32歲的費米提出了一個革命性的理論，以致他提交給《自然》雜志的文章被拒絕了，因為“文章包含了與物理現實相距太遠的猜測，讀者對此不感興趣”。后來該文章由國家研究委員會的期刊《科學研究》（La Ricerca Scientifica）發表，因此這本期刊將擁有20世紀最重要的物理學論文之一。

費米的理論涉及一種特殊的放射性過程，其起源在當時還不為人所知：β衰變。之所以這樣稱呼是因為它的特征是發射“β輻射”，即電子。費米第一個將這種現象解釋為一種當時完全未知的新的力的表現形式。為了描述它，費米從一個與電磁力相似的假設開始。這是最簡單的假設，允許人們定義一個參數——常數G，費米能夠以難以置信的精度對其進行估算。多年來，這種新的力被稱為“費米相互作用”。很久之后，當這個理論被所有人接受時，它才會更名。從那時起，它就被稱為“弱相互作用”[17]，是常數G最小值的自然參考，G決定了力的強度，并且為了紀念它的發現者，它仍被稱為“費米常數”。

1938年，恩里科·費米因發現超鈾元素和由慢中子引起的核反應而被授予諾貝爾獎：這是對科學的巨大貢獻，是人們理解和控制核能的決定性研究。實際上，費米對發現宇宙四種基本相互作用之一所做出的貢獻——多年后每個人都清楚地看到了這一點——當然應該值得再獲一次諾貝爾獎。很有可能，這種雙重獎勵真的會到來，但故事在1954年因這位偉大的科學家早逝而結束。

今天我們知道，弱相互作用，雖然在我們所熟悉的普通物質中很少出現，但在宇宙中起著基礎性作用。如果沒有弱相互作用，太陽和所有恒星將無法產生擴散到周圍空間的能量。宇宙將充滿奇異形式的物質，還將具備完全不同于我們所熟悉的特征。我們沒人能說得出來到底是什么，因為并不存在與我們已知的生命形式相似的生命。

青年費米的創新思想為電磁力和弱力的統一鋪平了道路。30年后，電磁力和弱力的統一為基本相互作用的標準模型奠定了基礎。

標準模型的誕生

這段故事與修建12世紀的哥特式大教堂有些相似。要建造這些杰作，不僅需要設計才能了得的天才建筑師，還需要成千上萬的石匠大師、雕塑家和普通的雕刻師，他們以美妙的形式將這些有遠見的想法表達出來。類似的事情也發生在標準模型上。標準模型的基礎是量子力學和相對論，這是20世紀開始的兩場偉大的概念革命。在它們的基礎上，有承載力的基礎設施得到了發展，比如恩里科·費米卓越的直覺，然后是偉大的設計師謝爾頓·格拉肖[18]、史蒂文·溫伯格和阿布杜斯·薩拉姆的理性工作，還有他們周圍成千上萬的其他科學家持續不斷的、系統的工作。標準模型誕生于數十年的理論研究中，與一系列令人印象深刻的實驗發現交織在一起，這迫使科學家們多次重新設計整體圖景。就像幾個世紀前發生的那樣，在大教堂的建造過程中，人們意識到一些解決方案過于大膽，并且該結構不能承受重量或側向力，因此有必要在建筑中納入新的解決方案，這將成為以后建造大教堂的標準。

標準模型理論優雅而巧妙。盡管它仍然包含了太多的參數和許多真正含義尚未完全清楚的常數，但它的成功立即引起了轟動，因為它具有強大的預測能力。它預測新的粒子，有規律地發現新粒子，并且能以高精度計算新的可測量。實驗物理學家發現這些量與預測一致，在某些情況下，甚至可以計算到小數點后10位。

標準模型認為物質由三代夸克和三代輕子構成，它們根據精確的定律相互作用并結合在一起，產生了我們所知道的一切。十二種基本粒子（三對夸克和三對輕子）通過交換其他粒子相互作用，這些粒子是四種基本力的載體：光子，即由光構成的粒子，傳遞眾所周知的電磁力，而膠子本身帶有色荷，傳遞強相互作用，這種強相互作用將質子內部的夸克聚集在一起，并且能克服原子核中質子之間的電磁力。另外，弱相互作用通過發射和吸收非常重的粒子（稱為W及Z玻色子）來傳遞。最后，未納入標準模型的，還有引力。它在具有質量或能量的物體間相互作用，并通過引力子的交換傳遞作用力，引力子是引力的媒介子，目前還沒有被實驗檢測到。

力的媒介子擁有整數自旋（1或2），它與自旋為0的粒子均為玻色子。夸克和輕子是物質的組成部分，它們的自旋分數為1/2，通常被稱為費米子。

標準模型的原型是弱相互作用與電磁相互作用的統一，這變成了單一力的兩種不同表現形式，即電弱相互作用。一切都源于形式上的類推，這種類推加強了費米開始定義弱相互作用的直覺。

描述這兩種相互作用的方程實際上是相同的，這種形式的一致不可能是一種巧合。在19世紀，法拉第、麥克斯韋和洛倫茲提出的統一的電磁學理論與電磁學現象交會在一起，奇跡又一次發生。這一發現不僅從根本上改變人們對自然的理解，也可能徹底改變了整個社會。

當普通記者請我用簡單的術語解釋關于希格斯玻色子的新科學發現可能產生的經濟和社會影響時——這是我經常提到的一個話題——我無法回答這個問題，但我知道，如果今天不了解電磁學，我們仍然會乘坐蒸汽火車，會使用蠟燭和煤氣燈來照明，用信鴿來交流。我不知道電弱統一是否會帶來新技術，但我知道，在19世紀下半葉，當制定麥克斯韋定律時，沒有人能想到世界會因這四個方程而發生如此迅速和深刻的變化。

另一個比薩學生的瘋狂想法

標準模型的成功與歐洲核子研究組織進入國際物理學領域發生在同一時間。成立于1954年的歐洲實驗室起初努力在高能物理領域建立自己的地位，而這一領域傳統上是由超級大國美國主導的。歐洲核子研究組織的第一個重要成果是在20世紀70年代發現中性流（中性流是一種難以捉摸的現象，它構成了“標準模型假設的Z玻色子存在的第一個間接證據”）。在20世紀80年代，伴隨著弱相互作用的媒介子W及Z玻色子的發現，這一理論達到了頂峰。

這一發現的主角是另一位曾在比薩大學就讀的學生，也是一名優秀的師范學院學生。自費米發表關于弱相互作用的文章以來，已經過去了40年，當時還沒有人發現這種力的媒介子，該理論預測這種力的質量非常大。為了克服這些困難，年輕的魯比亞[19]向歐洲核子研究組織提議建造一個前所未有的加速器。這是一個革命性的想法，乍一看很瘋狂：在同一臺加速器中，讓質子束和反質子束循環，并使它們發生碰撞，從而有足夠的能量產生幽靈般的粒子。這個想法涉及從根本上改動歐洲核子研究組織最強大的加速器，使其適應新的特性，并涉及解決一系列令人記憶深刻的技術問題。魯比亞性格暴躁，工作中會忍不住動手。為了幫助他，著名的加速器專家之一、荷蘭物理學家西蒙·范德梅爾進入了這個領域，提出了一種建立和保持反質子束聚焦的革命性方法，這是在碰撞中獲得足夠強度的決定性因素。

即使最不情愿的同事也深信不疑，在20世紀80年代初新加速器將開始運行。一切都進行得完美而迅速，在相互作用區周圍建造的巨大探測器里，期待已久的信號出現了。1983年12月，在歐洲核子研究組織的一次研討會上，魯比亞向世界宣布了W和Z玻色子的發現。在第二年，他與西蒙·范德梅爾因此共同獲得諾貝爾物理學獎。

我也是當時聚集在中央禮堂的數百人中的一員。當魯比亞一張張地講述幾百張幻燈片，向一群緊湊而安靜的觀眾展示少量Z玻色子和第一批W玻色子時，我仍然記得，在那一刻，我有一個清晰的想法——有點像白日夢。有那么幾秒鐘，我想象著自己在未來的某一天站在那個講臺上，在那個擠滿了物理學家的禮堂里，展示一種新粒子的第一個證據，這種新粒子將永遠改變我們對世界的看法。我相信，像我一樣出席研討會的所有年輕物理學家都擁有同一個夢想。

質量的難題

標準模型所積累的成功并不能掩蓋隱藏在整個理論構建中處于框緣的一個潛在問題。

這兩種如此不同的相互作用，怎么可能是同一種力的表現呢？電磁力的作用范圍是無限的，照亮我們街道的燈泡發出的光子，在適當的時間，將抵達宇宙最偏遠的角落；而幾千年來我們一直可以忽略弱相互作用，因為它只發生在非常小的亞核距離內，并立即消失。物理學的一般定律告訴我們，力的作用范圍與其承載的粒子質量成反比。這就是為什么電磁力的作用范圍是無限的——這是只有零質量的光子才能給予的禮物。現在人們明白了為什么W和Z玻色子的質量一定如此之大。只有非常重的粒子才能產生像弱力這樣的短距離作用力，但是，無質量的光子如何調和W和Z玻色子所帶來的相同的電弱相互作用呢？是什么真正將W和Z玻色子與光子區別開呢？質量到底是多少？

用術語說，這些問題的名字統稱電弱對稱性破缺，參照這一事實——理論上，從一個對稱的情景開始，電磁力和弱力應該是同一物體，而事實上，對稱性被“打破”并且兩種力截然不同。自20世紀60年代起，人們就開始疑惑造成這種破缺的原因，并設計了許多解決辦法，但“1964年的男孩們”出現之前，沒有一個真正令人信服的答案。再一次，一些年輕人提出了一個新的想法，一個前所未有的想法，打破了常規。他們是兩個三十歲出頭的比利時男孩以及一個和他們同齡的英國人。

羅伯特·布勞特和弗朗索瓦·恩格勒是很好的朋友。他們有很強的幽默感，他們喜歡美食、美女和笑話。他們性格外向，思想豐富，并富有感染力。他們一直從事固態物理學的工作，但是后來他們決定將注意力集中在粒子物理學上。這不是他們擅長的領域，他們猶豫了很長一段時間，才將他們在這個新學科的第一個作品出版發表。他們擔心自己忽略了一些瑣碎細節，害怕寫廢話。對他們來說，解決方案似乎顯而易見。他們已經在其他固態的典型情況下看到了它的作用。如果這兩種相互作用的方程是相同的，只能是它們傳播的方式打破了對稱性——那就是真空。換句話說，正是真空“打破了對稱性”，因為真空并不是虛無。要證明電磁力和弱力之間的區別，有必要承認存在一個“場”，它占據了空間的每一個角落。

這么說似乎是一件小事。如果你思索一下，就會發現，沒人把它們當回事也不足為奇。這兩位“新人”到來并告訴我們，宇宙的每個角落都彌漫著一種微妙而神秘的東西，這是之前從未有人考慮過的。他們投遞的文章被接受并發表，但一開始沒有引起相關的反響。

幾周后，同一家雜志又收到了另一篇文章，從完全不同的角度探討了相同的話題，得出了相似的結論。作者是彼得·希格斯，一位年輕且名不見經傳的英國物理學家。他剛被召到愛丁堡，與這兩位比利時人年齡大致相同，但性格完全不同。他是一位數學物理學家，他獨自工作。他很嚴肅，很保守，很愛他的妻子，不太喜歡和同事一起來往或歡宴暢飲。他的文章的第一版寄給了另一家雜志，但被拒絕了。他幾乎不情愿地，在8月又工作了幾周，以回應評審人員，也就是那些被匿名召集來決定提議文章是否應該發表的科學家們的反對意見。最后，彼得決定展開闡述其中一個要求他進一步澄清的論點，他的結論很明確：是的，電弱對稱性的自發破缺是一種新的有質量的玻色子產生的場的結果。第二版文章被采納，并在布勞特和恩格勒的文章出版幾周后發表在雜志上，彼得·希格斯引用了前者的文章。

多年后，在斯德哥爾摩，當我們為他們剛剛被授予的獎牌干杯時，彼得向我傾訴：“我總是在想，這個世界是多么奇怪：如果1964年他們沒有拒絕那篇文章，我今晚就不會在這里了。”

所提出的機制很簡單。如果你用幾個公式來描述它，這幾乎是顯而易見的。質量，基本粒子最普通的特性，隱藏著一個陷阱。我們之前怎么就沒想到呢？非常輕的輕子和非常重的夸克誕生了，都沒有質量，非常民主。正是占據整個宇宙的希格斯場選擇并區分了大質量粒子和輕粒子。與場的相互作用越強，粒子的質量就越大。

即便不是不可能，也很難找到一種在不浪費能量的情況下運行機制的嚴謹推論。通常使用的圖像不能充分反映對稱性自發破缺機制的特性。我喜歡把它描繪成橄欖球場上侵略性的、結實的防御者陣線，光子滲透進來，無視他們，然后迅速地從他們兩腿之間溜過去。但如果W或Z玻色子到達，就無法逃脫了。防守隊員抓住他們的腳踝，無情地把他們拉倒。他們試圖站起來，但徒勞無功，他們痛苦地拖著自己走了極短的距離，帶走了一群玻色子。這就是我們的宇宙形成微妙平衡的方式：光子給我們帶來最遙遠恒星的光，而使太陽發光的弱相互作用躲避了我們的視線，并被限制在亞核距離之內。

這個想法是革命性的。即使在這種情況下，它也沒有立即產生任何顯著的反響。用彼得·希格斯的話來說：“我們的文章，一開始絕對是被忽略的。”甚至還有人曾想過換工作。然后，事情又慢慢地發生了變化。一部分是由于布勞特、恩格勒、希格斯提出的解釋似乎簡單而優雅，另一部分是由于該解釋找到了一位杰出的支持者——電弱統一之父史蒂文·溫伯格。他開始在他的文章中，在他的研討會上越來越多地提到希格斯機制。幾年后，赫拉爾杜斯·霍夫特，一位非常年輕的荷蘭學生，經過幾個月的工作證明了這個理論是可靠的，也就是說，他沒有遇到那些無休止的分歧，那是理論家的噩夢。他們最終接受了標準模型，并接受了三位陌生人提出的解決方案。

順便一提，在1999年，也就是在那篇論文發表多年之后，赫拉爾杜斯·霍夫特和他當時的導師馬丁努斯·韋爾特曼被授予諾貝爾物理學獎。“如果他們在1967年告訴我，當我瘋狂地去尋找那些對我來說似乎不可能計算的答案時，那份工作會讓我獲得諾貝爾獎，我會發笑。”幾年前赫拉爾杜斯對我坦白道。當我看到我的學生沒有專注于他們的論文時，我經常對我的學生重復一句話：這可能是他們一生中最重要的工作。

力的大統一

電弱統一又讓所有物理學家的夢想邁出了決定性的一步：基本力的大統一。

此事早已眾所周知。第一個統一可以追溯到伽利略和牛頓時期。使物體加速向地面運動的重力，以及月球對地球或地球對太陽的引力，這是萬有引力的兩種不同表現形式。天體引力和地球重力是同一種力。這是蘋果掉在這位偉大的英國科學家頭上的故事所告訴我們的。

第二個統一花了兩個世紀才實現，讓我們統一把電磁稱為光子所攜帶的力。自從法拉第、赫茲、麥克斯韋和洛倫茲證明電現象產生磁效應，反之亦然，一切都變得簡單而自然。用少量優雅的公式來描述迥然不同的現象。之后當人們發現，是光子傳播了這種相互作用，而可見光只不過是一種特殊的電磁波，即傳播的磁場擾動時，光學也成為這個家族的一部分。

隨著電磁學和弱力的統一，將三種基本相互作用（也包括強核力）考慮為單一超力的不同表現形式的趨勢已勢不可擋。

機制很簡單。這三個基本相互作用由三個稱為“耦合常數”的數字來描述，它們定義了力的強度。常數越大，力的強度就越大。這三個常數的值是眾所周知的。如果用1來表示強力的耦合常數，則電磁力為1/137，即電磁力比強力弱100倍，弱力約為強力的百萬分之一。

這些顯著的起始不平等被一種機制削弱了，我喜歡稱之為“動態社會正義”，這個機制已經在無數實驗中得到驗證。耦合常數的值，即力的強度，并不是一成不變的靜態值。簡而言之，這些常數不是恒量，而是取決于能量。隨著能量的增加，強者變弱，弱者變強。

這種奇怪的動態已經通過高能碰撞得到了驗證。碰撞的能量增加得越多，電磁力和弱力的表現強度增加得越多，強力的表現強度則減少得越多。這種機理是電弱統一的基礎。當有足夠的能量產生W和Z玻色子時，弱相互作用的強度增長到一定程度，我們可以通過實驗來驗證數十億年來沒有人看到過的電弱統一。

在大型強子對撞機中，同樣的機制得以重現。隨著能量的增加，強耦合常數變得越來越小，弱耦合常數不斷增大，兩個值越來越接近。根據這一趨勢，一些理論預測，在極高的能量下，強、弱和電磁耦合常數將達到一個非常相似的值，這三種基本力的強度實際上是相同的。所需的能量值尚未達到，而且很可能，至少在不久的將來也很難達到這個能量值。不過，終局似乎可期。

在進行這些推斷的過程中，人們發現新粒子的存在，比如超對稱預測的那些粒子，將導致這三個相互作用決定性地收斂到一個明確定義的點。在這個點上，耦合常數將完全相同。這被認為是支持超對稱性的另一個優勢。

如果大統一理論被實驗證明了，我們就會對情況有一個清晰的認識。在我們的世界中所看到的、起作用的是基本力的低能量表現，這些基本力都來自同一種超力，它在非常熱的原始宇宙中不受干擾地發揮作用。一旦溫度降到臨界溫度以下，超力就會以明顯不同的形式結晶，然后到達我們這里。有點像冬季云層中的水蒸氣，根據不同的條件，可以凝結成寒冷的雨滴或結晶成雪花。

夢想的名字

引力到底發生了什么情況呢？我們暫且將它擱置一旁，因為與其他相互作用力相比，它的弱點顯而易見。引力相互作用的耦合常數，其值為10—39，打破了所有紀錄。正因為這個小數值，引力只有在像太陽、地球或月球這樣的巨大質量分布上作用時才變得重大。沒人在乎在同一間辦公室或同一間工作室工作的同事之間的萬有引力。盡管他們每人重80千克，作用距離可能只有幾米，我們知道所有質量都相互吸引，其力與距離的平方成反比。沒有人關心，因為耦合常數是如此之小，以至于需要超靈敏的儀器來測量。如果你感覺被某個男同事或女同事吸引，不要找借口：這種吸引肯定不是引力這一類型的。

引力耦合常數和我們說過的其他相互作用一樣——隨著能量的增長，常數也在增長。在這種情況下，統一機制不起作用。這個常數從一個非常低的值開始，以至于當其他相互作用達到統一時，引力仍然絕對是次要的：該死的，它太弱了。

這種引力的異常是一整代物理學家的擔憂。最常見的力，每個人每天都經歷的力，也是表現最怪異的力。然而，統一包括引力在內的四種自然力的愿望依然存在。它有一個雄心勃勃的名字：萬有理論。這是所有物理學家的秘密夢想。

額外維度

直到幾年前，一群年輕的理論物理學家提出要從根本上改變觀點，引力的統一才被認為是一項艱巨的事業。

其基本原理很簡單。引力并不弱，但對我們來說卻很弱。我們受到常識的制約，成了偏見的囚徒，我們相信宇宙是在四個普通的維度上發展的：三個空間維度（高度、寬度、深度）加上時間。如果我們假設我們的宇宙維度數是5、6或10，也就是說，如果存在我們沒有察覺到的額外空間維度，我們應該從根本上修正這些結論。

這個難題解開了：我們認為引力很弱，因為我們只考慮了我們所熟悉的四維世界的微弱投影。實際上，在額外的維度中傳播，這個力比它看起來要強得多。此外，考慮到隱藏的維度，引力的耦合常數變得正常，并隨著能量的增長而增長，它可以與其他相互作用統一起來。

這些隱藏的維度去了哪里呢？在宇宙誕生的最初時刻，巨大的能量使所有額外維度保持開放。在隨后的冷卻過程中，它們立即閉合起來，好像折疊在一起，變得不可見，但是異常微弱的引力仍然存在。這個巨大的不一致的細節，提醒我們不要只滿足于表面現象。

不尋常的是，如果存在額外維度，我們可以用粒子加速器來發現它們。從大型強子對撞機開始，通過讓高能質子碰撞，我們可以觸及額外維度隱密而無聲地存在了數十億年的極限。在這種情況下，不同版本的理論預見了巨大質量粒子的出現，它們的性質與標準模型相似，但要重幾十倍，或者是全新的絕對奇異的物質狀態，因為這種狀態的引力比普通狀態的引力強得多。因此，有可能產生一種亞原子粒子的聚集，這種聚集既不是由電磁力（如原子中的電子）聚集，也不是由核力（如原子核中的夸克）聚集，而是由引力聚集。

在非常小的距離，引力會如此強大，以至于能夠形成微小的黑洞。這與宇宙黑洞無關。宇宙黑洞是在許多星系中心發現的巨大天體，其質量如此之大以至于它們甚至可以吞噬光，因此不可見。可能形成的微型黑洞將是無害的不穩定粒子，它們會在無限小的時間內衰變，只留下幾十個粒子組成的微觀“煙火”，在相互作用區周圍的超靈敏探測器上留下痕跡，作為它們存在的證據。由于到目前為止，還沒有實驗顯示出超大質量粒子或黑洞的痕跡，因此只能對最小空間維度設置上限，在這個上限之下，額外維度仍然可以隱藏。這個問題仍然懸而未決，每天可能都是美好的一天。當特定的額外維度理論被證明是正確的那一刻，那不僅是科學的偉大日子，而且將真正譜寫人類歷史的新篇章。單是想想看問題的角度，我們的世界觀將徹底改變。想一想描繪多維世界的難度，甚至只是想象一個在十維空間中發展的世界，以及馬上就會出現的問題：對宇宙隱秘一面的系統探索會給我們帶來什么驚喜呢？

尋找圣杯

在討論標準模型時，我們遇到了現代物理學的大問題。暗物質、膨脹、暗能量、力的統一以及引力的作用，這些概念引出了巨大的問題，而這些問題極有可能需要物理學上一場新的概念革命。我們遲早會發現一些顛覆現有知識的東西，將標準模型簡化為一種特殊情況，只適用于低能量的更普遍的理論。這種情況以前發生過，我們都相信它將再次發生。

盡管出現了新的問題，但仍有一個大問題需要解決。首先，有必要找到希格斯玻色子，也就是說，證明這種新粒子確實存在，或者為電弱對稱性破缺機制找到不同的解釋。這里出現了問題。搜尋工作立刻展開，但當標準模型取得接連不斷的成功時，在這個特定點上，年復一年，搜尋卻仍是一連串的負面結果。在標準模型取得最大勝利的那些年里，似乎沒有人能發現這種幽靈粒子，而整個理論的構建都依賴于它的存在。

在此，新一代的年輕物理學家開始發揮作用，他們在20世紀90年代初決定嘗試當時無人成功的事業。要么發現該死的玻色子，要么證明布勞特—恩格勒—希格斯機制永遠不成立，我們必須求助于另一種理論。

為了實現這一目標，科學家們提出了使用尺寸和特性都讓人瘋狂的裝置。他們提議使用的許多技術根本不存在，材料具有未來派風格，所要求的性能被認為是“瘋狂的”。

這一代人的夢想是能夠制造出歷史上前所未有的加速器和探測器。他們的希望是不讓希格斯玻色子逃走，系統地對希格斯玻色子可能存在的整個區域進行篩選。

他們的秘密夢想并沒有就此止步。他們一起尋找新物理學的最初跡象：超對稱性預測的新粒子，或額外維度理論中假設的微型黑洞。新機器必須準備好應對任何意外。我們正準備把河里的石頭一塊一塊地翻開，以便抓住哪怕是藏在那里的最小的魚。

為意外做好準備總是最復雜的事情。我們可能會遇到一個希格斯玻色子，它的特征與標準模型預測的完全不同。我們必須準備好記錄最小的異常，因為新物理學的第一個明確信號可能隱藏在其中。我們可能會遇到其他伙伴，甚至發現希格斯玻色子的整個家族。我們必須為人類頭腦中曾經設想過的最稀奇的粒子做好準備：從可以在設備中穩定地睡上好幾個星期然后在數據采集結束后自行分解的粒子，到構成暗物質的不可見粒子和不能直接檢測到的粒子。

這是大型強子對撞機的歷史和冒險。