第3章 男孩们的冒险
有很多话要说
斯德哥尔摩，2013年7月23日下午6点30分
他走起路来像个敏捷的小孩，这说明他已经习惯步行了。会议组织者给他安排了一辆专车，他有着八十四岁的高龄和虚弱的外表，我刚向他提议出去散步，他立即通知蓝色奔驰车的司机我们已经出发了。酒店距离瓦萨博物馆1.5km，绕着海湾散步很有意思，气温在美丽的夏日是让人愉快的。今晚有一场社交晚宴，就在那里举办，在世界上唯一一个庆祝巨大失败的博物馆里。
瓦萨战舰[12]是瑞典古斯塔沃·阿道夫二世舰队的骄傲。它曾是世界上最华丽、最气势磅礴、装备最精良的战舰。人们曾迫切需要尽快发动它，以对抗波兰人和立陶宛人——他们当时正在与瑞典海军争夺在波罗的海的贸易垄断地位。最初的项目并没有完全让国王满意。它还不够宏伟，古斯塔沃·阿道夫二世坚持让工程师们再建一个甲板，在甲板上装满青铜大炮。几个专业的木匠曾战战兢兢、小心翼翼地提出反对意见，也无济于事。国王的意志不可违抗。
忽略这个细节会付出很大的代价。1628年8月16日，这艘在斯德哥尔摩湾进行首次航行的战舰，本来是要彰显瑞典皇家海军的实力，却像铅一样沉到了港口的泥里。几个世纪后，瓦萨战舰在那里被打捞起来，保存完好，它的木头装饰精美，青铜大炮从未发射过一颗炮弹。
现在人们可以在瓦萨博物馆里参观战舰，这座博物馆的位置离它在水下休息了300多年的地方仅几百米远。让世界各地的孩子们高兴的是，他们可以上船并且触摸这艘装满了他们幻想的战舰。
在20分钟的散步中，彼得愉快地向我讲述了他在爱丁堡的短途旅行，以及他参加的无数无休止的和平游行。然后，他突然好奇地问我：“不过你们是怎么成功让3000名物理学家一起齐心协力工作的呢？”我愉快地告诉他，从我们发现希格斯粒子的第一个迹象开始，虽然我们在合作中出现各种冲突、争吵和怀疑。当我告诉他我的项目要赢得赌注时，他开心地笑了，并补充道：“坦白地说，你们发现了这个事实也让我吃惊，我根本不确定希格斯粒子是否真的存在。”
大多数人认为彼得·希格斯是一个难以相处的角色，他就是一头熊，简单而无趣。没有比他更脱离现实的了。这种负面名声可能源于他与记者的不良关系。自从一个肆无忌惮的家伙捉弄了他，彼得就尽一切可能避开记者们——那个记者发表了一篇采访彼得的文章，把他从未说过的一些过激话语加入其中。这种不愿接受采访的态度导致他被视为厌世者，被人们误解。彼得一直害怕并且不信任记者，甚至昨天在新闻发布会上，我也看到他紧张得坐立难安。
欧洲物理学会的会议是物理学界一年中最重要的会议。英国皇家科学院于10月8日向全世界宣布诺贝尔物理学奖的获得者，而在10月8日这一重大日期的三个月前，这一届的会议在斯德哥尔摩举行。每个研究大型强子对撞机的人都知道，在去年，我们已经收集到了更多的证据，证明了2012年发现的新粒子，它在所有方面都与布劳特、恩格勒和希格斯在1964年预测的特征相似。人们希望皇家科学院考虑这一点，并且大家的目光都集中在弗朗索瓦和彼得这两位年轻人身上。每个人都希望今年是个好时机。
昨天，弗朗索瓦和彼得发表了感人的演讲，紧接着在开幕式结束后，主办方在午休时间为他俩安排了一场新闻发布会。
一位记者问彼得·希格斯，被当作如此重要的粒子之父是什么感觉，他简洁地回答：“没什么特别的，因为我的贡献很小。”另一些人则在寻找丰富多彩的注解，他们坚持问道：“告诉我们关于灵光乍现的时刻吧。”彼得腼腆地笑着说：“那是8月份，我写的文章被拒绝了。有那么几天我想我该放弃了。然后我又添加了几句话，因为显然他们没看懂我的文章。”
这两位科学家太不一样了。他们的性格完全相反。彼得害羞且语言简洁，而弗朗索瓦活泼且气势汹汹。一个人说话时身体僵硬，直立着，嘴唇肌肉几乎不动，吃力地蹦出几个词。另一个人则很兴奋，用他的手和整个身体来说明他阐述的概念。他讲故事，讲笑话，有时甚至沉浸在字里行间，似乎没完没了。但这并不是唯一的区别。弗朗索瓦·恩格勒有犹太血统，虽然他在战争中幸免于大屠杀，但他的家人遭受了重创。当比利时遭到入侵时，他还是个孩子，他躲藏了好几年才逃过了大屠杀。他是一个隐藏的孩子[13]（enfant caché），这些犹太孩子假扮为基督徒，或被孤儿院及非常勇敢的家庭收容。弗朗索瓦的灵魂中承载着那个可怕时期的所有创伤，也许他的热情，他从所有毛孔中散发出的生活乐趣，是那些在恐惧中生活太久的人的反应。在经历了那些可怕的日子后，他见证了许多家庭成员移民以色列，他与这个他经常访问的国家有着非常特殊的关系。
这一切和彼得·希格斯完全相反。自20世纪60年代以来，彼得一直参加裁军及支持和平的游行。他是一个坚定的积极分子，他的政治倾向经常指引他为建立一个巴勒斯坦国而示威。2004年，他获悉自己获得了沃尔夫奖（Wolf Prize）——以色列由同名基金会颁发的享有盛誉的奖项，其重要性仅次于诺贝尔奖。该奖项共同授予他、弗朗索瓦·恩格勒和罗伯特·布劳特。由于颁奖仪式要求获奖者从以色列当时的总统摩西·卡察夫手中接过奖杯，故彼得毫无疑问拒绝飞往耶路撒冷。只有两位比利时朋友出席交接仪式：恩格勒和布劳特。
弗朗索瓦的家庭人口众多。他结过三次婚，儿孙分散在世界各地。彼得只有一个妻子，他深爱的乔迪，是来自伊利诺伊州厄巴纳的美国讲师，曾和他在爱丁堡的同一所大学工作。他一见到乔迪就爱上了她，两人拥有共同的世界观、政治热情和公民倾向。他当时刚过三十岁，夜以继日地工作。他深爱的妻子照顾他，帮助他，鼓励他。他们是天作之合，彼此疯狂相爱。他们欢笑，他们玩耍，他们为未来制订计划，他们争吵，他们达成和解。第一个孩子出生的时候，正是彼得发表的文章开始受到重视的时候，他被邀请到最有声望的大学参加研讨会，展示他的研究成果。这似乎是一个完美的幸福时刻。然而，一点一点地，有些东西不知不觉地开始崩溃。最初的误解，一种陌生感，一个幻想破灭的意识。这位年轻的物理学家解决了困扰他的所有问题，他发表了一篇将永垂青史的文章，但年轻的妻子选择了另一条道路。就这样，两人分道扬镳。内心情感的尖叫和被遗弃的痛苦使这颗才华横溢的头脑陷入了沮丧。年轻的物理学家越来越多地把自己关在家里，和朋友们的联系也越来越少，一切都变得困难，他的工作永远不会再产生任何重大的成果。
简而言之，彼得和弗朗索瓦有着截然相反的性格和个性。弗朗索瓦一直对希格斯玻色子这个名字感到有些厌烦，他也毫不隐藏这一点。自从史蒂文·温伯格让这个名字流行起来后，每个人都在用希格斯玻色子这个名字，这可能会掩盖他和罗伯特所做的工作。而彼得，你可以从他的表情看出，和弗朗索瓦互动时他的手势和语言都很不自在。大家都清楚，这两个人彼此不喜欢。
记者会一结束，我们就来到后面的房间，在会议再次开始之前，我们要迅速吃点三明治和水果。在那里，当我和彼得，以及弗朗索瓦坐在一起吃三明治时，出乎意料的事情发生了。他们两人开始交谈，互相交流，我在中间充当沉默的见证者。我的感受是，我听到了一个已经憋了将近50年的对话。除了在公共场合顺带相遇，我发现他们从来没有私下见过面，他们从来没有时间交谈，告诉对方他们是如何写就这些文章，以及他们有什么疑虑和期望。就好像一切又重新开始了。从1964年那个夏天起，他们的生活发生了决定性的转变。我安静地听着，让他们俩说话，我备感荣幸地目睹了这两个本来相互并不喜欢的人之间这种深情的和解。现在这两个1964年的男孩说话、回忆、感动不已。工作人员来找我们，因为会议已经开始了，但这两个人不愿停止对话。他们仍然有很多话要对彼此说。
费米相互作用
玻色子的历史可以追溯到近一个世纪以前。可以说，一切都始于20世纪初，这一时期在科学史上是无与伦比的。一系列的事件以罗西尼式渐强[14]的节奏快速发生，一群杰出的人，在短短几年内，就在人类思维方式上发生了范式转变。
狭义相对论、量子力学和广义相对论为认识物质和宇宙提供了新的基础。事实证明，这些变化如此深刻，以至于一个多世纪后的今天，我们仍然难以理解所有的结论。
在这个基础上，新一代的物理学家们提出了一系列令人惊讶的发现和新的理论模型以解释当时的观测结果。这些模型，因后续的测量数据，被系统性地质疑。这就是建立基本相互作用[15]的标准模型[16]的故事。
故事始于1933年一位年轻的意大利科学家恩里科·费米的直觉。这位来自罗马的教授领导着一群非常年轻的物理学家（比他年轻几岁），在这些人当中，他享有如此大的权威，以至于他们给他起了一个绰号——教皇。该小组进行了一系列的实验和研究，这些实验和研究在物理学的各个领域都被载入了史册。他们被称作“帕尼斯伯纳大街的男孩们”，名字源于他们工作的物理研究所坐落的街道。20世纪最聪明的一些人：爱德华多·阿马尔迪、奥斯卡·达戈斯蒂诺、埃托尔·马若拉娜、布鲁诺·庞特科沃、佛朗哥·拉塞蒂和埃米利奥·塞格雷。他们得到的结果如此不同寻常，费米带领的这群年轻人很快就会为全世界所知晓。
自从年轻的费米来到比萨大学学习物理以来，他给每个人都留下了深刻的印象。那个17岁的罗马男孩，针对著名的比萨高等师范学院的入学考试，写了一篇小文章。该文章已具备论文的原创性和深度。我们都是比萨大学的学生，都记得他的那篇文章的标题，“声音的独特特征及其成因”。该作品完好地陈列在院系的办公地点（多年后，该系正是以恩里科·费米本人名字命名）。这个聪明的年轻学生经常在课堂上走上讲台，和他的同学拉塞蒂和卡拉拉一起组织实验，甚至在毕业前，还发表了他的第一篇物理学文章。他21岁博士毕业，四年后成为罗马大学理论物理学教授。
1933年，32岁的费米提出了一个革命性的理论，以致他提交给《自然》杂志的文章被拒绝了，因为“文章包含了与物理现实相距太远的猜测，读者对此不感兴趣”。后来该文章由国家研究委员会的期刊《科学研究》（La Ricerca Scientifica）发表，因此这本期刊将拥有20世纪最重要的物理学论文之一。
费米的理论涉及一种特殊的放射性过程，其起源在当时还不为人所知：β衰变。之所以这样称呼是因为它的特征是发射“β辐射”，即电子。费米第一个将这种现象解释为一种当时完全未知的新的力的表现形式。为了描述它，费米从一个与电磁力相似的假设开始。这是最简单的假设，允许人们定义一个参数——常数G，费米能够以难以置信的精度对其进行估算。多年来，这种新的力被称为“费米相互作用”。很久之后，当这个理论被所有人接受时，它才会更名。从那时起，它就被称为“弱相互作用”[17]，是常数G最小值的自然参考，G决定了力的强度，并且为了纪念它的发现者，它仍被称为“费米常数”。
1938年，恩里科·费米因发现超铀元素和由慢中子引起的核反应而被授予诺贝尔奖：这是对科学的巨大贡献，是人们理解和控制核能的决定性研究。实际上，费米对发现宇宙四种基本相互作用之一所做出的贡献——多年后每个人都清楚地看到了这一点——当然应该值得再获一次诺贝尔奖。很有可能，这种双重奖励真的会到来，但故事在1954年因这位伟大的科学家早逝而结束。
今天我们知道，弱相互作用，虽然在我们所熟悉的普通物质中很少出现，但在宇宙中起着基础性作用。如果没有弱相互作用，太阳和所有恒星将无法产生扩散到周围空间的能量。宇宙将充满奇异形式的物质，还将具备完全不同于我们所熟悉的特征。我们没人能说得出来到底是什么，因为并不存在与我们已知的生命形式相似的生命。
青年费米的创新思想为电磁力和弱力的统一铺平了道路。30年后，电磁力和弱力的统一为基本相互作用的标准模型奠定了基础。
标准模型的诞生
这段故事与修建12世纪的哥特式大教堂有些相似。要建造这些杰作，不仅需要设计才能了得的天才建筑师，还需要成千上万的石匠大师、雕塑家和普通的雕刻师，他们以美妙的形式将这些有远见的想法表达出来。类似的事情也发生在标准模型上。标准模型的基础是量子力学和相对论，这是20世纪开始的两场伟大的概念革命。在它们的基础上，有承载力的基础设施得到了发展，比如恩里科·费米卓越的直觉，然后是伟大的设计师谢尔顿·格拉肖[18]、史蒂文·温伯格和阿布杜斯·萨拉姆的理性工作，还有他们周围成千上万的其他科学家持续不断的、系统的工作。标准模型诞生于数十年的理论研究中，与一系列令人印象深刻的实验发现交织在一起，这迫使科学家们多次重新设计整体图景。就像几个世纪前发生的那样，在大教堂的建造过程中，人们意识到一些解决方案过于大胆，并且该结构不能承受重量或侧向力，因此有必要在建筑中纳入新的解决方案，这将成为以后建造大教堂的标准。
标准模型理论优雅而巧妙。尽管它仍然包含了太多的参数和许多真正含义尚未完全清楚的常数，但它的成功立即引起了轰动，因为它具有强大的预测能力。它预测新的粒子，有规律地发现新粒子，并且能以高精度计算新的可测量。实验物理学家发现这些量与预测一致，在某些情况下，甚至可以计算到小数点后10位。
标准模型认为物质由三代夸克和三代轻子构成，它们根据精确的定律相互作用并结合在一起，产生了我们所知道的一切。十二种基本粒子（三对夸克和三对轻子）通过交换其他粒子相互作用，这些粒子是四种基本力的载体：光子，即由光构成的粒子，传递众所周知的电磁力，而胶子本身带有色荷，传递强相互作用，这种强相互作用将质子内部的夸克聚集在一起，并且能克服原子核中质子之间的电磁力。另外，弱相互作用通过发射和吸收非常重的粒子（称为W及Z玻色子）来传递。最后，未纳入标准模型的，还有引力。它在具有质量或能量的物体间相互作用，并通过引力子的交换传递作用力，引力子是引力的媒介子，目前还没有被实验检测到。
力的媒介子拥有整数自旋（1或2），它与自旋为0的粒子均为玻色子。夸克和轻子是物质的组成部分，它们的自旋分数为1/2，通常被称为费米子。
标准模型的原型是弱相互作用与电磁相互作用的统一，这变成了单一力的两种不同表现形式，即电弱相互作用。一切都源于形式上的类推，这种类推加强了费米开始定义弱相互作用的直觉。
描述这两种相互作用的方程实际上是相同的，这种形式的一致不可能是一种巧合。在19世纪，法拉第、麦克斯韦和洛伦兹提出的统一的电磁学理论与电磁学现象交会在一起，奇迹又一次发生。这一发现不仅从根本上改变人们对自然的理解，也可能彻底改变了整个社会。
当普通记者请我用简单的术语解释关于希格斯玻色子的新科学发现可能产生的经济和社会影响时——这是我经常提到的一个话题——我无法回答这个问题，但我知道，如果今天不了解电磁学，我们仍然会乘坐蒸汽火车，会使用蜡烛和煤气灯来照明，用信鸽来交流。我不知道电弱统一是否会带来新技术，但我知道，在19世纪下半叶，当制定麦克斯韦定律时，没有人能想到世界会因这四个方程而发生如此迅速和深刻的变化。
另一个比萨学生的疯狂想法
标准模型的成功与欧洲核子研究组织进入国际物理学领域发生在同一时间。成立于1954年的欧洲实验室起初努力在高能物理领域建立自己的地位，而这一领域传统上是由超级大国美国主导的。欧洲核子研究组织的第一个重要成果是在20世纪70年代发现中性流（中性流是一种难以捉摸的现象，它构成了“标准模型假设的Z玻色子存在的第一个间接证据”）。在20世纪80年代，伴随着弱相互作用的媒介子W及Z玻色子的发现，这一理论达到了顶峰。
这一发现的主角是另一位曾在比萨大学就读的学生，也是一名优秀的师范学院学生。自费米发表关于弱相互作用的文章以来，已经过去了40年，当时还没有人发现这种力的媒介子，该理论预测这种力的质量非常大。为了克服这些困难，年轻的鲁比亚[19]向欧洲核子研究组织提议建造一个前所未有的加速器。这是一个革命性的想法，乍一看很疯狂：在同一台加速器中，让质子束和反质子束循环，并使它们发生碰撞，从而有足够的能量产生幽灵般的粒子。这个想法涉及从根本上改动欧洲核子研究组织最强大的加速器，使其适应新的特性，并涉及解决一系列令人记忆深刻的技术问题。鲁比亚性格暴躁，工作中会忍不住动手。为了帮助他，著名的加速器专家之一、荷兰物理学家西蒙·范德梅尔进入了这个领域，提出了一种建立和保持反质子束聚焦的革命性方法，这是在碰撞中获得足够强度的决定性因素。
即使最不情愿的同事也深信不疑，在20世纪80年代初新加速器将开始运行。一切都进行得完美而迅速，在相互作用区周围建造的巨大探测器里，期待已久的信号出现了。1983年12月，在欧洲核子研究组织的一次研讨会上，鲁比亚向世界宣布了W和Z玻色子的发现。在第二年，他与西蒙·范德梅尔因此共同获得诺贝尔物理学奖。
我也是当时聚集在中央礼堂的数百人中的一员。当鲁比亚一张张地讲述几百张幻灯片，向一群紧凑而安静的观众展示少量Z玻色子和第一批W玻色子时，我仍然记得，在那一刻，我有一个清晰的想法——有点像白日梦。有那么几秒钟，我想象着自己在未来的某一天站在那个讲台上，在那个挤满了物理学家的礼堂里，展示一种新粒子的第一个证据，这种新粒子将永远改变我们对世界的看法。我相信，像我一样出席研讨会的所有年轻物理学家都拥有同一个梦想。
质量的难题
标准模型所积累的成功并不能掩盖隐藏在整个理论构建中处于框缘的一个潜在问题。
这两种如此不同的相互作用，怎么可能是同一种力的表现呢？电磁力的作用范围是无限的，照亮我们街道的灯泡发出的光子，在适当的时间，将抵达宇宙最偏远的角落；而几千年来我们一直可以忽略弱相互作用，因为它只发生在非常小的亚核距离内，并立即消失。物理学的一般定律告诉我们，力的作用范围与其承载的粒子质量成反比。这就是为什么电磁力的作用范围是无限的——这是只有零质量的光子才能给予的礼物。现在人们明白了为什么W和Z玻色子的质量一定如此之大。只有非常重的粒子才能产生像弱力这样的短距离作用力，但是，无质量的光子如何调和W和Z玻色子所带来的相同的电弱相互作用呢？是什么真正将W和Z玻色子与光子区别开呢？质量到底是多少？
用术语说，这些问题的名字统称电弱对称性破缺，参照这一事实——理论上，从一个对称的情景开始，电磁力和弱力应该是同一物体，而事实上，对称性被“打破”并且两种力截然不同。自20世纪60年代起，人们就开始疑惑造成这种破缺的原因，并设计了许多解决办法，但“1964年的男孩们”出现之前，没有一个真正令人信服的答案。再一次，一些年轻人提出了一个新的想法，一个前所未有的想法，打破了常规。他们是两个三十岁出头的比利时男孩以及一个和他们同龄的英国人。
罗伯特·布劳特和弗朗索瓦·恩格勒是很好的朋友。他们有很强的幽默感，他们喜欢美食、美女和笑话。他们性格外向，思想丰富，并富有感染力。他们一直从事固态物理学的工作，但是后来他们决定将注意力集中在粒子物理学上。这不是他们擅长的领域，他们犹豫了很长一段时间，才将他们在这个新学科的第一个作品出版发表。他们担心自己忽略了一些琐碎细节，害怕写废话。对他们来说，解决方案似乎显而易见。他们已经在其他固态的典型情况下看到了它的作用。如果这两种相互作用的方程是相同的，只能是它们传播的方式打破了对称性——那就是真空。换句话说，正是真空“打破了对称性”，因为真空并不是虚无。要证明电磁力和弱力之间的区别，有必要承认存在一个“场”，它占据了空间的每一个角落。
这么说似乎是一件小事。如果你思索一下，就会发现，没人把它们当回事也不足为奇。这两位“新人”到来并告诉我们，宇宙的每个角落都弥漫着一种微妙而神秘的东西，这是之前从未有人考虑过的。他们投递的文章被接受并发表，但一开始没有引起相关的反响。
几周后，同一家杂志又收到了另一篇文章，从完全不同的角度探讨了相同的话题，得出了相似的结论。作者是彼得·希格斯，一位年轻且名不见经传的英国物理学家。他刚被召到爱丁堡，与这两位比利时人年龄大致相同，但性格完全不同。他是一位数学物理学家，他独自工作。他很严肃，很保守，很爱他的妻子，不太喜欢和同事一起来往或欢宴畅饮。他的文章的第一版寄给了另一家杂志，但被拒绝了。他几乎不情愿地，在8月又工作了几周，以回应评审人员，也就是那些被匿名召集来决定提议文章是否应该发表的科学家们的反对意见。最后，彼得决定展开阐述其中一个要求他进一步澄清的论点，他的结论很明确：是的，电弱对称性的自发破缺是一种新的有质量的玻色子产生的场的结果。第二版文章被采纳，并在布劳特和恩格勒的文章出版几周后发表在杂志上，彼得·希格斯引用了前者的文章。
多年后，在斯德哥尔摩，当我们为他们刚刚被授予的奖牌干杯时，彼得向我倾诉：“我总是在想，这个世界是多么奇怪：如果1964年他们没有拒绝那篇文章，我今晚就不会在这里了。”
所提出的机制很简单。如果你用几个公式来描述它，这几乎是显而易见的。质量，基本粒子最普通的特性，隐藏着一个陷阱。我们之前怎么就没想到呢？非常轻的轻子和非常重的夸克诞生了，都没有质量，非常民主。正是占据整个宇宙的希格斯场选择并区分了大质量粒子和轻粒子。与场的相互作用越强，粒子的质量就越大。
即便不是不可能，也很难找到一种在不浪费能量的情况下运行机制的严谨推论。通常使用的图像不能充分反映对称性自发破缺机制的特性。我喜欢把它描绘成橄榄球场上侵略性的、结实的防御者阵线，光子渗透进来，无视他们，然后迅速地从他们两腿之间溜过去。但如果W或Z玻色子到达，就无法逃脱了。防守队员抓住他们的脚踝，无情地把他们拉倒。他们试图站起来，但徒劳无功，他们痛苦地拖着自己走了极短的距离，带走了一群玻色子。这就是我们的宇宙形成微妙平衡的方式：光子给我们带来最遥远恒星的光，而使太阳发光的弱相互作用躲避了我们的视线，并被限制在亚核距离之内。
这个想法是革命性的。即使在这种情况下，它也没有立即产生任何显著的反响。用彼得·希格斯的话来说：“我们的文章，一开始绝对是被忽略的。”甚至还有人曾想过换工作。然后，事情又慢慢地发生了变化。一部分是由于布劳特、恩格勒、希格斯提出的解释似乎简单而优雅，另一部分是由于该解释找到了一位杰出的支持者——电弱统一之父史蒂文·温伯格。他开始在他的文章中，在他的研讨会上越来越多地提到希格斯机制。几年后，赫拉尔杜斯·霍夫特，一位非常年轻的荷兰学生，经过几个月的工作证明了这个理论是可靠的，也就是说，他没有遇到那些无休止的分歧，那是理论家的噩梦。他们最终接受了标准模型，并接受了三位陌生人提出的解决方案。
顺便一提，在1999年，也就是在那篇论文发表多年之后，赫拉尔杜斯·霍夫特和他当时的导师马丁努斯·韦尔特曼被授予诺贝尔物理学奖。“如果他们在1967年告诉我，当我疯狂地去寻找那些对我来说似乎不可能计算的答案时，那份工作会让我获得诺贝尔奖，我会发笑。”几年前赫拉尔杜斯对我坦白道。当我看到我的学生没有专注于他们的论文时，我经常对我的学生重复一句话：这可能是他们一生中最重要的工作。
力的大统一
电弱统一又让所有物理学家的梦想迈出了决定性的一步：基本力的大统一。
此事早已众所周知。第一个统一可以追溯到伽利略和牛顿时期。使物体加速向地面运动的重力，以及月球对地球或地球对太阳的引力，这是万有引力的两种不同表现形式。天体引力和地球重力是同一种力。这是苹果掉在这位伟大的英国科学家头上的故事所告诉我们的。
第二个统一花了两个世纪才实现，让我们统一把电磁称为光子所携带的力。自从法拉第、赫兹、麦克斯韦和洛伦兹证明电现象产生磁效应，反之亦然，一切都变得简单而自然。用少量优雅的公式来描述迥然不同的现象。之后当人们发现，是光子传播了这种相互作用，而可见光只不过是一种特殊的电磁波，即传播的磁场扰动时，光学也成为这个家族的一部分。
随着电磁学和弱力的统一，将三种基本相互作用（也包括强核力）考虑为单一超力的不同表现形式的趋势已势不可挡。
机制很简单。这三个基本相互作用由三个称为“耦合常数”的数字来描述，它们定义了力的强度。常数越大，力的强度就越大。这三个常数的值是众所周知的。如果用1来表示强力的耦合常数，则电磁力为1/137，即电磁力比强力弱100倍，弱力约为强力的百万分之一。
这些显著的起始不平等被一种机制削弱了，我喜欢称之为“动态社会正义”，这个机制已经在无数实验中得到验证。耦合常数的值，即力的强度，并不是一成不变的静态值。简而言之，这些常数不是恒量，而是取决于能量。随着能量的增加，强者变弱，弱者变强。
这种奇怪的动态已经通过高能碰撞得到了验证。碰撞的能量增加得越多，电磁力和弱力的表现强度增加得越多，强力的表现强度则减少得越多。这种机理是电弱统一的基础。当有足够的能量产生W和Z玻色子时，弱相互作用的强度增长到一定程度，我们可以通过实验来验证数十亿年来没有人看到过的电弱统一。
在大型强子对撞机中，同样的机制得以重现。随着能量的增加，强耦合常数变得越来越小，弱耦合常数不断增大，两个值越来越接近。根据这一趋势，一些理论预测，在极高的能量下，强、弱和电磁耦合常数将达到一个非常相似的值，这三种基本力的强度实际上是相同的。所需的能量值尚未达到，而且很可能，至少在不久的将来也很难达到这个能量值。不过，终局似乎可期。
在进行这些推断的过程中，人们发现新粒子的存在，比如超对称预测的那些粒子，将导致这三个相互作用决定性地收敛到一个明确定义的点。在这个点上，耦合常数将完全相同。这被认为是支持超对称性的另一个优势。
如果大统一理论被实验证明了，我们就会对情况有一个清晰的认识。在我们的世界中所看到的、起作用的是基本力的低能量表现，这些基本力都来自同一种超力，它在非常热的原始宇宙中不受干扰地发挥作用。一旦温度降到临界温度以下，超力就会以明显不同的形式结晶，然后到达我们这里。有点像冬季云层中的水蒸气，根据不同的条件，可以凝结成寒冷的雨滴或结晶成雪花。
梦想的名字
引力到底发生了什么情况呢？我们暂且将它搁置一旁，因为与其他相互作用力相比，它的弱点显而易见。引力相互作用的耦合常数，其值为10—39，打破了所有纪录。正因为这个小数值，引力只有在像太阳、地球或月球这样的巨大质量分布上作用时才变得重大。没人在乎在同一间办公室或同一间工作室工作的同事之间的万有引力。尽管他们每人重80千克，作用距离可能只有几米，我们知道所有质量都相互吸引，其力与距离的平方成反比。没有人关心，因为耦合常数是如此之小，以至于需要超灵敏的仪器来测量。如果你感觉被某个男同事或女同事吸引，不要找借口：这种吸引肯定不是引力这一类型的。
引力耦合常数和我们说过的其他相互作用一样——随着能量的增长，常数也在增长。在这种情况下，统一机制不起作用。这个常数从一个非常低的值开始，以至于当其他相互作用达到统一时，引力仍然绝对是次要的：该死的，它太弱了。
这种引力的异常是一整代物理学家的担忧。最常见的力，每个人每天都经历的力，也是表现最怪异的力。然而，统一包括引力在内的四种自然力的愿望依然存在。它有一个雄心勃勃的名字：万有理论。这是所有物理学家的秘密梦想。
额外维度
直到几年前，一群年轻的理论物理学家提出要从根本上改变观点，引力的统一才被认为是一项艰巨的事业。
其基本原理很简单。引力并不弱，但对我们来说却很弱。我们受到常识的制约，成了偏见的囚徒，我们相信宇宙是在四个普通的维度上发展的：三个空间维度（高度、宽度、深度）加上时间。如果我们假设我们的宇宙维度数是5、6或10，也就是说，如果存在我们没有察觉到的额外空间维度，我们应该从根本上修正这些结论。
这个难题解开了：我们认为引力很弱，因为我们只考虑了我们所熟悉的四维世界的微弱投影。实际上，在额外的维度中传播，这个力比它看起来要强得多。此外，考虑到隐藏的维度，引力的耦合常数变得正常，并随着能量的增长而增长，它可以与其他相互作用统一起来。
这些隐藏的维度去了哪里呢？在宇宙诞生的最初时刻，巨大的能量使所有额外维度保持开放。在随后的冷却过程中，它们立即闭合起来，好像折叠在一起，变得不可见，但是异常微弱的引力仍然存在。这个巨大的不一致的细节，提醒我们不要只满足于表面现象。
不寻常的是，如果存在额外维度，我们可以用粒子加速器来发现它们。从大型强子对撞机开始，通过让高能质子碰撞，我们可以触及额外维度隐密而无声地存在了数十亿年的极限。在这种情况下，不同版本的理论预见了巨大质量粒子的出现，它们的性质与标准模型相似，但要重几十倍，或者是全新的绝对奇异的物质状态，因为这种状态的引力比普通状态的引力强得多。因此，有可能产生一种亚原子粒子的聚集，这种聚集既不是由电磁力（如原子中的电子）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。
在非常小的距离，引力会如此强大，以至于能够形成微小的黑洞。这与宇宙黑洞无关。宇宙黑洞是在许多星系中心发现的巨大天体，其质量如此之大以至于它们甚至可以吞噬光，因此不可见。可能形成的微型黑洞将是无害的不稳定粒子，它们会在无限小的时间内衰变，只留下几十个粒子组成的微观“烟火”，在相互作用区周围的超灵敏探测器上留下痕迹，作为它们存在的证据。由于到目前为止，还没有实验显示出超大质量粒子或黑洞的痕迹，因此只能对最小空间维度设置上限，在这个上限之下，额外维度仍然可以隐藏。这个问题仍然悬而未决，每天可能都是美好的一天。当特定的额外维度理论被证明是正确的那一刻，那不仅是科学的伟大日子，而且将真正谱写人类历史的新篇章。单是想想看问题的角度，我们的世界观将彻底改变。想一想描绘多维世界的难度，甚至只是想象一个在十维空间中发展的世界，以及马上就会出现的问题：对宇宙隐秘一面的系统探索会给我们带来什么惊喜呢？
寻找圣杯
在讨论标准模型时，我们遇到了现代物理学的大问题。暗物质、膨胀、暗能量、力的统一以及引力的作用，这些概念引出了巨大的问题，而这些问题极有可能需要物理学上一场新的概念革命。我们迟早会发现一些颠覆现有知识的东西，将标准模型简化为一种特殊情况，只适用于低能量的更普遍的理论。这种情况以前发生过，我们都相信它将再次发生。
尽管出现了新的问题，但仍有一个大问题需要解决。首先，有必要找到希格斯玻色子，也就是说，证明这种新粒子确实存在，或者为电弱对称性破缺机制找到不同的解释。这里出现了问题。搜寻工作立刻展开，但当标准模型取得接连不断的成功时，在这个特定点上，年复一年，搜寻却仍是一连串的负面结果。在标准模型取得最大胜利的那些年里，似乎没有人能发现这种幽灵粒子，而整个理论的构建都依赖于它的存在。
在此，新一代的年轻物理学家开始发挥作用，他们在20世纪90年代初决定尝试当时无人成功的事业。要么发现该死的玻色子，要么证明布劳特—恩格勒—希格斯机制永远不成立，我们必须求助于另一种理论。
为了实现这一目标，科学家们提出了使用尺寸和特性都让人疯狂的装置。他们提议使用的许多技术根本不存在，材料具有未来派风格，所要求的性能被认为是“疯狂的”。
这一代人的梦想是能够制造出历史上前所未有的加速器和探测器。他们的希望是不让希格斯玻色子逃走，系统地对希格斯玻色子可能存在的整个区域进行筛选。
他们的秘密梦想并没有就此止步。他们一起寻找新物理学的最初迹象：超对称性预测的新粒子，或额外维度理论中假设的微型黑洞。新机器必须准备好应对任何意外。我们正准备把河里的石头一块一块地翻开，以便抓住哪怕是藏在那里的最小的鱼。
为意外做好准备总是最复杂的事情。我们可能会遇到一个希格斯玻色子，它的特征与标准模型预测的完全不同。我们必须准备好记录最小的异常，因为新物理学的第一个明确信号可能隐藏在其中。我们可能会遇到其他伙伴，甚至发现希格斯玻色子的整个家族。我们必须为人类头脑中曾经设想过的最稀奇的粒子做好准备：从可以在设备中稳定地睡上好几个星期然后在数据采集结束后自行分解的粒子，到构成暗物质的不可见粒子和不能直接检测到的粒子。
这是大型强子对撞机的历史和冒险。