粒子物理学已死、将死，抑或只是艰难前行？

大型强子对撞机尚未发现任何新物理现象。接下来该怎么办？Kristina Armitage/《量子杂志》

2012 年 7 月，位于欧洲的大型强子对撞机（LHC）的物理学家们凯旋般地宣布发现了希格斯玻色子，这是亚原子世界中寻找已久的“核心锁钥”。与其他基本粒子相互作用时，希格斯玻色子会赋予它们质量，使它们慢到足以聚集成原子，进而堆积成万物。

几个月后，我入职了当时刚成立不久的科学杂志（即后来的《量子杂志》），成为了第一位专职记者。事实证明，我开始报道物理学前沿的时间点，恰好是这场大戏高潮迭起的时刻。

这场戏的主角并非希格斯粒子本身；在它于大型强子对撞机显身之前，人们对其存在已几乎没有怀疑。希格斯粒子是粒子物理学标准模型的最后一块拼图。标准模型是 20 世纪 70 年代确立的一套方程组，统治着已知的 25 种基本粒子及其相互作用。

更引人注目的，是数据中没有出现的东西。

物理学家耗资数十亿欧元建造了这座周长 27 公里的超级对撞机，不仅是为了证实标准模型，更是为了通过揭示更完备的自然理论的组成部分来超越它。例如，标准模型并不包含可能构成暗物质的粒子。它无法解释为什么宇宙中物质多于反物质，或者大爆炸最初是如何发生的。此外，希格斯玻色子的质量（它设定了原子的物理尺度）与量子引力相关的极高质能标（即普朗克能标）之间存在着难以解释的巨大差异。这两个物理尺度之间的鸿沟——原子远大于普朗克尺度——显得不稳定且“不自然”。1981 年，伟大的理论家爱德华·威滕想出了这个“层级问题”的一个解决方案：通过引入仅比希格斯玻色子稍重一些的其他基本粒子来恢复平衡。大型强子对撞机的碰撞能量理应足以召唤出这些粒子。

然而，当质子在隧道中双向奔驰并迎头撞击、向周围探测器喷射碎片时，观察到的只有标准模型中的 25 种粒子。除此之外，一无所获。

任何“新物理”——即超越已知范畴的粒子或力——的缺席引发了一场危机。那个 2012 年的秋天，粒子物理学家米哈伊尔·希夫曼（Mikhail Shifman）告诉我：“这当然令人失望。我们不是神，也不是先知。在缺乏实验数据引导的情况下，你如何揣摩自然的奥秘？”

一旦关于层级问题的标准推理被证明是错误的，新物理可能出现在何处就无从知晓了。它很可能存在于实验无法企及的地方。粒子物理学家里亚当·法尔科夫斯基（Adam Falkowski）当时向我预言，如果没有办法寻找更重的粒子，这个领域将经历一场缓慢的衰败：“粒子物理学的工作岗位将稳步减少，粒子物理学家将自然消亡。”

这场危机及其余波促成了多年来许多有趣的报道。但正如预料的那样，与粒子物理相关的科学新闻频率逐渐降低。我与信源失去了联系。13 年多后的今天，在《量子杂志》的新系列随笔“感质（Qualia）”的第一篇专栏中，我正在进行盘点。粒子物理学是否正像法尔科夫斯基预言的那样走向死亡？新物理还能被找到吗？粒子物理学家的未来何在？人工智能会有所帮助吗？在寻找宇宙众多未解之谜答案的过程中，还剩多少希望？

一些粒子物理学家的表现就好像根本没有危机一样。大型强子对撞机仍在运行，并计划至少再运行十年，其运营者正在寻找新的动力源泉。

在过去的几年里，对撞机的数据处理随着人工智能（AI）的使用而得到了改善。模式识别系统可以梳理质子碰撞喷射出的碎片，并比人工算法更准确地对碰撞事件进行分类。这有助于物理学家更精确地测量“散射振幅”——本质上是不同粒子相互作用发生的概率。例如，AI 系统可以更精确地确定碰撞后产生的顶夸克与底夸克的比例。任何与标准模型预测的统计偏差，都可能意味着未知基本粒子的参与。

2012 年欧洲核子研究中心（CERN）紧凑缪子线圈（CMS）记录的质子-质子碰撞显示了希格斯玻色子衰变的证据。CMS Collaboration; Mc Cauley, Thomas

像希格斯玻色子那样沉重的新粒子不会表现得如此微妙；它们本该以数据图上显著突起的“峰值”形式出现。但正如哈佛大学附属粒子物理学家马特·斯特拉斯勒（Matt Strassler）向我解释的那样，较轻的新粒子痕迹可能仍隐藏在数据中所谓的“隐藏谷（hidden valleys）”里。他说：“那里有巨大的未开发领地。”例如，可能存在一种不稳定的暗物质粒子，它通过偶尔出现并立即衰变成过量的“缪子-反缪子”对而留下痕迹。检测到这种过量将间接指向该不稳定粒子的存在。斯特拉斯勒说：“对于那些认为所有新物理都在高能标下的人来说，他们现在非常失望。我不持有这种观点。大自然有很多机会在低能标下提供线索。”

然而到目前为止，尚未检测到此类新物理的间接证据。大型强子对撞机的统计数据越精确，它们与标准模型的吻合度就越高。欧洲核子研究中心（大型强子对撞机所在地）的粒子物理学家米开朗基罗·曼加诺（Michelangelo Mangano）表示，今天的对撞机就像一个探索标准模型预测的工具，他认为这种探索是值得的，因为并非所有方程的结果都易于计算。曼加诺说，寻找超越标准模型的新物理的工作仍在继续，“它没有给出阳性结果的事实并不意味着我们停滞不前、死路一条或在浪费时间。”

这些问题是如此根本，以至于既然我们拥有完成这项工作的工具，那么搞清楚每一个振幅并检查每一个隐藏谷当然是值得的。但对于新物理的猎人来说，游戏就在此终结了吗？

整个界群希望追求更大的目标。欧洲核子研究中心的物理学家希望建造“未来环形对撞机（FCC）”，在法瑞边境地下挖掘一条 91 公里长的隧道，将大型强子对撞机的周长增加到原来的三倍，以便探测更高的能量并寻找更微弱的信号。这个 FCC 最初将进行电子对撞。与质子不同，电子本身就是基本粒子，没有内部结构。它们纯净的碰撞可以实现对散射振幅更精确的测量，使 FCC 对新物理的间接迹象具有超高灵敏度。到本世纪末，这座巨型对撞机将升级为像现在的大型强子对撞机一样的质子对撞。质子碰撞更为混乱，但在 FCC 上，它们将达到前所未有的能量——大约是目前大型强子对撞机能量的七倍——因此，它们有一线希望（尽管很渺茫）揭示超出大型强子对撞机能力范围的重粒子。（理论上，粒子质量的范围可能比大型强子对撞机能量标尺直接产生的质量大一百万亿倍，所以没有理由期望它们就在下一个拐弯处出现。）

截至目前，FCC 的命运仍未可知；成员国的正式批准和资金承诺要到 2028 年之后才会给出。

与此同时，美国粒子物理学家正计划通过建造一种全新类型的机器来补充欧洲的战略：缪子对撞机。缪子和电子一样是基本粒子，但质量是电子的 200 倍，因此它们的碰撞既纯净又高能（尽管达不到大型强子对撞机的碰撞能量）。这种新型机器的卖点和挑战都在于它需要重大的技术创新（这能带来各种衍生潜力），因为缪子高度不稳定。它们必须在产生后的几微秒内被加速并进行碰撞。

在获得联邦资助的情况下，论证该技术并建造对撞机大约需要 30 年。加州理工学院物理教授、2025 年 6 月出台的一份支持缪子对撞机计划的国家报告的委员会共同主席玛丽亚·斯皮罗普卢（Maria Spiropulu）说：“我们必须弄清楚如何在 100 亿到 200 亿美元之间完成它。”在未来几年里，美国能源部将权衡是否资助该提案，而非其他竞争性的科学项目。不利于该项目的一点是它缺乏“发现保证”——这是大型强子对撞机凭借希格斯玻色子曾拥有的优势。

在 2018 年开始的“第二次长期停机”期间，科学家和技术人员检查并升级了大型强子对撞机的系统。Maximilien Brice/CERN

话又说回来，正如数学物理学家彼得·沃特（Peter Woit）在他的博客上思索的那样：“或许在我们这个由万亿富翁科技大佬控制的新世界秩序中，融资将不再是问题。”

有人告诉我，关于中国超级对撞机的讨论目前尚无定论。相反，中国决定追求“超级陶-粲装置（STCF）”：一种能量较低的粒子散射实验，耗资仅为数亿美元而非数百亿。该设施将产生大量的陶轻子（tau particles）和粲夸克（charm quarks），部分是为了研究陶轻子是否会“变身”为缪子或电子。标准模型并未预测这种转换，但在一些理论扩展中确实会发生。

好吧，我们不妨检查一下。我们对新物理充满了渴望，而且这个价格很划算。但从定义上讲，很难知道哪些“暗室寻物”是值得一试的。

亚当·法尔科夫斯基曾在 2012 年敲响粒子物理学的丧钟，他曾因在博客 Résonaances 上发表犀利评论而闻名。但这位常驻巴黎的粒子物理学家自 2022 年以来就没有发布过任何内容。他说，部分原因是他忙于为人父，部分原因是没有什么可说的。

当我们进行视频通话叙旧时，法尔科夫斯基告诉我：“我对未来的对撞机持非常怀疑的态度。对我来说，很难对此感到兴奋。”他看到了欧洲核子研究中心 FCC 运动背后的势头，但他个人担心巨大的成本和时间尺度，以及“绝对没有任何迹象表明在下一代对撞机的量程内存在某种东西”。

法尔科夫斯基转而投入到了散射振幅的理论研究中，这是一个不断增长的研究领域，专注于粒子相互作用统计背后的几何模式，这些模式可能指向通往量子世界更真实视角的途径。该领域寻求用不同的数学语言重新构建粒子物理学方程，希望这种语言能够延伸到量子引力。法尔科夫斯基说：“在试图理解物理理论结构方面有一个非常充满活力的计划。希望在机器学习的帮助下，未来几年能取得非常快速的进展。我认为那是最好的事情发生的地方。”

但“振幅学（amplitudeology）”——正如该领域所称——是抽象的，它不是那种撞击原子的实验。法尔科夫斯基说他确实认为实验粒子物理学正在走向死亡。他目睹了才华横溢的博士后转投其他研究领域或从事数据科学工作。他说：“我不确定他们是否像以前那样能招揽到最顶尖的人才，因为回报的前景太遥远了。如果你现在想改变世界，你会去做 AI，去做一些不同于粒子物理的事情。”

大型强子对撞机的 ALICE（大型离子对撞机实验）探测器，旨在研究夸克-胶子等离子体。CERN, Julien Marius Ordan/Science Source

这种人才流失似乎是真实存在的。我采访了 Anthropic 公司的联合创始人杰瑞德·卡普兰（Jared Kaplan），该公司是聊天机器人 Claude 的开发者。上次我们交流时他还是个物理学家。作为 2000 年代哈佛大学的研究生，他曾与著名理论家尼马·阿尔卡尼-哈梅德（Nima Arkani-Hamed）合作，开辟了当今活跃追求的振幅研究新方向。但卡普兰在 2019 年离开了这个领域。他说：“我开始从事 AI 工作，因为在我看来……AI 取得进步的速度似乎将比历史上几乎任何科学领域都要快。”AI 将是“我们有生之年发生的最重要的事情，也许是科学史上最重要的事情之一。所以我觉得去研究它是理所当然的。”

至于粒子物理学的未来，在卡普兰看来，现在担心它毫无意义。他说：“我认为我们在 10 年尺度上规划什么都有点无关紧要，因为如果我们 10 年后建造对撞机，AI 将建造对撞机，人类不会建造它。我认为有 50% 的可能性在两三年内，理论物理学家大部分会被 AI 取代。像尼马·阿尔卡尼-哈梅德或爱德华·威滕这样才华横溢的人，AI 将非常自主地生成和他们写的一样好的论文。……所以规划这几年尺度之外的事情并不是我真正考虑的事情。”

欧洲核子研究中心理论组的博士后研究员卡里·塞萨罗蒂（Cari Cesarotti）对这种未来持怀疑态度。她注意到了聊天机器人的错误，以及它们如何成为了物理系学生过度依赖的拐杖。她说：“AI 正在让人们在物理学方面变得更糟。我们需要的是人类去阅读教科书，坐下来思考层级问题的全新解决方案。”

希格斯玻色子发现时，塞萨罗蒂还是个高二学生。她在费米实验室附近长大，那是位于伊利诺伊州的美国国家实验室，拥有万亿电子伏特加速器（Tevatron），在大型强子对撞机出现之前，它是世界上能量最高的粒子对撞机。（顶夸克于 1995 年在那里被发现。）这种地理上的接近教会了她：粒子物理学家是可以成为的一种职业。后来，这成了她毕生的事业。她告诉我：“宇宙的基本组成部分是什么——这些是我最感兴趣知道答案的问题。但人们说，‘粒子物理学已经死了，别干这个。’”

这可能是一个诚恳的警告；作为一名冉冉升起的粒子物理学家，塞萨罗蒂尚未获得一份永久教职。她和其他人表示，随着招聘委员会和研究生转向其他方向，这个子领域一直在萎缩。她说：“当然，所有这些‘没有什么可发现的，你应该放弃它’的论调——人们听进去了。这当然意味着人越来越少。这成了一个自我实现的预言。如果你把所有这些才华横溢、试图解决这些问题的人推向一个更容易产生影响的领域，那么你就在自寻失败。”

塞萨罗蒂呼应了我从其他人那里听到的情绪，这在我听来也是正确的：“粒子物理学并没有死，它只是变难了。”很难知道该思考什么或寻找什么。但最忠诚的粒子物理学家依然在思考和寻找。

斯特拉斯勒说：“在过去的 125 年里，这很容易。一件事引向下一件事。那个幸运的世纪至少在中短期内已经结束了。这可能在明天改变，或者下个世纪改变，谁知道呢。”

理论上，轻质新粒子的迹象可能会出现在大型强子对撞机或其他实验中。斯特拉斯勒对放射性钍-229 衰变的研究特别兴奋，这可能会揭示基本常数的变化。我个人则略微偏向于寻找“轴子（axions）”的实验，轴子是暗物质的候选者，它们非常轻，以至于表现得有点像光。

在理论方面，层级问题的一个显而易见的解决方案可能会自然地从散射振幅背后的几何中脱颖而出。或者，如果卡普兰是对的，AI 系统总有一天会就标准模型的 25 种粒子如何融入一个更全面的模式提出强有力的新想法——这是危机开始时我未曾预见到的可能性。

显然，粒子物理学向真理迈进的进一步努力仍是可能的。但这里没有“发现保证”。我已经思考了 13 年多，这依然是一个令人不安的前景：我们所能收集到的关于自然基本定律和组成部分的所有实证线索，可能已经全部掌握在手中。宇宙可能打算保守它剩下的秘密。

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重要术语翻译对照表

英文术语	中文翻译	说明
Large Hadron Collider (LHC)	大型强子对撞机	位于 CERN 的世界最大粒子加速器。
Higgs boson	希格斯玻色子	赋予其他基本粒子质量的粒子，被称为“上帝粒子”。
Standard Model	标准模型	描述基本粒子及其相互作用（强、弱、电磁力）的理论框架。
Dark matter	暗物质	一种不发光、不反射光的神秘物质，占宇宙质量的绝大部分。
Hierarchy problem	层级问题	涉及希格斯质量与引力能标（普朗克尺度）之间巨大差异的物理难题。
Planck scale	普朗克能标	量子引力效应变得显著的能量尺度，约为 $10^{19}$ GeV。
Scattering amplitude	散射振幅	量子场论中计算粒子相互作用概率的基本物理量。
Future Circular Collider (FCC)	未来环形对撞机	CERN 提议建造的下一代超级对撞机，周长约 91 公里。
Muon collider	缪子对撞机	使用缪子（电子的重“亲戚”）进行高能对撞的实验构想。
Amplitudeology	振幅学	物理学的一个新兴领域，研究散射振幅背后的数学和几何结构。
Super-tau-charm facility (STCF)	超级陶-粲装置	旨在研究陶轻子和粲夸克物理特性的高亮度加速器。
Hidden valleys	隐藏谷	一类理论模型，预测存在一类与标准模型相互作用极弱的轻粒子。
Discovery guarantee	“发现保证”	物理学家用来形容确定能在某个能量范围内发现新物理的信心。
Tau particle	陶轻子	一种不稳定的基本粒子，比缪子更重，属于轻子家族。
Charm quark	粲夸克	标准模型中的一种夸克，属于第二代。