为 了 重 新 认 识 物 质 世 界 ， 史 上 最 大 型 的 科 学 仪 器 是 如 何 建 成 的 ？

从 提 出 概 念 到 具 体 实 行 ， 兰 道 尔 这 部 富 有 信 服 力 的 著 作 细 致 地 讨 论 了 大 型 强 子 对 撞 机 （LHC） 的 建 成 历 程 、 它 所 历 经 过 的 磨 难 ， 带 领 我 们 走 过 了 一 段 大 型 强 子 对 撞 机 尺 度 之 下 的 宏 伟 的 科 学 之 旅 。——《 自 然 》 作 者 简 介 ： 丽 莎 · 兰 道 尔 ： 国 际 理 论 物 理 学 权 威 ， 粒 子 物 理 学 、 弦 理 论 、 宇 宙 学 专 家 。 当 今 全 球 最 权 威 的 额 外 维 度 物 理 学 家 。 挑 战 爱 因 斯 坦 ， 9 年 实 验 首 度 提 出 第 五 维 空 间 ， 震 惊 全 球 物 理 界 。 普 林 斯 顿 大 学 物 理 系 第 一 位 女 性 终 身 教 授 ， 哈 佛 大 学 、 麻 省 理 工 学 院 第 一 位 女 性 理 论 物 理 学 终 身 教 授 。《 时 代 周 刊 》“ 100 位 最 具 影 响 力 人 物 ” 之 一 ，《 纽 约 时 报 》 超 级 畅 销 书 作 家 ， 并 登 上 《 时 尚 》 杂 志 封 面 。 书 籍 摘 录 ： 希 格 斯 玻 色 子 只 是 大 型 强 子 对 撞 机 所 能 发 现 物 质 的 冰 山 一 隅 。 希 格 斯 玻 色 子 与 其 他 发 现 一 样 有 趣 ， 它 并 非 大 型 强 子 对 撞 机 实 验 的 唯 一 搜 寻 目 标 。 可 能 研 究 弱 尺 度 最 主 要 的 原 因 是 没 有 人 认 为 希 格 斯 玻 色 子 是 遗 留 的 唯 一 问 题 。 物 理 学 家 期 望 希 格 斯 玻 色 子 只 是 一 个 有 着 更 多 内 涵 的 模 型 中 的 一 个 元 素 ， 而 该 模 型 可 能 告 诉 我 们 关 于 物 质 乃 至 时 空 本 身 更 多 的 性 质 。 因 为 只 存 在 希 格 斯 玻 色 子 而 没 有 其 他 新 元 素 导 致 了 另 一 个 巨 大 的 谜 团 ， 即 所 谓 的 等 级 问 题 。 等 级 问 题 关 心 的 是 ， 为 什 么 粒 子 的 质 量 （ 特 别 是 希 格 斯 粒 子 的 质 量 ） 是 其 实 际 所 具 有 的 那 个 数 值 。 决 定 基 本 粒 子 质 量 的 弱 能 量 标 度 是 另 一 个 质 量 标 度 — 决 定 引 力 强 度 的 普 朗 克 质 量 的 一 亿 亿 分 之 一 。 粒 子 物 理 学 等 级 问 题 ： 弱 能 量 标 度 比 与 引 力 相 关 的 普 朗 克 能 标 小 16 个 数 量 级 。 普 朗 克 长 度 相 应 地 比 大 型 强 子 对 撞 机 可 以 探 测 的 尺 度 小 得 多 。 普 朗 克 质 量 与 弱 作 用 的 质 量 标 度 相 差 如 此 巨 大 ， 这 是 引 力 如 此 微 弱 的 原 因 。 引 力 相 互 作 用 依 赖 于 普 朗 克 质 量 的 倒 数 。 如 果 普 朗 克 质 量 如 我 们 所 知 的 那 样 巨 大 ， 引 力 必 然 极 其 微 弱 。 事 实 上 ， 引 力 是 迄 今 为 止 人 们 所 知 道 的 最 弱 的 相 互 作 用 力 。 引 力 之 所 以 看 起 来 没 有 那 么 微 弱 ， 是 因 为 整 个 地 球 的 质 量 都 在 吸 引 着 你 。 如 果 你 换 位 思 考 ， 两 个 电 子 之 间 的 引 力 ， 你 会 发 现 它 们 之 间 的 电 磁 力 比 引 力 大 了 43 个 数 量 级 。 也 就 是 说 ， 电 磁 力 的 大 小 胜 过 引 力 一 千 亿 亿 亿 亿 亿 倍 。 引 力 对 于 基 本 粒 子 的 效 应 完 全 可 以 忽 略 不 计 。 等 级 问 题 考 虑 的 是 ： 为 什 么 引 力 比 其 他 我 们 所 知 的 基 本 相 互 作 用 力 微 弱 了 如 此 之 多 ？ 粒 子 物 理 学 家 不 喜 欢 解 释 大 数 字 ， 比 如 普 朗 克 质 量 与 弱 作 用 质 量 之 比 。 但 是 该 问 题 比 仅 从 审 美 的 角 度 反 对 神 秘 的 大 数 字 来 得 严 重 。 根 据 量 子 场 论 （ 将 量 子 力 学 与 狭 义 相 对 论 结 合 起 来 的 理 论 ）， 这 里 不 应 该 有 任 何 差 别 。 解 决 等 级 问 题 的 紧 迫 性 至 少 对 所 有 理 论 物 理 学 家 来 说 都 是 心 照 不 宣 的 。 而 量 子 场 论 却 表 明 弱 质 量 与 普 朗 克 质 量 应 该 相 差 无 几 。 在 量 子 场 论 中 ， 普 朗 克 能 标 具 有 重 要 意 义 。 不 仅 因 为 在 该 能 标 上 引 力 变 得 极 强 ， 而 且 因 为 在 此 能 标 上 引 力 与 量 子 力 学 都 是 至 关 重 要 的 ， 而 我 们 已 知 的 物 理 定 律 都 失 效 了 。 然 而 ， 在 低 能 标 时 ， 我 们 知 道 如 何 使 用 量 子 场 论 进 行 粒 子 物 理 学 计 算 ， 而 量 子 场 论 也 做 了 很 多 成 功 的 预 测 ， 让 物 理 学 家 们 相 信 它 是 正 确 的 。 实 际 上 ， 所 有 科 学 领 域 中 测 量 值 与 预 言 值 符 合 得 最 好 的 结 果 ， 也 是 来 自 量 子 场 论 。 这 样 的 一 致 性 绝 非 出 于 偶 然 。 然 而 ， 当 我 们 将 相 同 原 理 应 用 于 结 合 量 子 力 学 的 虚 粒 子 贡 献 ， 给 出 希 格 斯 质 量 时 ， 结 果 却 是 出 人 意 料 地 混 乱 。 理 论 中 任 何 粒 子 的 虚 效 应 看 似 可 以 给 出 希 格 斯 粒 子 一 个 与 普 朗 克 质 量 相 当 的 质 量 。 在 这 种 情 形 下 ， 弱 相 互 作 用 所 伴 随 的 对 称 性 自 发 破 缺 的 能 标 也 将 是 普 朗 克 能 标 ， 也 即 比 现 在 实 验 能 达 到 的 能 标 高 16 个 数 量 级 （ 一 亿 亿 倍 ）。 我 们 认 为 不 同 质 量 标 度 之 间 差 别 的 等 级 问 题 ， 暗 示 了 一 个 更 大 更 好 的 基 本 理 论 。 看 起 来 没 有 一 个 简 单 的 模 型 可 以 完 全 给 出 该 问 题 的 答 案 。 唯 一 有 希 望 的 方 案 是 将 标 准 模 型 扩 展 ， 使 其 包 含 一 些 显 著 的 性 质 。 我 和 拉 曼 · 桑 卓 姆 找 到 了 一 种 看 起 来 更 好 的 解 答 方 法 — 大 多 数 物 理 学 家 都 会 同 意 其 更 有 可 能 在 自 然 中 存 在 的 方 法 。 请 注 意 ， 这 并 不 意 味 着 大 多 数 物 理 学 家 都 认 为 它 是 对 的 。 许 多 人 怀 疑 是 否 真 的 有 人 可 以 如 此 幸 运 ， 能 正 确 预 言 大 型 强 子 对 撞 机 将 揭 示 的 东 西 ， 或 者 能 给 出 一 个 无 须 更 多 实 验 证 据 的 、 完 全 正 确 的 模 型 。 但 是 作 为 一 个 占 尽 先 机 的 想 法 ， 它 很 可 能 是 正 确 的 ， 并 且 与 许 多 好 的 模 型 一 样 呈 现 出 清 晰 的 策 略 ， 使 得 理 论 物 理 学 家 和 实 验 物 理 学 家 可 以 更 全 面 地 开 发 大 型 强 子 对 撞 机 的 可 能 性 ， 甚 至 可 能 发 现 该 方 法 的 证 明 。 我 和 桑 卓 姆 所 提 的 模 型 只 涉 及 一 个 额 外 维 度 ， 它 的 尺 度 不 必 很 大 ， 因 此 没 有 引 入 新 的 涉 及 该 维 度 尺 度 的 等 级 。 与 大 额 外 维 度 的 情 景 相 反 ， 宇 宙 的 演 化 自 动 与 最 近 的 宇 宙 观 测 相 符 。 虽 然 我 们 的 注 意 力 只 在 这 个 单 一 的 新 维 度 上 面 ， 但 是 空 间 的 其 他 附 加 维 度 还 是 可 能 存 在 的 。 但 是 在 我 们 的 情 景 中 ， 在 解 释 粒 子 性 质 时 ， 它 们 没 有 发 挥 可 以 让 人 察 觉 的 作 用 。 因 此 当 我 们 探 究 等 级 问 题 的 答 案 时 ， 为 了 配 合 有 效 理 论 的 方 法 ， 可 以 合 理 地 忽 略 这 些 维 度 ， 而 只 关 注 单 一 额 外 维 度 的 效 用 。 如 果 我 与 桑 卓 姆 的 想 法 是 正 确 的 话 ， 那 么 大 型 强 子 对 撞 机 很 快 就 将 给 出 关 于 时 空 本 质 令 人 目 眩 的 性 质 。 原 来 ， 我 们 所 假 设 的 宇 宙 是 高 度 弯 曲 的 ， 这 与 爱 因 斯 坦 提 出 的 出 现 了 物 质 与 能 量 的 时 空 的 情 形 相 符 。 其 意 思 是 ， 我 们 从 爱 因 斯 坦 方 程 导 出 的 几 何 是 “ 弯 曲 ” 的 （ 这 确 实 是 一 个 预 先 存 在 的 术 语 ）。 这 意 味 着 空 间 与 时 间 沿 着 我 们 感 兴 趣 的 那 个 单 一 额 外 维 度 的 变 化 而 发 生 改 变 。 它 改 变 的 方 式 是 ： 当 你 从 额 外 维 度 的 一 个 位 置 移 动 到 另 一 个 位 置 时 ， 时 空 以 及 质 量 、 能 量 都 发 生 放 缩 。 另 一 种 理 解 弯 曲 几 何 解 决 了 等 级 问 题 的 方 法 是 通 过 几 何 本 身 。 当 你 从 一 张 膜 移 动 到 另 一 张 膜 上 时 ， 空 间 、 时 间 、 能 量 与 质 量 都 按 照 指 数 函 数 缩 放 。 在 这 种 情 景 中 ， 希 格 斯 质 量 是 将 普 朗 克 质 量 按 指 数 函 数 缩 小 ， 这 种 解 释 是 非 常 自 然 的 。 弯 曲 时 空 几 何 的 一 个 重 要 结 果 是 ， 虽 然 希 格 斯 粒 子 质 量 在 额 外 维 度 的 其 他 位 置 上 变 得 很 重 ， 但 是 它 在 我 们 所 处 的 位 置 上 将 具 有 弱 尺 度 质 量 （ 和 应 该 表 现 出 的 质 量 完 全 一 致 ）。 可 能 这 听 起 来 具 有 任 意 性 ， 其 实 不 然 。 根 据 我 们 的 情 景 ， 我 们 生 活 在 一 张 膜 ， 即 弱 膜 上 ， 而 第 二 张 膜 （ 引 力 所 聚 集 的 膜 ） 称 为 引 力 膜 ， 或 者 有 些 物 理 学 家 也 把 它 称 为 普 朗 克 膜 。 这 张 膜 包 含 另 一 个 从 额 外 维 度 来 看 与 我 们 隔 离 开 来 的 宇 宙 。 在 这 种 情 景 中 ， 第 二 张 膜 可 能 实 际 上 就 恰 好 跟 我 们 相 邻 ， 只 与 我 们 相 隔 一 个 无 穷 小 的 距 离 — 比 如 一 亿 亿 亿 亿 分 之 一 米 。 兰 道 尔 - 桑 卓 姆 模 型 包 含 两 张 膜 ， 它 们 限 制 了 第 四 维 度 空 间 （ 时 空 的 第 五 维 度 ）。 在 该 维 度 空 间 中 ， 引 力 子 波 函 数