序幕

喬安妮·休伊特感到有點(diǎn)暈眩。她在對著攝像機(jī)鏡頭興高采烈地說話時，臉上總是洋溢著燦爛的笑容。此刻，出席舊金山瑞士領(lǐng)事館聚會的人們正沉浸在一派喧鬧聲中。這個聚會是為慶祝大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）第一次在地下的機(jī)器隧道內(nèi)成功實(shí)現(xiàn)質(zhì)子循環(huán)而舉辦的。位于日內(nèi)瓦郊外法國瑞士邊境的這臺強(qiáng)子對撞機(jī)是一臺巨大的粒子加速器，其目標(biāo)是要揭開宇宙的秘密。香檳四溢，沒人驚奇。喬安妮提高了嗓門強(qiáng)調(diào)到：為了這一天我已經(jīng)等了25年了。

這是一個重要時刻。在2008年的這一時刻，粒子物理學(xué)家們終于實(shí)現(xiàn)了他們長期堅(jiān)守的夢想為了邁出下一大步，他們需要建造一臺能夠讓質(zhì)子以巨大能量相互對撞而粉碎的巨型粒子加速器。那會兒他們曾認(rèn)為美國會建一個這樣的裝置。但事情并沒有如預(yù)期的那樣發(fā)生。1983年，休伊特剛開始讀研究生，當(dāng)時美國國會首次同意在得克薩斯州建造超導(dǎo)超級對撞機(jī)（SSC）。原計(jì)劃這臺機(jī)器將在2000年以前開始運(yùn)行，它將是當(dāng)時世界上建造的最大的對撞機(jī)。她，像她那個時代的大多數(shù)充滿朝氣雄心勃勃的物理學(xué)家一樣，相信在這臺裝置上的發(fā)現(xiàn)能夠奠定他們的研究生涯的基礎(chǔ)。

但是，SSC被取消了，物理學(xué)家們指望改變未來幾十年研究領(lǐng)域面貌的平臺被人拆了。政治、官僚主義和內(nèi)斗處處擋道�，F(xiàn)在的LHC，在很多方面都與SSC非常相似，經(jīng)過長時間的等待后終于要進(jìn)行第一次運(yùn)行了。休伊特和她的同事們早已經(jīng)準(zhǔn)備就緒。在過去的25年里，我所做的事情就是對提出的每一種新的瘋狂的理論進(jìn)行分析，計(jì)算它們在SSC或LHC上的印跡（即我們?nèi)绾握J(rèn)定新的粒子），她說。

讓休伊特感到暈眩的還有另一個更為私密的原因。在視頻中，她的一頭紅發(fā)剪得很短，幾乎是平頭。這不是時尚的選擇。在那年的早些時候，她被診斷出罹患惡性乳腺癌，治愈的機(jī)會大約只有五分之一。她選擇了一種非常積極的治療方案：痛苦的化療加簡直是無窮無盡的手術(shù)。她那標(biāo)志性的、以前一直垂到腰際的紅色秀發(fā)很快消失了。很多時候，她對困境付之一笑，安之若素，始終保持著高昂的精神狀態(tài)積極思考在LHC上能發(fā)現(xiàn)什么新粒子。

作為朋友和同事，我和喬安妮彼此已相識多年。我自己的專長主要在宇宙學(xué)，對宇宙做整體研究，這一領(lǐng)域近年來可謂處于新數(shù)據(jù)和驚人發(fā)現(xiàn)勃發(fā)的黃金年代。粒子物理學(xué)，這個已經(jīng)變得與宇宙學(xué)密不可分的知識領(lǐng)域，正渴望著新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以便能顛覆現(xiàn)有的理論狀態(tài)，引領(lǐng)我們進(jìn)入到一種新的設(shè)想。這種壓力已經(jīng)持續(xù)了很長時間。聚會上的另一位物理學(xué)家，華盛頓大學(xué)的戈登·沃茨，被問到長時間期盼著LHC是不是一直很緊張。那是肯定的。你看我這里的頭發(fā)都灰白了。我妻子說那是因?yàn)槲覀兒⒆拥木壒�，但�?shí)際上確實(shí)是因?yàn)長HC。

粒子物理學(xué)家站在了一個新的時代的邊緣，在這個新時代里，有些理論將被淘汰，而另一些理論則變得值得投錢。聚會中的每一位物理學(xué)家都有他們自己鐘愛的模型希格斯玻色子、超對稱、彩色、額外維、暗物質(zhì)，以及一大堆奇思怪想的概念和夢幻般的推想。

我希望LHC發(fā)現(xiàn)的不是上面的任何一種，休伊特?zé)崆榈卣f道。我確實(shí)認(rèn)為它會帶來驚喜，因?yàn)槲艺J(rèn)為大自然要比我們聰明，她為我們準(zhǔn)備了驚喜，我們得好好花時間來搞清楚這一切，那將是巨大的進(jìn)步！

那是在2008年�；氐�2012年，舊金山的那場為慶祝LHC落成的聚會已經(jīng)結(jié)束，做出新發(fā)現(xiàn)的新紀(jì)元已正式開始。休伊特的頭發(fā)長起來了。治療雖然痛苦，但似乎很管用。她的整個職業(yè)生涯中一直期待著的實(shí)驗(yàn)正在創(chuàng)造歷史。經(jīng)過二十五年的理論打磨，她的想法終于等到了用真實(shí)數(shù)據(jù)一些迄今為止我們從來不曾見過的粒子和相互作用進(jìn)行檢驗(yàn)的時刻，那是大自然一直藏著不肯輕易示人的驚喜。

鏡頭拉回到2012年7月4日國際高能物理會議開幕的當(dāng)日。這是一個每兩年一屆的會議，在不同年份由世界上各個不同的城市輪流舉辦，這一年輪到了澳大利亞的墨爾本。包括休伊特在內(nèi)的好幾百位粒子物理學(xué)家正濟(jì)濟(jì)一堂，在主會場聆聽一場特殊的研討會。建造LHC的所有投資，機(jī)器運(yùn)行期間的所有期待，就要在此時得到回報(bào)了。

研討會在日內(nèi)瓦歐洲核子研究中心（CERN）的LHC實(shí)驗(yàn)室和墨爾本同時舉行。有兩場報(bào)告會，作為大會議程的一部分通常應(yīng)在墨爾本主會場舉行。但在最后時刻，大會決定，宣布新發(fā)現(xiàn)的那一刻應(yīng)當(dāng)與為實(shí)現(xiàn)LHC成功的很多貢獻(xiàn)者共同分享。這一決定得到稱贊CERN的數(shù)百位物理學(xué)家在預(yù)定于日內(nèi)瓦時間上午9點(diǎn)開始的會議之前已經(jīng)等候幾個小時，他們露營排隊(duì)，在睡袋里熬了一夜，就是為了能占個好座位。

CERN的總干事羅爾夫霍伊爾（Rolf Heuer）介紹了會議議程。在兩個主要實(shí)驗(yàn)中從事LHC數(shù)據(jù)收集和分析的兩個實(shí)驗(yàn)組各做一個報(bào)告。第一個報(bào)告由美國物理學(xué)家喬印坎德拉（Joe Incandela）代表CMS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組來做，第二個報(bào)告由意大利物理學(xué)家法比奧拉詹諾蒂（Fabiola Gianotti）代表ATLAS聯(lián)合實(shí)驗(yàn)組給出。兩個實(shí)驗(yàn)有超過3000名物理學(xué)家參與，其中大部分人的工作是在散布世界各地的實(shí)驗(yàn)室的電腦上進(jìn)行的。整個實(shí)驗(yàn)過程通過網(wǎng)絡(luò)直播，不僅傳往墨爾本，而且傳向全世界任何一個關(guān)心這一實(shí)驗(yàn)的人都可以實(shí)時聽到結(jié)果。這種傳播方式正適合進(jìn)行這次現(xiàn)代大科學(xué)的慶�；顒痈呖萍紘�際合作與大賭注結(jié)合產(chǎn)生出令人振奮的回報(bào)。

詹諾蒂和印坎德拉在做報(bào)告時明顯顯得神情緊張，但結(jié)果的展示已說明一切。兩人對使實(shí)驗(yàn)成功的各位工程師和科學(xué)家表示衷心的感謝。然后，他們不約而同地將報(bào)告重點(diǎn)轉(zhuǎn)向說明為什么我們應(yīng)該相信他們目前的結(jié)果。他們解釋了各自的機(jī)器是如何工作的，數(shù)據(jù)的分析為什么是準(zhǔn)確和可靠的。在這一切精心的鋪墊完成之后，他們告訴我們他們已經(jīng)找到了要找的東西。

事實(shí)擺在那兒。幾張圖，在未經(jīng)物理學(xué)訓(xùn)練的人看來似乎并沒有太多區(qū)別，但它們都具有一致的特征：出現(xiàn)了比特定能量下所預(yù)期的事件數(shù)更多的事件（從一次碰撞中得到的粒子流的集合）。所有在場的物理學(xué)家立刻就知道這意味著什么：一個新粒子。LHC瞥見了大自然以前從未顯露過的一部分。印坎德拉和詹諾蒂經(jīng)過細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析，將真正的發(fā)現(xiàn)從紛繁的統(tǒng)計(jì)漲落中挑選出來，兩種實(shí)驗(yàn)情形下的結(jié)果毫不含糊地表明：結(jié)果是真實(shí)的。

掌聲。在日內(nèi)瓦、墨爾本和世界的其他地方。數(shù)據(jù)是如此精確和清晰，甚至連許多從事實(shí)驗(yàn)多年的行家們都對此感到吃驚。威爾士物理學(xué)家林恩·埃文斯（Lyn Evans），作為負(fù)責(zé)指導(dǎo)LHC走過崎嶇不平道路直至完成的第一人，在看到兩個實(shí)驗(yàn)如此一致的結(jié)果時就承認(rèn)自己大吃一驚。

我自己那天就在歐洲核子研究中心，扮成一名記者待在主大廳隔壁的記者室。記者通常不對他們報(bào)道的新聞事件報(bào)以掌聲，但此時此刻，濟(jì)濟(jì)一堂的記者們讓情感壓倒性地爆發(fā)了出來。這不只是CERN或物理學(xué)的成功，這是整個人類的成功。

我們認(rèn)為我們知道我們所發(fā)現(xiàn)的東西：一種稱為希格斯玻色子的基本粒子（以最先提出存在這種性質(zhì)的粒子的蘇格蘭物理學(xué)家彼得·希格斯的名字命名）。83歲的希格斯本人正坐在研討會房間里，臉上寫滿了感動：我從來沒有想過今生我會看到這種情況發(fā)生。早在1964年就提出過同樣想法的其他幾位資深物理學(xué)家也出席了會議。一種理論被命名的約定并不總是公平的，但在此刻，每個人都可以參與到慶祝活動中來。

那么什么是希格斯玻色子呢？它是自然界的一種新粒子。它的數(shù)量不是很多，但卻是非常特殊的一種。在現(xiàn)代粒子物理學(xué)里，已知的粒子有3種。有構(gòu)成物質(zhì)的粒子，像電子和夸克，它們構(gòu)成原子，原子又構(gòu)成我們所看到的一切；有傳遞力的粒子，它們傳遞引力、電磁力和核力，并使物質(zhì)粒子結(jié)合在一起；再有就是希格斯子，它單獨(dú)構(gòu)成一類。

希格斯子很重要，不只是因?yàn)樗�是什么，而且是因�(yàn)樗�做什么。希格斯子由彌漫于空間的場產(chǎn)生，這種場稱為希格斯場。宇宙中已知的一切東西在穿越空間時就會在希格斯場中運(yùn)動。希格斯場是永遠(yuǎn)存在的，只不過是潛伏在本底中，我們看不見它�？梢赃@么說：如果沒有希格斯子，電子和夸克就沒有質(zhì)量，變得像光子（傳播光的粒子）。它們本身將以光速運(yùn)動，這樣就不可能形成原子和分子，更談不上形成我們知道的各種生命形態(tài)。在普通物質(zhì)的形成機(jī)制中，希格斯場不是一種主動的角色，但它在本底中的存在至關(guān)重要。如果沒有它，世界將完全是另一副樣子�，F(xiàn)在，我們找到它了。

這里用詞需十分謹(jǐn)慎。我們實(shí)際上掌握的是非常類似于希格斯子的粒子的證據(jù)。它有正確的質(zhì)量，它基本上按我們預(yù)期的方式產(chǎn)生和衰變。但要說我們發(fā)現(xiàn)的肯定就是原始模型所預(yù)言的希格斯子還為時過早。這里面可能還有更復(fù)雜的東西，或者發(fā)現(xiàn)的只是精妙的相關(guān)粒子譜中的一個部分。但我們的確已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了某種新粒子，它的表現(xiàn)就像我們認(rèn)定的希格斯玻色子。因此在本書中，我將2012年7月4日當(dāng)作宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的日子。如果大自然更微妙，那對我們每一個人來說就更好物理學(xué)家就喜歡活在驚喜中。

人們非常希望希格斯子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著粒子物理學(xué)的新時代的開始。我們知道，物理學(xué)的內(nèi)容要比我們目前所了解的更豐富。對希格斯子的研究提供了一個觀察未知世界的新的窗口�，F(xiàn)在，像詹諾蒂和印坎德拉這樣的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家有了新的標(biāo)本可研究，而像休伊特這樣的理論物理學(xué)家則有了新的線索，可以建立起更好的模型。我們對宇宙的理解則邁出了期待已久的一大步。

這是一個關(guān)于一群將畢生奉獻(xiàn)給發(fā)現(xiàn)大自然最終本性的人的故事。希格斯本人就是一個完美的體現(xiàn)。這里有用筆和紙工作的理論家，他們喝著濃咖啡，和同事激烈地爭論，由此推動著在頭腦中形成抽象的概念；有工程師，他們想方設(shè)法讓機(jī)器和電子器件突破現(xiàn)有技術(shù)限制；最關(guān)鍵的當(dāng)然是實(shí)驗(yàn)者，他們將機(jī)器和理論家的想法結(jié)合起來去發(fā)現(xiàn)大自然的一些新的東西�，F(xiàn)代物理學(xué)的前沿研究涉及到耗資數(shù)十億美元的項(xiàng)目，需要幾十年才能完成，因此需要研究者具有非凡的奉獻(xiàn)精神，并愿意冒著高風(fēng)險(xiǎn)去尋找獨(dú)特的回報(bào)。當(dāng)這一切都得以實(shí)現(xiàn)之時，世界就變樣了。

生活真美好。請?jiān)賮硪槐�香檳�?/p>