@forestsheep
2017-04-25T10:33:52.000000Z
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肖恩·卡羅爾博士是加州理工學院的理論物理學家，著有《從永恒到此處》——一本探索時間的終極理論的書。他從哈佛大學獲得博士學位後，一直在研究粒子物理、宇宙學和引力。他是著名物理學博客群“宇宙方差”的創始人之一。肖恩·卡羅爾與妻子作家詹妮弗·維萊泰住在洛杉磯。
喬安妮·休伊特感到有點眩暈。她在對著攝像機鏡頭興高采烈地說話時，臉上總是洋溢著燦爛的笑容。此刻，出席舊金山瑞士領事館聚會的人們正在沈浸在一排喧鬧聲中。這個聚會是為慶祝大型強子對撞機（LHC）第一次在地下的機器隧道內成功實現質子循環而舉辦的。位於日內瓦郊外法國-瑞士邊境的這臺強子對撞機是一臺巨大的粒子加速器，其目標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調到：“為了這一天我們已經等了25年了。”
這是一個重要時刻。在2008年的這一時刻，粒子物理學家們終於實現了他們長期堅守的夢想——為了邁出下一大步，他們需要建造一臺能夠讓質子以巨大能量相互對撞而粉碎的巨型粒子加速器。那會兒他們曾認為美國會建一個這樣的裝置。但事情並沒有如預期的那樣發生。1983年，休伊特剛開始讀研究生，當時美國國會首次統一在得克薩斯州建造超導超級對撞機（SSC）。原計劃這臺機器將在2000年以前開始運行，它將是當時世界上建造的最大的對撞機。她，像她那個時代的大多數充滿朝氣雄心勃勃的物理學家一樣，相信在這臺裝置上的發現能夠奠定他們的研究生涯的基礎。
但是，SSC被取消了，物理學家們指望改變未來幾十年研究領域面貌的平臺被人拆了。政治、官僚主義和內鬥處處擋道。現在的LHC，很多方面都與SSC非常相似，經過長時間的等待後終於要進行第一次運行了。休伊特和她的同事們早已經準備就緒。“在過去的25年裏，我所做的事情就是對提出的每一種新的瘋狂的理論進行分析，計算他們在SSC或LHC上的印記（即我們如何認定新的粒子）”她說。
讓休伊特感到眩暈的還有另一個更為私密的原因。在視頻中，她的一頭紅發剪得很短，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。她那標誌性的、以前一直垂到腰際的紅色秀發很快消失了。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積極思考在LHC上能發現什麽新的粒子。
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，對宇宙做整體研究，這一領域近年來可謂處於新數據和驚人發現勃發的黃金年代。粒子物理學，這個已經變得與宇宙學密不可分的知識領域，正渴望著新的實驗結果，以便能顛覆現有的理論範式，引領我們進入到一種新的設想。這種壓力已經持續了很長時間。聚會上的另一位物理學家，華盛頓大學的戈登·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。你看我這裏的頭發都灰白了。我妻子說那是因為我們孩子的緣故，但實際上確實是因為LHC。”
粒子物理學家站在了一個新的時代的邊緣，在這個新時代裏，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，以及一大堆奇思怪想的概念和夢幻般的推想。
“我希望LHC發現的‘不是上面的任何一種’，”休伊特熱情地說道。“我確實認為它會帶來驚喜，因為我認為大自然要比我們聰明，她為我們準備了驚喜，我們得好好花時間來搞清楚這一切，那將是巨大的進步！”
那是在2008年。回到2012年，舊金山的那場為慶祝LHC落成的聚會已經結束，做出新發現的新紀元已經正式開始。休伊特的頭發長起來了。治療雖然痛苦，但似乎很管用。她的整個職業生涯中一直期待著的實驗正在創造歷史。經過二十五年的理論打磨，她的想法終於等到了用真實數據——一些迄今為止我們從來不曾見過的粒子和相互作用——進行檢驗的時刻，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日。這是一個每兩年一屆的會議，在不用年份由世界上各個不同的城市輪流舉辦，這衣年輪到了澳大利亞的墨爾本。包括休伊特在內的好幾百位粒子物理學家正濟濟一堂，在主會場聆聽一場特殊的研討會。建造LHC的所有投資，機器運行期間的所有期待，就要在此時得到回報了。
研討會在日內瓦歐洲核子研究中心（CERN）的LHC實驗室和墨爾本同時舉行。有兩場報告會，作為大會議程的一部分通常應該在墨爾本主會場舉行。但在最後時刻，大會決定，宣布新發現的那一刻應當與為實現LHC成功的很多貢獻者共同分享。這一決定得到稱讚——CERN的數百位物理學家在預定於日內瓦時間上午9點開始開始的會議之前已經等候了幾個小時，他們露營排隊，在睡袋裡熬了一夜，就是為了能占個好座位。
CERN的總幹事羅爾夫·霍伊爾（Rolf Heuer）介紹了會議議程。在兩個主要實驗中從事LHC數據收集和分析的兩個實驗組個做一個報告。第一個報告由美國物理學家喬·印坎德拉（Joe Incandela）代表CMS聯合實驗組來做，第二個報告由意大利物理學家法比奧拉·詹諾蒂（Fabiola Gianotti）代表ATLAS聯合實驗組給出。兩個實驗有超過3000名物理學家參與，其中大部分人的工作是在散步世界各地的實驗室的電腦上進行的。整個實驗過程通過網絡直播，不僅傳往墨爾本，而且傳向全世界——任何一個關心這一實驗的人都可以試試聽到結果。這種傳播方式正適合進行這次現代大科學的慶祝活動——高科技國際合作與大賭注結合產生出令人振奮的回報。
詹諾蒂和印坎德拉在做報告時明顯顯得神情緊張，但結果的展示已說明一切。兩人對使實驗成功的各位工程師和科學家表示衷心的感謝。然後，他們不約而同地將報告的重點轉向說明為什麼我們應該相信他們目前的結果。他們結識了各自的機器是如何工作的，數據的分析為什麼是準確和可靠的。在這一切精心的鋪墊完成之後，他們告訴我們他們已經找到了要找的東西。
詹諾蒂和印坎德拉在做報告時明顯顯得神情緊張，但結果的展示已說明一切。兩人對使實驗成功的各位工程師和科學家表示衷心的感謝。然後，他們不約而同地將報告的重點轉向說明為什麼我們應該相信他們目前的結果。他們結識了各自的機器是如何工作的，數據的分析為什麼是準確和可靠的。在這一切精心的鋪墊完成之後，他們告訴我們他們已經找到了要找的東西。
事實擺在那兒。幾張圖，在未經物理學訓練的人看來似乎並沒有太多區別，但他們都具有一致的特徵：出現了比特定能量下所預期的事件數更多的事件（從一次碰撞中得到的粒子流的集合）。所有在場的物理學家立刻就知道這意味著什麼：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過細致的統計分析，將真正的發現從紛繁的統計漲落中挑選出來，兩種實驗情形下的結果毫不含糊的表明：結果是真實的。
掌聲。在日內瓦，墨爾本和世界的其他地方。數據是如此精確和清晰，甚至連許多從事實驗多年的行家們都對此感到吃驚。威爾士物理學家林恩·埃文斯（Lyn Evans）,作為負責指導LHC走過崎嶇不平道路直至完成的第一人，在看到兩個實驗如此一致的結果時就承認自己“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導的新聞事件報以掌聲，但此時此刻，濟濟一堂的記者們讓情感壓倒性地爆發出來。這不只是CERN或物理學的成功，這是整個人類的成功。
我們認為我們知道我們所發現的東西：一種稱為“希格斯玻色子”的基本粒子（以最先提出錯在這種性質的粒子的蘇格蘭物理學家彼得·希格斯的名字命名）。83歲的希格斯本人正坐在研討會房間裡，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生。”早在1964年就提出過同樣想法的其他幾位資深物理學家也出席了會議。一種理論被命名的約定並不總是公平的，但在此刻，每個人都可以參與到慶祝活動中來。
那麼什麼是希格斯玻色子呢？他是自然界的一種新粒子。它的數量不是很多，但卻是非常特殊的一種。在現代粒子物理學裡，已知的粒子有3種。有構成物質的粒子，像電子和夸克，他們構成原子，原子又構成我們所看到的一切；有傳遞力的粒子，他們傳遞引力、電磁力、和核力，並使物質粒子結合在一起；再有就是希格斯粒子，它單獨構成一類。
希格斯子很重要，不只是因為它是什麼，而且是因為它做什麼。希格斯子由瀰漫於空間的場產生，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動。希格斯場是永遠存在的，只不過是潛伏在本底中，我們看不見它。可以這麼說：如果沒有希格斯子，電子和夸克就沒有質量，變得像光子（傳播光的粒子）。他們本身將以光速運動，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。在普通物質的形成機制中，希格斯場不是一種主動的角色，但它在本底中的存在至關重要。如果沒有它，世界將完全是另一副樣子。現在，我們找到它了。
這裡用詞需十分謹慎。我們實際上掌握的是非常類似於希格斯子的粒子的證據。它有正確的質量，它基本上按我們預期的方式產生和衰變。但要說我們發現的肯定就是原始模型所預言的希格斯子還為時過早。這裡面可能還有更複雜的東西，或者發現的是精妙的相關粒子譜中的一個部分。但我們的確已經發現了某種新粒子，它的表現就像我們認定的希格斯玻色子。因此在本書中，我將2012年7月4日當作宣布發現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——物理學家就喜歡活在驚喜中。
人們非常希望希格斯子的發現標誌著粒子物理學的新時代的開始。我們知道，物理學的內容要比我們目前所了解得更豐富。對希格斯子的研究提供了一個觀察未知世界的新的窗口。現在，像詹諾蒂和印坎德拉這樣的實驗物理學家有了新的標本可研究，而像休伊特這樣的理論物理學家則有了新的線索，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。
這是一個關於一群將畢生奉獻給發現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。這裡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，他們想法設法讓機器和電子器件突破現有的技術限制；最關鍵的當然是實驗者，他們將機器和理論家的想法結合起來去發現大自然的一些新的東西。現代物理學的前沿研究涉及耗資數十億美元的項目，需要幾十年才能完成，因此需要研究者俱有非凡的奉獻精神，並願意冒著高風險去尋找獨特的回報。當這一切都得以實踐之時，世界就變樣了。
生活真美好。請再來一杯香檳。
在本章裏，我們講述為什麽會有這麽一群睿智而富於獻身精神的人畢生致力於探求小到不可見的東西。
粒子物理學是一種神奇的研究活動。成千上萬的人花費數十億美元建造起橫貫數英裏（1英裏 = 1.609千米）的巨型機器，將亞原子粒子加速到接近光速並發生相互碰撞。所有這一切都是為了發現和研究另一些亞原子粒子。而這些粒子除了在粒子物理學家看來意義重大之外，對任何人的日常生活基本上沒有影響。
這是看待這件事情的一種態度。但這裡要說的是另一種態度：粒子物理學家最純粹地表現出人類對於我們生活其中的這個世界的好奇心。人類一直在探索各種各樣的問題。自兩千年前的古希臘人以來，在試圖弄清楚宇宙運行的基本法則這一點上，人類的探索已經從最初的個體衝動發展為一種系統的全球性努力。粒子物理學家直接產生於我們試圖理解物質世界的渴望。激發我們不斷進行探索的動力不是來自粒子本身，而是來自人類總想弄清楚那些不明白的事情的慾望。
21世紀的最初幾年是一個轉折點。上一次給出的真正令人震驚的實驗結果還是在35年前的20世紀70年代（確切的日期取決於你對“驚喜”的定義）。這不是因為飾演者都在機器前睡著了——事情根本不是那樣。機器的改善這些年裡應該說有了跨越式的發展，問題是實驗者在這個全新的尺度空間裡沒有看到任何我們預料應當看到的東西。對於那些總希望對實驗結果感到驚訝的科學家而言，著非常令人惱火。
換句話說，問題不在於實驗不夠充分，而是理論不太對頭。現代科學專業化的一個特徵就是“實驗者”和“理論家”的分工變得相當清晰，這在粒子物理學裡表現得尤為明顯。那樣的日子————元的不說，就是在20世紀上半葉，還誕生過如意大利物理學家恩里科·費米那樣的天才，不但能夠提出一種新的弱相互作用的理論，而且能夠指導建設第一座自持的人工鏈式核反應————已經一去不復返了。今天的粒子物理理論家們整天忙於在黑板上寫著公式，這些公式最後變成具體的模型，然後由實驗者在高度精密的機器上進行實驗，收集數據，予以確認。最好的理論家與實驗走得最近，反之亦然，但沒有一個同時是兩方面的高手。
20世紀70年代給出的最好的粒子物理成果，就是“標准模型”。這個理論名字聽上去極其平淡，但正是他描述了誇克、膠子、中微子和你可能聽說過的其他基本粒子。就像好萊塢名人和富有魅力的政治家一樣，當今的科學理論似乎都建立在有可能被摧毀的基礎上。你不會因爲證明了別人的理論是正確的而成爲著名的物理學家，但可以因爲指出某個理論出錯或是提出了更好的理論而出名。
但標准模型很牢固。幾十年來，地球上的我們能做的每一項實驗都毫無懸念地證實了他的預言。在學術階梯上從學生爬到資深教授的粒子物理學家已經有整整一代人，但粒子物理學領域卻沒出現他們能夠發現或解釋的新現象。前景已經變得令人不堪忍受。
但所有這一切正在改變。大型強子對撞機（LHC）爲物理學帶來了一個新時代。他能以人類此前從未取得過的能量將粒子撞得廢碎。他不只能夠提供“更高的能量”，而是一種我們多年來一直夢想著希望能找到新的粒子並帶來意想不到的驚喜的能量，在這種能量下，人們將揭示所謂“弱相互作用”力背後隱藏的秘密。
賭注很高。什麽事情都可能發生，研究工作就是這個樣子。參與競爭的理論模型有很多，都希望能夠預言到LHC上有可能發現的現象。但在你看到結果之前，你不知道你會看什麽。在這些可能的粒子譜的中心位置上是一種不起眼的粒子————希格斯玻色子。它既代表著標准模型的最後成功，也將是人類第一次將視野擴展到世界之外。
在南加州的太平洋岸邊，距我住的洛杉矶南部約一個半小時車程的地方，有一個能使夢想成真的神奇所在：樂高樂園。在恐龍島、同樂鎮和其他景點，兒童對那些有可以無限組合的積木和小塑料拼塊精心搭建的世界驚奇不已。
樂高樂園很像真實世界。在任何時候，你周圍的環境通常包含了所有的物質種類：木料、塑料、織物、玻璃、金屬、空氣、水和各種有生命的個體。他們是非常不同的東西，具有非常不同的特性。但當你以更近的距離來看它們時，你會發現這些物質並不是真正的彼此不同。他們只是少量的基本構件的不同的安排而已。這些構件就是基本粒子。像樂高樂園裏的建築一樣，桌子、汽車、樹木和人代表了某些你可以用少數簡單組件按照各種不用方式予以組合而形成的驚人的多樣性。原子的大小只有一個樂高積木塊的萬億分之一，但構成事物的原理是相似的。
我們理所當然地認為，物質都是由原子構成的。這是我們在學校裡學到的東西。我們做化學實驗，教室的牆上掛著元素週期表。我們很容易對一些驚人的事實視而不見。有些東西很硬，有些很軟，有些很輕，有些很重；有些東西是液體的，有些則是固體態的，有些是氣體的；有些東西是透明的，有些是不透明的，有些東西是活的，有些則不是。但在表觀之下，所有這些東西其實都是同一種東西。元素週期表中列有一百多種原子，我們周圍的一切都只是這些原子的某種組合。
人類有一種古老的想法，就是希望能夠用幾種基本成分來理解這個世界。在遠古時代，不同的文化————巴比倫的、古希臘的、印度的和其他諸種————都曾發明出一套彼此非常一致的“五元素”學說，用來說明一切。這些元素裡有我們最熟悉的土、氣、火和水，但也有一種只有天堂裡才有的第五元素————以太或叫精髓。（是的，那部由布魯斯·威利和米拉·喬沃維奇主演的電影就是這樣命名的）。像許多概念一樣，這種物質構成概念在亞里士多德那裡被發展成一個複雜的系統。他認為每種元素都會尋求一種特定的自然狀態，例如，土傾向於下落，氣傾向於上升。通過這些元素的不同組合的混合，我們就可以解釋我們看到的周圍的不同物質形態。
比亞里士多德還要早的古希臘哲學家德謨克利特認為，我們所知道的一切都是由微小且不可分的東西構成的，他稱這種東西為“原子”。但不幸的是，這個術語被19世紀的化學家約翰·道爾頓借用來定義化學元素。實際上我們現在所認識的原子不是完全不可分的————他們是有原子核和繞核做軌道運動的電子群構成的，而原子則是由質子和種子構成的。即使是質子和中子也不是不可分的，他們是有更小的稱為“夸克”的東西構成的。
夸克和電子是真正的、德謨克里特所定義的物質的不可分構件意義上的原子。今天我們稱他們為基本粒子。兩種夸克————“上”夸克和“下”夸克————構成了原子核的組分質子和中子。因此可以說，我們只需要三種基本粒子————電子、上夸克和下夸克————就可以構成我們能夠感知的周圍環境裡的一切。這是對古代五元素說的一種改進，是對元素週期表的一個很大的進步。
紛繁的世界還原到只有三種粒子有點誇張。儘管電子，上夸克和下夸克足以解釋汽車、河流和小狗，但他們不是我們發現的僅有的幾種粒子。實際上，“物質粒子”有12種不同類別：6種夸克，他們具有很強的相互作用，並被束縛在如質子和中子這樣的較大集合體內；6種“輕子”，他們可以獨自穿越空間。我們還有一些傳遞力的粒子，他們以不同的組合將上述12種粒子結合在一塊兒。如果沒有傳遞力的粒子，我們這個世界將變得非常乏味————單個粒子走直線穿過空間，彼此間沒有任何相互作用。用來解釋我們看到的一切的物質組成方式也將少得多，但坦率地說，它們可能也簡單得多。休伊特和其他粒子物理學家正在嘗試做得更好。
這就是粒子物理學的標準模型：12個物質粒子加上一組將它們結合在一起的傳遞力（載力）的粒子。儘管它給出的世界圖像不是最簡潔的，但卻能夠解釋所有的實驗數據。我們已經收集到用於成功描述我們周圍世界所需的所有物質成分，至少在地球上是如此。在外太空，我們發現了如暗物質和暗能量的證據。這些東西不斷提醒著我們，我們遠沒有搞清楚一切————這些東西肯定不能由標準模型來解釋。
標準模型的主要內容可以恰當地分為“物質粒子”和“載力粒子”。希格斯玻色子則不同。希格斯玻色子得名於蘇格蘭物理學家彼得·希格斯。希格斯是20世紀60年代裡最早提出這種粒子概念的幾位學者之一。但希格斯玻色子有點像醜小鴨。用行話講，他是個傳遞力的粒子，但它與我們熟悉的那些傳遞不同力的載力粒子不同。在理論物理學家看來，希格斯子似乎可以任意添加到其他的優美結構中。如果不是因為希格斯玻色子，標準模型可以說簡直就是優雅和美德的化身。但因為有了它，標準模型顯得有點亂。找出這個搗亂的始作俑者已被證明是一個相當艱鉅的挑戰。
那麼，為什麼會有那麼多的物理學家相信希格斯玻色子必定存在呢？你可能聽說過（它能）“是其他粒子得到質量”和（它）“造成對稱性破缺”這樣的解釋，這兩者都對，但乍一聽則並不容易明白。主要是因為，如果沒有希格斯玻色子，標準模型看起來將非常不同，完全不像真實世界。而有了希格斯玻色子，一切就會變得天衣無縫。
在構造不含希格斯玻色子的理論，或構造一種含有不同於標準模型所含玻色子的理論方面，理論物理學家確實竭盡了全力。但面對實驗數據，它們中的大多數均歸於失敗，倖存的其他理論則顯得過於復雜，沒有一個看上去像是真正的標準模型的升級版。
但現在，我們找到它了。或更嚴謹點兒說，我們找到了一種非常類似於希格斯玻色子的粒子。至於具體如何，就要看物理學家們在談論這件事時有多仔細了。他們會說：“我們發現了希格斯玻色子。”或者說“我們發現了一個類希格斯粒子”，甚至說“我們發現了一種非常類似於希格斯子的粒子。”7月4日的公告中是這樣描述這種粒子的：一種其性態非常像希格斯子應該表現出的粒子————他基本上以我們預期的衰減方式衰減為特定的其他粒子。丹藥確定還為時尚早，只有當我們收集到更多的數據後，我們才有足夠的理由驚喜。物理學家們並不希望它就是我們所期望的希格斯子，如果發現的是意想不到的東西，那總更有趣，更令人驚喜。實驗數據已經有些微的印記暗示這種粒子可能不完全是我們所期望的希格斯子。只有進一步的實驗才能揭示真相。
我曾經接受過一個地方廣播電台關於粒子物理學、引力、宇宙學等知識進展的採訪。那時在2005年，為紀念愛因斯坦“奇蹟年”1905年的一百週年。愛因斯坦在這一年裡發表了幾篇使物理學領域發生翻天覆地變化的論文。當時我盡全力來解釋這些抽象的概念，上下舞動著雙手，儘管我知道這是在電台做節目，但當時完全是情不自禁。
採訪者似乎很高興，但在我們結束採訪之後，他一邊收拾錄音設備，關掉頭上的照明燈，一邊問我是否願意回答一個問題。我說那當然可以，於是他再次戴上耳麥。問題很簡單：“人們為什麼要關心這些東西？”畢竟這種研究既不能引領治愈癌症又不能帶來更便宜的智能手機。
我當時給出的答案現在想來仍然有意義：“當你6歲時，每個人都會問這些問題：為什麼天空是藍色的，為什麼東西要往下掉？為什麼有些東西是熱的而有些是冷的？它會一直都有效嗎？”我們不必通過學習才知道如何變得對科學感興趣————孩子就是天生的科學家。多年的教育和現實生活的壓力使我們那種與生俱來的好奇心受到摧殘。我們開始關心如何找一份工作，如何與愛慕的人拍拖，如何撫養自己的孩子。我們不再追問這個世界是如何運行的，而是開始考略如何能夠讓它為我們工作。後來我發現，實證研究顯示，孩子在10～14歲歲之前都熱愛科學。
在認真追求科學四百年後的今天，對於6歲孩童提出的問題，我們已經有相當多的答案。我們關於物理世界的知識已經非常豐富，可以說現在只有有關非常遙遠地方的問題和極端條件下的問題才是尚無法回答的。這是物理學的情形，反觀像生物學和神經科學這樣的領域，我們可以毫不困難的提出一系列難於回答的問題。但物理學————至少在尋找物理實在的基本構件的“基本”物理學這個分支————已經將知識的邊界擴展到需要建立巨大的加速器和望遠鏡才能收集到新的、無法用現有理論來解釋的觀察數據。
在科學史上，基礎研究————那種只是出於好奇而不為任何直接的實際利益的探求————已經不止一次地被證明能夠導致巨大的，實實在在的利益，儘管它本身並不帶來這些利益。早在1831年，當代電磁學的的創始人之一邁克爾·法拉第就被一位好奇的政治家問道這種新奇的“帶電的”玩意兒有什麼用處。據說他是這樣回答的：“我不知道。但我敢打賭總有一天貴國政府將對此徵稅。”（這場對話的證據不足為憑，但它確實是個好故事，否則人們也不會不斷地重複它。）一個世紀後，科學上的一些最偉大的頭腦都在努力探索量子力學新領域。這種探索是由一些令人費解的實驗結果引起的，但它最終推翻了整個物理學的基礎。當時這些東西都相當的抽象，但隨後他卻導致了晶體管、激光、超導、發光二極管和我們所知道的有關核電廠（和核武器）等一切事情的產生。如果沒有這種基礎研究，我們今天的世界完全是另一個樣子。
即使是廣義相對論————愛因斯坦接觸的時空理論————也被證明有著非常實際的應用。如果你用過全球定位系統（GPS）設備來確定某地的位置，你便已經運用了廣義相對論。GPS裝置可能就裝在你的移動電話或者汽車導航系統中，它從一組軌道衛星哪裡取信號，並用這些信號的精確計時功能通過三角測量方法來定位地面上此處的位置。但根據愛因斯坦的廣義相對論，衛星軌道上（一個較弱的引力場）的時鐘走時要比地球海平面上的時鐘走時要快一點點。這個效應很小，但可以肯定的是他確實存在。如果不考慮這種相對論效應，GPS信號就會逐漸漂移，誤差積累到最後變得根本不能用————這種誤差累積僅短短一天，你的位置就會差出幾英里（1英里=1.609千米）。
技術應用儘管很重要，但卻不是我和喬安妮·休伊特以及那些花上很長時間來建立裝置篩選數據的其他實驗工作者的最終目的。科學成果能得到技術應用當然值得誇耀，但如果有人想用希格玻色子來找到治愈老化的方法我們只能嗤之以鼻。這不是我們費勁去尋找它的理由。我們之所以去尋找是因為我們很好奇。希格斯子是我們長期以來一直努力要完成的拼圖上的最後一塊。找到它本身就是回報。
如果沒有大型強子對撞機（LHC），我們就不可能發現希格斯子。LHC寄託著人類做出新發現的全部希望，它是世界上最大的、有史以來人類所建造的最複雜的機器，耗資高達90億美元。在這上面工作的科學家們希望它能高效運行50年。但他們都沒有這麼好的耐心，都希望很快就得到一些改變世界的發現。
LHC不論從哪方面看都是一個龐然大物。第一次提出這一設想還是在20世紀80年代。到1994年這一建議終於得到批准開始建設。而在它落成之前，他早已成為轟動的新聞了：有人打官司試圖阻止它的建設，理由是他可能會產生黑洞吞噬世界。當然這些無稽之談都被成功化解，巨大的對撞機在2009年開始工作。
2011年12月13日，世界各地的物理學家————和不少對此感興趣的旁觀者————靜靜地聚集在會議室以及各自的計算機終端前，聆聽LHC研究人員的兩次討論。討論的主題是尋找希格斯玻色子。這種主題的物理研討會此前已多次舉行，會議的小冊子上無一例外地寫著“搜尋進行得順利！住我們好運！”但這一次不同，好幾天以前互聯網上就已經傳開了。這暗示這一次我們要獲得的不是普普通通的消息————這次他們可能會說：“OK，我們實際上也許會看到某種東西，也許我們終于找到了真的存在希格斯玻色子的證據。”
答案是肯定的：有迹象表明，LHC實際上看到了希格斯子。之所以說是有迹象，是想提醒你這還不是最終答案。LHC以巨大的能量讓質子發生碰撞，兩種不同的巨型實驗探測器密切觀察著這些碰撞産生的碎片粒子。如果不存在希格斯玻色子，那麽在特定能量段上出現兩個高能光子（光粒子）的次數就會大大提高。數據顯示好像是有什麽東西出現，但尚談不上發現。只是一切都還順利。羅爾夫·霍伊爾以喜悅的口氣結束了新聞發布會：“明年就會有發現，到時再見。”
他們確實做到了。2012年7月4日，兩個討論會給我們帶來了搜索希格斯子的最新成果。這一次會議給出的不是誘人的暗示，他們毫無疑問發現了一種新粒子。世界各地的數千名物理學家報以喜悅的掌聲，同時也吐出了一口氣：大型強子對撞機就是好使。
粒子物理學走到了一個十分關鍵的十字路口。人類長期追求更好地理解宇宙的運行機制是一種基礎性研究，其投入十分高昂，但其未來目前還不清楚。
尋找希格斯玻色子不只是有關亞原子粒子和深奧概念的故事，他也關乎金錢、政治和嫉妒。一個涉及這麽多人、前所未有的國際合作和無數項技術突破的項目，如果不發生一點扯皮、妥協甚至偶爾的欺騙伎倆是不可能的。
LHC不是第一台用於尋找希格斯子的巨型粒子加速器。早在1983年，坐落在芝加哥郊外的費米實驗室的太電子伏級加速器Tevatron就開始了實驗運行，2011年9月，這台加速器在完成了包括發現頂夸克（但沒有發現希格斯子）等貢獻後壽終正寢被關閉。大型正負電子對撞機（LEP）從1989年運行到2000年。後來建設的LHC用的是LEP的同一條地下隧道，只是LEP裡相撞的不是質量較大的質子，而是電子及其反粒子————正電子。這台機器可以做到非常精確的測量，但這些技術手段也沒有發現希格斯子。
再後來就是前面休伊特提到的超導超級對撞機（SSC）。SSC是美國版的LHC，只是更大、性能更優越，而且規劃準備得最早。SSC的計劃是在20世紀80年代提出的，運行的能量範圍比當事認定的LHC的能量高了近三倍（是現在LHC實際運行能量的6倍）。但是，LHC與SSC相比擁有一個巨大的優勢：它得到了實施。
僅僅運行了兩年後，LHC就帶給我們一個真正的發現，一個看起來非常像希格斯玻色子的粒子。這是一個時代的結束，也是另一個時代的開始。希格斯子不僅是一個粒子————它是一種特殊的粒子一種可以很自然地與我們尚未發現的其他種類粒子互動的粒子。我們知道，標準模型不是最終答案，天文學家給出的暗物質圖譜就清楚地證明了這一點。希格斯子可能是我們這個世界與另一個我們無法企及的世界連接的門戶。發現了一個新的粒子，使我們又有幾十年的工作好做，我們需要了解其性質，搞清楚它可能會導致的結果。
從長遠的觀點看，實驗粒子物理學的未來仍然不甚清晰。在一個世紀甚至五十年前，一個科學家和他帶領的學生團隊用自己建立起來的設備就可能做出粒子物理學中的基礎發現。那樣的日子可能已經結束。如果LHC之帶給我們希格斯子而沒有別的，那麼要想說服政府撥出更多的錢來建設下一代對撞機就將變得越來越困難。
像LHC這樣的機器，不僅意味著數十億美元的投資，而且需要有數以千計的畢生致力於法聚到一點點大自然奧秘的科學家付出多年努力。許多人，譬如林恩·埃文斯，那個幫助建立大型強子對撞機的人，或研究了無數理論模型的喬安妮·休伊特，或領導實驗取得了歷史性成就的法比奧拉·詹諾蒂和喬·印坎德拉，為此投下了巨大的賭注。他們豪賭這台機器會帶來一個開創新時代的發現。他們堵的是他們多年的職業生涯。找到希格斯子是對他們所完成的所有工作的一種回報。但正如休伊特所說，我們真正想要的是驚訝————那種發現了沒人預料到的東西所帶來的驚喜。這是真正能夠讓我們頭腦動起來的動力源泉。
從歷史上看，大自然非常善於令我們大吃一驚。
在本章裡，我們說明希格斯玻色子是如何與上帝撇清關係，並且為什麼仍是非常重要的。
萊昂·來得曼的想法不止一個。他知道他已經做了什麼，但他不能把它送回去。它只是那些小東西之一，它們有著巨大的意想不到的後果。
當然，我們這裡說的是“上帝粒子”。這個粒子本身是指希格斯玻色子，但“上帝粒子”的稱呼卻來自萊德曼。
作為世界上最偉大的實驗物理學家之一，萊德曼因發現存在不止一種類型的中微子而於1988年榮獲諾貝爾物理學獎。實際上，他即使不是因為這項成就而獲獎，也仍有可能因其他成就而獲獎。這些成就中就包括發現了一種新型夸克。當時有3種已知的中微子和6種已知的夸克，所以這類成果還不能完全構成對稱的樹狀圖譜。除了研究工作，萊德曼還一直擔任著費米實驗室的主管，並建立裡伊利諾伊大學數學和科學學院。他有著極其富魅力的個性，在同事中以幽默和善講故事著稱。萊德曼最愛講的故事之一，就是做研究生時在普林斯頓高等研究院巧遇愛因斯坦的事。愛因斯坦耐心地聽完這位熱切的年輕人講述的他在哥倫比亞大學做粒子物理研究的事兒，然後微笑著說：“這個意思不大。”
但在公眾眼裡，萊德曼則以不太恰當的用詞而著稱：這就是那句用來指稱希格斯玻色子的“上帝粒子”。事實上，這個名稱是他與迪克·特雷西合寫的一本關於粒子物理學和尋找希格斯子的書的書名。他在該書的第一章中解釋說，他們之所以選用這一稱呼，部分是因為“出版商不會讓我們稱它為‘該死的粒子’，儘管這個稱呼可能是個更貼切的標題，因為它讓頭髮難以捕捉，且花費不菲”。