宇宙的不完美进化

　　宇宙的秘密

　　Il segreto dell ’unicerso

　　圣母玛利亚和暗物质

　　韦尔代洛（贝加莫），2012年10月29日

　　在贝加莫附近的乡村，达尔米恩工厂附近，城市的混乱令人恐惧。高速公路、购物中心、工业仓库和旧住宅区在一片混乱中交替重叠：似乎地方管理者正在竞争谁能在自己的地盘上集中更多的丑陋事物。在这种反常的纠缠中，不仅人类会迷路，连卫星导航仪也会抓狂。谁愿意不惜一切代价说服你向右拐，那里没有路，只有一条满是脏水的运河。

　　经过几次尝试和几次迂回之后，我终于到达了我一直在寻找的农场—Cascina Germoglio农场。突然之间，一切都变得美丽而整洁。感觉就像走进了迪士尼电影里的农场。修剪整齐的草地和小树林，牧人的牛群。这边的篱笆里是母鸡和兔子，另一边篱笆后面是马匹。甚至有一种训练有素的猎鹰能在我们头上回旋。当它欢迎我们的时候，皮耶罗•卢基尼用一声变调的口哨叫它回来，让我们欣赏这只猛禽迅速地落在他用皮带保护着的左臂上。Germoglio是一个治疗和康复精神障碍患者的社区，由皮耶罗领导。贝加莫的每个人都认识他们。他们建立了护理设施，用护理之家来接待不太严重的病人，还有这个农场，他雇用了几十个人来照顾动物和在地里干活。这家农场生产葡萄酒、冷切肉和奶酪，都是纯粹的有机食品。你可以在附近的餐厅品尝，那里有当地最好的卡松切利意大利面。还有一个意大利独有的剧场，由专业演员、接受治疗的病人和训练有素的马匹共同表演具有强烈情感冲击力的作品。

　　在意大利管理社区和在千难万难中行动需要很大的勇气。卡西纳•格尔莫里奥得到了机构的支持，但农场的生存和发展也要感谢私人支持者和教会的帮助。皮耶罗•卢基尼是一个硬汉，他并不缺乏贝加莫地区众所周知的勇气和决心。在跟随加里波第的1089支红衫军中，有160支来自贝加莫，这并非巧合：他们是性情中人，大部分是工人、面包师和鞋匠，还有一些律师和理发师。皮埃罗曾经告诉我：“每个人都知道Germoglio农场里有疯子，但很少有人知道最疯狂的是我。”事实上，要把一群病人带到曼图亚，或者骑自行车出发，在一周的旅行和无尽的冒险之后，去罗马接受教皇的接见，这需要一剂让人疯狂的猛药。

　　几个月前，当皮耶罗、一群工作人员和病人来到欧洲核子研究组织时，我答应一定要去看他们。这是一次特殊的访问，他们在欧洲核子研究组织面前睁大眼睛，问了很多问题，并在离开之前对我发出邀请：“如果您能和我们在Germoglio农场继续讨论就好了。”我想了很长时间，终于下定了决心拜访他们。我和每天为自己而战的人相处得很融洽。

　　参观完农场后，我会见了病人和工作人员。他们用关于希格斯玻色子、宇宙起源和命运的问题轰炸我。我们在大厅里坐成一圈。我从那些苦难的表情中看出了好奇和感激。当他们想和我合影的时候，我就会很自然地把我的胳膊搭在身边人的肩膀上，他们是两个20出头的男孩。我的手能感觉到他们因激动而颤抖。在讨论结束时，一位没有问问题，但仔细听了讨论的病人走近我，低声问我，这样其他人就听不见了：“你们这些科学家看到的是周围的暗物质，别人看不到……人们却相信它。另一方面，我偶尔也会和我们的女士说话。为什么没人相信我？”

　　这真的是希格斯玻色子吗？

　　新粒子的发现在全球引起了轰动，没有一份报纸不谈论此事，超环面仪器项目和紧凑渺子线圈项目发表的文章立即累积了数百条引用。在所有这些喧嚣的庇护下，欧洲核子研究组织的检查和验证工作仍在继续。一种新的玻色子被发现了，但我们真的确定是它吗？这一发现的官方声明仍然保持着非常谨慎的语气：它提到了一种希格斯型玻色子，也就是说，它与希格斯玻色子非常相似。谨慎是完全有道理的。像所有的玻色子一样，希格斯玻色子也有整数自旋。但是这个粒子的一个基本特征是它的自旋为0，也就是说，它是一个标量粒子。根据截至2012年7月收集的数据，我们还无法衡量这种旋转，我们必须保持谨慎。如果我们发现了自旋1或2，我们就会遇到一个冒充者，它看起来像希格斯玻色子，但实际上不是。在我们确定这一点之前，我们不能给出任何明确的说法。

　　接下来是潜在异常的问题。发现的主要是玻色子衰变通道，超环面仪器和紧凑渺子线圈都没有展示出令人信服的新粒子分解为底夸克或陶轻子的迹象。这里出现了其他问题。我们没有看到这些事件，是因为我们还没有足够的灵敏度，或者是赋予费米子质量的机制不同于布劳特-恩格勒-希格斯所预测的那样？在这种情况下，我们应该考虑发现了一种粒子，而不是标准模型预测的希格斯粒子的假设。

　　最后，大多数专家注意到，两个实验都记录了，在两个光子的衰变通道中，发生的事件比预期的要多50%。像往常一样，这种异常可能是简单的统计随机现象，它随着新数据的积累注定会消失。这种类型的衰变是一种特殊的保护，因为它对新物理的存在非常敏感。如果周围有我们尚未发现的大质量粒子，它们的存在可能会间接地显现出来，从而改变这一过程。

　　这一切都让许多人感到不安，有两位年长的绅士尤其如此：他们的名字是彼得•希格斯和弗朗索瓦•恩格勒。这两人很清楚，他们等待多年的来自斯德哥尔摩的电话，将只会在超环面仪器项目和紧凑渺子线圈项目消除顾虑并且正式宣告之后， 正如现在不停涌现的文章和官方新闻稿。他们在1964年的直觉只有在正确的情况下才能得到回报，也就是说，如果2012年发现的粒子具有标准模型希格斯玻色子的所有特征。

　　全年，大型强子对撞机持续高效地产生碰撞，最终超过20 fb-1。现在有足够的数据来验证所有这些潜在的异常现象。由于数据是上一轮的四倍多，这一信号得到增强并变得越来越清晰。现在，即使是在只包含少量事件的通道，也足够进行更详细的研究并寻找任何异常现象。

　　首先，我们关注旋转。这种机制很简单，在过去已经使用了好几次。为了测量不稳定粒子（如希格斯玻色子）的这种特性，需要测量其衰变产物的角分布。来自母粒子衰变的电子、μ子和光子，按特征模态分布在空间中。根据母粒子的自旋是0、1还是2，它们的分布有很大的不同。结果呢？在所有的假设中，这个新粒子实际上是布劳特-恩格勒-希格斯所假设的标量，这是迄今为止最可信的假设。

　　更复杂的是收集希格斯在底夸克或陶轻子中的衰变信号。有必要利用所有可用的数据，并进一步提高分析的敏感性，以便在这些“重要的衰变”中看到第一个微弱的迹象。希格斯玻色子必须与夸克和轻子耦合以获得质量，所以它也必须衰变成这些轻粒子。如果这种情况没有发生，一颗真正的炸弹就会爆炸，因为我们应该假定，除了赋予最轻基本粒子质量的希格斯玻色子之外，还有其他东西。这将是迄今为止所设想的标准模式的崩溃。

　　最终，最初的疑虑消失了。有了完整的统计数据，超环面仪器和紧凑渺子线圈都清楚地表明，希格斯粒子与夸克和轻子的耦合没有异常。这张图表总结的结果，令人震撼地再现了与各种粒子质量成比例的耦合，而这是在1964年就提出的假设。

　　然而，还有一些让人紧张的问题，这些问题相当尴尬，只有经过数月的疯狂工作才能得到解决。整个2012年，超环面仪器项目的工作人员都在质疑质量的测量。在标准模型中，希格斯玻色子的质量是迄今为止最重要的参数，是唯一不是由理论决定的参数，必须以尽可能高的精度来测量。为了做到这一点，我们使用了两种最清晰的衰变，这两种衰变产生了最佳的分辨率：一种是两个光子中的衰变，另一种是两个Z玻色子中的衰变 —— 衰变成四个轻子。这是两个独立的衡量标准，应该会得出相似的结果。这就是紧凑渺子线圈的结果，而超环面仪器得到了两个不同的结果。这是可能发生的，但观测到的两个光子衰减值与四个轻子衰减值之间的大于3GeV的差异似乎太大了。虽然在超环面仪器项目中我们很难找到解释，但一些理论家开始假设，在现实中，希格斯玻色子的“双重态”已经被发现：一对具有相似质量的粒子，与标准模型的规定没有任何关系。最后，经过数月的校核和无数次的分析，两个值的差值降低到2.5 GeV —— 一个更符合实验误差的值。终于尘埃落定了。

　　就在超环面仪器项目努力测量希格斯粒子质量的几个月里，紧凑渺子线圈项目因衰变为两个光子的情况经历了一段瓶颈期。再加上，数据显示希格斯粒子存在的信号存减弱了，就好像在新一轮的测试中，这个在2011年和2012年备受瞩目的清晰信号已不复存在。在最初的困惑之后，我们的反应是有条理的。我们再次检查了所有可能的错误原因。例如，在夏天，加速器进一步增加了堆积的条件，因为我们做了很多改变，我们可能已经错过了希格斯事件的很大一部分。一切从头开始，从头开始，从头开始。最后，经过八个月的焦虑和仔细的测试，我们得出了最简单的结论：没有异常，只是统计上的波动。在前10个fb-1（即直到2012年中期），我们记录了一个正波动，即希格斯玻色子比预期的更多；而接下来的10个fb-1（2012年底）出现了负波动，信号变弱。总的来说，结果正是标准模型所预测的那样。所有那些认为新物理学的第一个迹象隐藏在双光子衰变中的希望都必须暂时放弃。

　　2013年年初，当我们确定地宣布这个新粒子是一个标量，在各个方面都与希格斯玻色子相似时，最高兴的是两位年长的同事，他们惴惴不安地跟踪着这些进一步分析的所有阶段。现在再没有疑问了：他们见证了我们是对的。

　　优雅的礼服年

　　诺贝尔奖的颁奖过程相当复杂，但效果非常好。获奖者的宣布通常在10月的第二周举行，而颁奖仪式则在一个固定的日期：12月10日，即阿尔弗雷德•诺贝尔的逝世周年纪念日，在斯德哥尔摩举行。

　　分配机制早在一年前就开始运作了，那时开始收集候选人的名字。每年秋天，不定量的国际知名科学家（通常为1 000人）会收到瑞典皇家科学院的一封信。信中还包括一份邀请函，在次年1月底前注明一个或多个申请人的姓名和说明。从次年2月开始，一个特别委员会正在起草第一个非常大的名单，以提取出一些候选人的名单。这个问题由该学会指定的一组科学家来处理，在他们的决定中，与前几年的诺贝尔奖得主进行的磋商也有重要的影响。最佳候选人的决选名单将于次年夏天出炉。然后开始第二轮保密磋商，从中获得进一步的资料，尤其是可能的否决权。在会议结束时，委员会在正式会议前通报了其方向。现在是10月初，从理论上讲，即使这从未发生过，科学院也可能不会接受委员会的建议。无论如何，最后决定将在全体会议上讨论并在不久之后宣布。

　　诺贝尔委员会的谨慎是众所周知的：没有经过验证的结果不会发布，没有经过实验验证的理论也不会发布。这就是为什么彼得•希格斯和弗朗索瓦•恩格勒要等这么久。但今年，每个人都希望这是他们的时刻。很明显，他们的名字都在最受欢迎的候选人名单上，但比赛会一直持续到最后一刻。首先，获奖领域之间有一种非正式的轮换：粒子物理学、天体物理学和固体物理学，有时还会涉及其他研究领域。那么总要考虑的是，赢家最多可以有三名。事实上，阿尔弗雷德•诺贝尔的遗嘱中提到要将诺贝尔奖授予在物理学领域做出最重要发现或发明的人，但随着时间的推移，这一规则被修改为授予三个人。因此，在那些研究对称性或电弱断裂机制的理论家中，除了希格斯和恩格勒，还有其他理论家的一席之地。

　　有人大胆宣称委员会可以把第三枚奖章授予欧洲核子研究组织。我们应该打破一个多世纪以来的传统。最终规则已经被改变过一次，而且还可能再次发生。研究机构在不断发展，迟早也会出现这样的情况：即使是瑞典皇家科学院也会认识到，当研究成果来自数千人的合作成果时，将奖项颁给个人科学家变得越来越困难。鉴于超环面仪器和紧凑渺子线圈两个项目在大型强子对撞机项目中的出色表现，所以这可能是正确的时机。那么，为什么不奖励能够组织和协调这一巨大努力的国际组织呢？

　　欧洲核子研究组织的许多人支持这一观点，有些人甚至对瑞典皇家科学院最知名的成员施加某种形式的政治压力。这些都是相当笨拙的操作，可能会适得其反，不过它们注定会产生某种预期。

　　2013年10月8日是星期二，我们都在等待。宣布时间定于上午11点，届时将有数百人聚集在实验室各个区域设置的屏幕前。男孩们一如既往地开玩笑说：他们得到了一些巧克力制成的诺贝尔奖章，他们把一块奖章挂在我脖子上，和我合影留念。奇怪的是，这一宣布被推迟了，而且已经有谣言流传，关于第三枚奖章的争议正在进行中：有人提议将它分配给欧洲核子研究组织，而且大话已经传开了。最后，发言人走进房间，让所有人安静下来：获奖者是彼得•希格斯和弗朗索瓦•恩格勒。走廊里回荡着欢快的欢呼声，人们打开起泡酒的瓶塞，跳着舞庆祝。这一宣布并不令我感到意外：我就知道结局会是这样。相反，当发言人宣布动机时，我的情绪出现了：“该理论已经被欧洲核子研究组织的两个项目组紧凑渺子线圈和超环面仪器的最新发现所证实。”当我听到我们实验组的名称时，我明白我们所做的已经创造了历史。

　　第二天，我接到了弗朗索瓦•恩格勒的电话，他不给我时间恭维他：“你还记得我们的打赌吗？”

　　“做好准备。让我们一起去斯德哥尔摩吧。”因此，对我们来说，这成了优雅礼服之年。在欧洲核子研究组织和比萨，他们取笑我，因为我时不时地穿着正式的礼服出现在报纸或电视上，比大家通常看到的牛仔裤要优雅得多。我们从2012年9月的蓝色套装开始，当时的共和国总统乔治•纳波利塔诺邀请塞尔吉奥•贝托鲁奇、法比奥拉和我到奎里纳尔宫，给我们颁发一个荣誉奖章，并在电视上对意大利所有学校的孩子们公开讲话。

　　2013年4月，当我们在日内瓦获得基础物理学奖时，我们需要变得更加优雅。仪式包括男士的燕尾服和女士的长裙。该奖项是世界上最重要的奖项之一，由于发现了希格斯玻色子，该奖项授予了七人，媒体将我们重新命名为“伟大七杰”。林恩•埃文斯、吉姆•维尔迪、法比奥拉•贾诺蒂、乔•因坎德拉、彼得•詹尼、米歇尔•德拉•内格拉和我分享300万美元奖金，这是对物理学充满热情的俄罗斯亿万富翁尤里•米尔纳，决定每年颁发给那些为基础知识的进步做出贡献的科学家们的基金。当宣布获奖的电话打来时，每个人都想到了一个笑话。我是在东京巡回演讲时接到的电话。当时我在一家日式传统餐馆吃饭，那种你双腿跪坐吃饭的餐馆。为了不被打扰，我准备离开餐馆，起身花了好一会儿工夫。

　　欧洲核子研究组织打电话告诉我这个消息时，乔•因坎德拉笑得很开心。现在我们在这里，在日内瓦会议中心。与奥斯卡奖得主摩根•弗里曼一起，他也将出席今晚的仪式。颁奖典礼还包括对著名的剑桥科学家史蒂芬•霍金的表彰，他多年来一直在与可怕的疾病做斗争。在颁奖典礼之前，在贝尔格日内瓦酒店会有一场晚宴。坐在我旁边的是弗里曼，他是我最喜欢的演员之一。我发现，除了其他事情之外，他对物理学有一种真正的好奇心，我们寒暄了几句之后，花了几个小时讨论暴胀、多重宇宙和额外维度。

　　最后，我们发现自己站在500位宾客面前，身穿红色长裙的法比奥拉与身着黑色和白色燕尾服的6位男士形成了鲜明对比。我们一个接一个地认出了为我们鼓掌的人的面孔。有很多来自这两个实验项目的年轻人，他们工作在希格斯粒子分析的前沿。还有许多早期的朋友，超环面仪器和紧凑渺子线圈的先驱，以及许多建造和运行大型强子对撞机的物理学家和工程师。唯一遗憾的是史蒂夫•迈尔斯没有入选。由于一个难以理解的原因，颁发该奖项的委员会认为他不值得认可。就我个人而言，我认为这是极大的不公正。

　　12月10日在斯德哥尔摩，优雅达到了顶峰，我们必须穿着燕尾服参加诺贝尔颁奖典礼，并与瑞典国王共享晚宴。

　　最后，尽管我在颁奖典礼前夕很焦虑，但汉斯•奥尔德的裁缝工艺很好，燕尾服完美地贴合我的身材，我终于可以松一口气了。我、吉姆•维尔迪、彼得•詹尼和乔•因坎德拉打扮得像企鹅，我们都笑了。我们心情很好，在这里为这两位朝气蓬勃的伙计庆祝。他们现在的兴奋之情溢于言表。就连平时沉默寡言的彼得，也成了一名健谈者。宴会上轮到他发言了，他讲得很好。在典礼结束的时候，他在各个大厅之间轻松地闲逛，说着玩笑话，拍拍别人的后背：一个真正的蜕变。我们一起拍了合照，我在他和弗朗索瓦中间，三人都有点醉意，这是我对那个难忘的夜晚最珍贵的回忆之一。

　　宇宙的起源

　　希格斯玻色子的发现是科学史上的一个里程碑。现在我们可以真正地重现大爆炸后几分钟发生的事情，那时希格斯标量场将自己安置在整个宇宙中，占据所有地方，直至最遥远的角落。仅仅过了十亿分之一秒，一些事情发生了，它将决定这个物体的命运，在接下来的数十亿年里，它仍然在发光。

　　就在那一刻，无数希格斯玻色子在凝聚，在一个无所不在的场中永远地结晶：希格斯场。在那一刻之前，希格斯玻色子还在以光速运动。在此之前，电磁力一直与弱力齐头并进，与弱力截然不同。对于不与希格斯场相互作用的光子来说，一切都和以前一样。另一方面，W玻色子和Z玻色子仍然被包围在场的网状结构中，质量如此之大，以至于它们无法将微弱的相互作用传播到最微小的亚核距离之外。最后，即使是基本粒子也因与场的相互作用而不同，从而获得了不同的质量。

　　转眼间，一切都永远改变了。由于这种微妙的机制，物质获得了我们所熟悉的特性。电子所获得的特定质量将允许它们稳定地围绕原子核运行，这样就可以形成原子和分子。正是这一机制，产生了巨大的气体星云，最初的恒星和星系由此诞生，行星、太阳系直到第一个生命有机体，逐渐变得越来越复杂，最后轮到我们。如果没有弱电真空，没有这个薄薄的支架支撑着我们称之为宇宙的巨大物质结构，这一切都不可能发生。

　　如果服务了数十亿年的希格斯玻色子，在任何一个给定的日期如“明天早上5点45分或在20亿年后”突然疲倦或摆摆手臂罢工，整个宇宙将消失在一个巨大的能量泡中。

　　随着希格斯玻色子的发现，我们庆祝科学的又一次成功。今天，我们可以说我们开始了解导致电弱对称性破缺的机制。这是标准模型的又一次胜利，也是一个充满问题的胜利。

　　事实上，我们已经知道，迟早我们会发现一个更普遍的理论，它将在更大的能量尺度上解释物质，并将标准模型作为一个特例。我们知道，我们的许多确定性将在比迄今为止探索的更高能量下崩溃。标准模型将会被打破，新的相互作用或新的粒子将会被发现，这些将会揭示一些仍然悬而未决的重大问题：暴胀、引力的统一、暗能量。

　　这一切将在多大的能量范围内发生？

　　多年来，科学界一直在思考这个问题，希格斯玻色子的发现让这个问题重新焕发了活力。我们正处于一场科学革命之中，这场革命的轮廓也许只有在几十年后才会变得更加清晰。

　　作者简介

　　[意]圭多•托内利（Guido Tonelli）

　　意大利比萨大学物理学教授，欧洲核子研究组织大型强子对撞机项目专家组成员，参与并领导多项重要物理研究项目。获得众多专业奖项认可，包括基础物理学奖、费米奖，并荣获意大利总统荣誉勋章。本书获得2017年意大利伽利略科学普及奖。

　　译者简介

　　何皓婷

　　青年译者，毕业于北京外国语大学意大利语专业，取得文学学士及管理学学士双学位。

　　在日内瓦的欧洲核子研究组织，大型强子对撞机诞生了，这个世界上能量超大的粒子加速器，完成了对宇宙大爆炸的数百万次模拟。

　　圭多•托内利是这项工作的重要参与者。《宇宙的不完美进化》是他的重要成果。这部作品用通俗的方式告诉我们，在大爆炸后的十亿分之一秒，人类的命运已被决定。按照目前的物理学模型，宇宙在大爆炸膨胀后很快就会坍缩，膨胀不超过1秒。而宇宙没有坍缩，部分原因是在膨胀过程中产生了希格斯玻色子，俗称“上帝粒子”。在我们这个物质与非物质同等存在的宇宙，任何事物都可能变回为纯能量，希格斯玻色子对物质而不是反物质的一点点的偏向都对整个宇宙的进程发挥着巨大作用。

　　作品更新了人们对伟大宇宙的理解，解锁了宇宙进化的深层奥秘。我们曾经认为无法理解的伟大谜团，今天看来，似乎触手可及。

　　前言：为了礼服尺寸焦虑和奔跑    

　　第一章  敲响新物理之门的赌注   

　　第二章  男孩们的冒险      

　　第三章  疯狂的实验       

　　第四章  突如其来的瓶颈期     

　　第五章  竞争正式拉开帷幕      

　　第六章  在沉默中迎接宇宙的真相  

　　第七章  改变物理学的七个月    

　　第八章  宇宙的秘密      

　　第九章  通往未来的一扇门     

　　第十章  全新的创世纪      

　　后记：倭黑猩猩、黑猩猩和超新星    

　　致谢