未来属于那些做好准备的人，这一点科学家们非常清楚，他们向美国国家航空航天局(NASA)和能源部(Department of Energy)等联邦机构申请研究资金。太空望远镜或粒子加速器等昂贵仪器的价格可能高达100亿美元。
因此，今年六月，物理界开始考虑下一步要做什么，以及为什么要做。
这是由美国国家科学院任命的一个委员会的任务，该委员会名为“基本粒子物理学:进展与希望”。两位杰出的科学家共同担任主席:加州理工学院陈尚义物理学教授Maria Spiropulu;宇宙学家迈克尔·特纳(Michael Turner)，芝加哥大学名誉教授，美国国家科学基金会前助理主任和美国物理学会前主席。
在20世纪80年代，特纳是开始使用粒子物理学工具来研究大爆炸和宇宙演化的科学家之一，并通过宇宙来了解粒子物理学。斯皮罗普鲁出生于希腊，2012年在欧洲核子研究组织(CERN)发现了长期寻找的希格斯玻色子;她现在使用量子计算机来研究虫洞的特性。该委员会的报告定于2024年6月发布。
最近，《纽约时报》采访了这两位科学家，讨论了该组织的进展、过去20年的失望以及未来的挑战。为简洁明了，这段对话经过了编辑。
问:为什么?现在这个委员会呢?
特纳:我觉得粒子物理学从来没有像现在这样令人兴奋，因为我们有机会了解空间和时间、物质和能量，以及基本粒子——如果它们是粒子的话。如果你问一个粒子物理学家这个场的走向，你会得到很多不同的答案。
但它的宏伟愿景是什么?这个领域有什么令人兴奋的地方?1980年，我对大统一的想法感到非常兴奋，现在看来，与未来的可能性相比，大统一显得微不足道。
问:你指的是大统一理论，它被认为是实现爱因斯坦梦想的一种方式，即一个包含所有自然力的单一方程。我们在统一方面进展如何?
特纳:据我们所知，物质的基本组成部分是夸克和轻子;支配它们的规则被称为标准模型的量子场论所描述。除了这些构件之外，还有力的载体——电磁力的光子;八胶子，色力强;弱核力的W和Z玻色子，以及希格斯玻色子，这解释了为什么有些粒子有质量。希格斯玻色子的发现完善了标准模型。
但对基本规则的探索还没有结束。为什么是两种不同的积木?为什么有这么多“基本”粒子?为什么是四种力?暗物质、暗能量、引力和时空是如何形成的?回答这些问题是基本粒子物理学的工作。
Spiropulu:问题是我们不了解希格斯粒子的质量，它大约是氢原子质量的125倍。
当我们发现希格斯粒子时，我们首先期待的是找到这些新的超对称粒子，因为没有它们的存在，我们测量的质量是不稳定的，但我们还没有找到它们。(如果希格斯场崩溃，我们可能会进入一个不同的宇宙——当然，这还没有发生。)
这有点让人崩溃;20年来，我一直在研究超对称粒子。所以我们就像车灯下的鹿:我们没有发现超对称性;我们没有发现暗物质是粒子。
特纳:力量的统一只是正在发生的事情的一部分。但与关于空间和时间的更大问题相比，它就显得无聊了。讨论空间和时间是什么以及它们从何而来现在已经属于粒子物理学的范畴。
从宇宙学的角度来看，大爆炸是空间和时间的起源，至少从爱因斯坦广义相对论的角度来看是这样。所以宇宙的起源，空间和时间都是相互联系的。宇宙有尽头吗?存在多元宇宙吗?有多少空间和时间?这个问题有意义吗?
spirropulu:对我来说，顺便说一下，统一并不无聊。只是说。
特纳:我是说相对来说无聊。还是很有趣的!
Spiropulu:我们对自然统一性的最强烈的暗示来自粒子物理学。在足够高的能量下，基本力——引力、电磁力、强核力和弱核力——似乎变得相等。
但我们的粒子加速器还没有达到上帝的规模。所以我们可能要重新思考这个问题。在我看来，终极法则仍然是一个持久的谜题，我们解决它的方法将是通过新的思维。
特纳:我喜欢玛丽亚说的话。感觉我们已经把所有的拼图都放在桌子上了;看起来我们看到的四个不同的力只是一个统一力的不同方面。但这可能不是回答这个问题的正确方式。
这是伟大科学的标志:你问了一个问题，结果往往是一个错误的问题，但你不得不问一个问题，只是为了发现它是错误的。如果是，你就问一个新的。
问:弦理论——被吹捧为“万有理论”——将自然界中的基本粒子和力描述为振动的能量弦。我们是否有希望更好地理解它?这种所谓的弦性只有在比任何粒子加速器所能达到的能量高数百万倍的时候才会出现。一些科学家批评弦理论不属于科学范畴。
Spiropulu:这是不可测试的。
特纳:但它是一个强大的数学工具。如果你回顾过去2500年的科学进步，从米利萨人开始，他们没有数学，到现在，数学一直是引领发展的项目。几何，代数，牛顿和微积分，爱因斯坦和非黎曼几何。
斯皮罗普鲁:我更大胆地说，弦理论是一个框架，就像我们发现的其他框架一样，我们试图在其中解释物理世界。标准模型是一个框架——在我们可以测试它的能量范围内，这个框架已经被证明是有用的。
特纳:换句话说，我们有了新的词汇和语言来描述自然。数学是科学的语言，我们的语言越丰富，我们就越能充分地描述自然。我们将不得不等待，看看弦理论会带来什么，但我认为它会很重要。
问:在弦理论的众多特征中，这些方程似乎有10个解——描述了10个不同的可能宇宙，甚至更多。我们生活在多元宇宙中吗?
特纳:我认为我们必须面对它，尽管这听起来很疯狂。多元宇宙让我头疼;不可测试，至少现在还不行，这不是科学。但它可能是我们这个时代最重要的思想。这是摆在桌面上的问题之一。不管头疼不头疼，我们都得解决它。它要么向上要么向外;要么是科学的一部分，要么不是科学的一部分。
问:为什么宇宙学的标准模型没有说明宇宙的95%是什么，这被认为是一种胜利?只有5%是像恒星和人这样的原子物质;25%是其他“暗物质”;大约70%是一种更奇怪的东西——迈克称之为“暗能量”——它正在导致宇宙以加速的速度膨胀。
特纳:这是一个巨大的成功。我们已经命名了所有主要组件。
问:但你不知道其中大部分是什么。
Spiropulu:当我们下潜很深的时候，就会抛锚。在某些时候，我们需要改变方向——改变问题或方法。总而言之，理解宇宙的物理学并不是在公园里散步那么简单。没有得到解答的问题比得到解答的要多。
问:如果统一是错误的问题，那么正确的问题是什么?
特纳:我认为谈论空间、时间、物质、能量和基本粒子时，不可能不谈论宇宙的历史。
大爆炸看起来像是空间和时间的起源，所以我们会问，空间和时间到底是什么?爱因斯坦告诉我们，它们不仅仅是事物发生的地方，正如牛顿所说。它们是动态的:空间可以弯曲，时间可以扭曲。但现在我们准备回答这个问题:它们从何而来?
我们是时间的生物，所以我们认为宇宙都是关于时间的。这可能是看待宇宙的错误方式。
我们必须记住你刚才说的话。粒子物理学中的许多工具需要很长时间来开发，而且非常昂贵。这些投资总是有回报的，往往会带来改变科学进程的大惊喜。
这使得进步具有挑战性。但我看好粒子物理学，因为它的机遇从未如此之大，而且该领域多年来一直处于科学的前沿。粒子物理学发明了大型的、全球性的科学，以及国家和现在全球性的设施。如果以史为鉴，没有什么能阻止他们回答这些重大问题!
问:建造詹姆斯·韦伯太空望远镜花了30年时间。
Spiropulu:太空——对了!
特纳:我的意思是，科学都是关于大梦想的。有时候梦想是你无法立即实现的。但科学使人类得以做大事——新冠肺炎疫苗、大型强子对撞机、激光干涉仪引力波天文台、韦伯望远镜——拓展了我们的视野，增强了我们塑造未来的能力。如今，当我们做这些大事时，我们是一起做的。如果我们继续胸怀大志，共同努力，未来会有更神奇的事情发生。
本文原载于《纽约时报》。
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