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那天早上，酒店放在我门口的报纸上的头条新闻赫然写着“原子加速器刷新能标新纪录”。一般情况下，头条新闻的内容都是关于灾难或者某些旋兴旋灭的猎奇事件的报道。然而这次，“大型强子对撞机前几日在创纪录的能标上运行”这件事情取而代之，成了那天最重要的新闻。在那篇文章的笔锋中，大型强子对撞机里程碑式的成就所带来的兴奋之情显而易见。
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几周之后，当两束高能质子真正对撞之后，《纽约时报》在头版上以一整版的篇幅发表了一篇题为《对撞机创下新纪录，欧洲走在了美国的前面》的文章。[1] 前几日新闻报道中的能标纪录，很快就要成为近10年来大型强子对撞机将要创立的一系列里程碑中最早的一块。
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大型强子对撞机正在探索我们目前研究过的最小尺度。与此同时，人造卫星与天文望远镜正在探索宇宙的最大尺度，研究宇宙膨胀的加速度，并探查作为大爆炸遗留物的宇宙微波背景辐射的一些细节。
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我们现在已经对“宇宙的构成”这一主题有了很多了解。然而，在绝大多数理解的过程中，随着知识的增长，会出现更多问题，其中一些问题还暴露了我们理论框架中的一些重要空白。尽管如此，在很多情况下，我们都能足够好地理解那些缺失环节的本质，以知晓需要寻找什么、如何寻找。
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让我们更进一步看看什么即将来临吧——实验有了什么结果？我们期望通过它们找到什么？本章包含了本书其余部分将要探索的一些主要问题以及物理学的研究内容。
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超越标准模型，粒子质量如何非零
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粒子物理学标准模型告诉了我们，应当如何预测那些构成轻粒子的行为，它也可以描述具有相似相互作用的更重的粒子。通过与构成我们身体或者太阳系的粒子所参与的相同的力，那些重粒子与光、原子核相互作用。
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弱相互作用力
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又称弱核力，是由W及Z玻色子的交换（即发射和吸收）所引起的。这种发射最有名的就是β衰变。
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物理学家已经对电子，以及比电子更重而载荷相同的粒子（μ子与τ子）有所了解。我们知道，那些被称作轻子的粒子与被称为中微子（neutrino）的中性粒子（不带电，因此不直接参与电磁相互作用）结对，仅仅通过弱相互作用力实现相互作用。弱相互作用力负责把中子转变为质子的放射性β衰变（和一般意义上的原子核β衰变）以及一些存在于太阳上的核反应过程。所有标准模型涉及的事物都要经历弱相互作用力 。
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我们还了解了在质子与中子中找到的夸克。夸克同时经历弱相互作用力、电磁相互作用力以及强相互作用力。强相互作用力是在质子与中子之内把夸克约束在一起的力，它涉及很多复杂的计算，然而我们却理解它的基本结构。
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夸克、轻子与强相互作用力、弱相互作用力、电磁相互作用力共同构成标准模型的实质 （图7-1为粒子物理学标准模型简图）。
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图7-1 粒子物理学标准模型中的元素描述了物质的已知基本元素及其相互作用。上夸克与下夸克参与强、弱、电磁相互作用力，载荷轻子参与弱相互作用力与电磁相互作用力，而中微子只参与弱相互作用力。胶子、弱规范玻色子与光子传递这些作用力，希格斯玻色子还没有被找到。
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使用这些材料，物理学家已经成功预测了迄今为止所有粒子物理学实验的结果。我们已经很好地理解了标准模型中的粒子以及它们之间的力如何相互作用。[29] 然而，依旧有一些谜题被遗留了下来。
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这些挑战的主要问题是：如何把引力纳入标准模型中 ？这是一个大型强子对撞机有机会去探索，然而不可能确保解决的大问题。即便从最近在地球上取得成就，以及未来将要处理的下一个谜题的视角来看，大型强子对撞机的能标已足够高；但是想要最终回答有关量子引力的问题，它还是太低。为了回答量子引力的问题，我们必须研究极小的尺度，在那些尺度上，引力效应和量子力学效应将会同时出现——而这个尺度远远超出了大型强子对撞机之所能及。如果我们足够幸运，并且引力确实在定位与质量相关的粒子问题上扮演了重要角色，那么我们将能更好地回答上面这个问题，大型强子对撞机也许能揭示有关引力和空间本身的重要信息。否则，对任何形式的量子引力理论（包括弦理论）的实验验证，都有可能还差得很远。
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然而，在这一点上，引力与其他基本作用力的关联是唯一尚未得到回答的问题。我们理解中的另一个重要空缺，也是大型强子对撞机最终准备解决的问题是：基本粒子如何获得质量 ？这听起来是一个很奇怪的问题（除非你读过我的《弯曲的旅行》一书），因为我们倾向于认为：物体具有质量是天经地义的——这是一个粒子固有的、不可剥夺的性质。
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从某种意义上来讲，这个观点是正确的。质量、电荷与相互作用分别是确定某个粒子的性质之一。粒子总是具有非零能量，然而质量却是一个内蕴性质，它可以取很多包括零值在内的可能值。爱因斯坦的一个主要洞见是：在静止时，粒子质量的数值可以决定它能量的数值。但粒子的质量并不总是取非零值。那些零质量[30] 的粒子，比如光子，从来都不会静止 。
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然而，基本粒子具有非零质量是它们拥有的内蕴性质，也是一个巨大的谜团。并非只有夸克、轻子与弱规范玻色子（传递弱相互作用力的粒子）具有非零质量。实验物理学家测定了它们的质量，然而即便是最简单的物理规律也不允许它们具有质量。如果我们假定粒子确实具有那些质量，那么标准模型的预言将会成立，但我们却不知道它们最初是从哪里来的。显然，最简单的规则不适用，某些更加微妙的事情存在着。
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粒子物理学家相信，非零质量仅仅因为在早期宇宙中，某些事物在希格斯机制的过程中会引人注目地出现。这个机制得名于物理学家彼得·希格斯，他率先发现了质量如何产生。至少6名物理学家提出了相似的观点，所以，也许有时你会听到“恩格勒-布绕特-希格斯-古拉尔尼克-哈根-基博尔机制”这种表述，而我坚持使用“希格斯玻色子”这一名称。[2] 这个理论是一种相变（phase transition，也许与液态水沸腾而变成蒸汽的相变类似），它的发生改变了宇宙的本质。然而在更早的时候，没有质量、乘着光速之辕呼啸的粒子在不久之后——在涉及希格斯场（Higgs field）的相变之后，就具有了质量，而且速度慢了下来。希格斯机制告诉我们，基本粒子如何从缺乏希格斯场的零质量，获得我们实验中测量到的非零质量。
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如果粒子物理学家们是正确的，而且希格斯机制确实在宇宙中运行，那么大型强子对撞机将会揭露出一些泄露宇宙秘密的迹象。在它最简单的成就中，这种迹象是一个粒子——即著名的希格斯玻色子。在更详尽的、希格斯机制参与其中的物理理论中，希格斯玻色子也许会伴随着其他具有相似质量的粒子出现，也有可能完全被其他粒子替代。
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希格斯机制
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物理学家彼得·希格斯和其他几位物理学家共同发现的一种物理机制。这一机制解释了基本粒子获得非零质量的原因。