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例如，原子钟测量时间的稳定性达到了十万亿分之一[51] ，但是很少有测量需要对时间达到这么高的精度。测量爱因斯坦的引力理论是一个例外，它需要使用尽可能高的精确度和准确度。即便目前的所有测试都证明这个理论正确，测量还需要不断改进。有更高的精确度，至今还未被发现的偏差所代表的新物理效应就可能显现出来，而这在以前精确度较低时是不可能的。如果有，偏差就会为我们提供对新物理现象的重要洞察力；如果没有，就可以相信爱因斯坦的理论比我们已经论证的还要更准确，就可以在更高能标、更广距离范围、更高准确度上放心地使用它。反过来，如果你要将人类送去月球，你必须充分懂得物理定律，这样才可以正确地瞄准火箭方向，但是你无须使用广义相对论——你当然也无须考虑可能存在的偏差的潜在影响。
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走运的粒子物理学家
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在粒子物理学中，我们会探索可以探测的统治最小与最基本物质组分的基本定律。单次实验并不测量混杂在一起的许多单次碰撞或多次复杂碰撞。我们所做的预测应用于已知粒子在给定能量上的单次碰撞。粒子进入碰撞点，相互作用，沿着探测器飞行，沿途沉积能量。物理学家刻画粒子碰撞乃是依据粒子飞出时的不同性质，即其质量、能量及电荷。
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从这种意义上说，尽管我们的实验技术面对不少挑战，粒子物理学家却很走运。我们研究尽可能基本的系统，以便分离出基本的组分和定律。该想法是，让实验体系在现有资源的允许下尽量单纯。物理学家面对的挑战是获得所需的物理参数而非解开复杂体系。科学为了得到有趣的结果必须要推动认知的前沿，所以实验是很困难的。它们因此往往处在技术所能达到的能量与距离的极限处。
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事实上，粒子物理学实验并不都那么简单，即使它仅仅研究基本物理量。实验物理学家在展示他们的结果时面临两种挑战。如果他们的确发现奇异的东西，那么他们还必须证明它不是寻常标准模型的事件。另一方面，如果没有发现新东西，那么他们还必须确定其准确度足以展现一个更严格的新极限，使得事物可以出现在标准模型以外。他们必须充分了解测量设备的灵敏度以便知道哪些情况是可以排除的。
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为了确定结果，实验物理学家必须将代表新物理的事件从标准模型已知物理粒子的背景事件中区别出来。这是我们需要许多碰撞来探索新发现的原因之一。许多碰撞的出现，确保了有足够多事件所代表的新物理，能有别于与之相似的标准模型的常规反应。
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故此，实验需要适当的统计。由于测量本身的一些内在不确定性，需要重复进行实验。量子力学告诉我们基本事件也有不确定性。量子力学意味着不管我们如何将技术设计得何等精良，我们也只能计算相互作用发生的概率。无论我们如何测量，不确定性依然存在，即为了准确测量相互作用的强度，唯一的方法是重复测量很多次。有时这种内在不确定性比测量技术的不确定性还小，且小到可以忽视。但是有时我们仍需要将其考虑在内。
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例如，量子力学的不确定性告诉我们，衰变粒子的质量是一个内禀的不确定物理量。该原理告诉我们，当测量发生在有限的时间内，所测的能量就不可能精确。因为测量的时间一定比衰变粒子的寿命短，这确定了质量测量所期的变化量。所以如果实验物理学家想通过发现粒子衰变产物来发现新粒子，就需要反复地测量多次质量。虽然单次实验不可能精确，但多次测量的平均值可以收敛到正确的数值上。
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在许多情况下，量子力学质量不确定性比测量仪器的系统不确定性（内禀误差）小。如果那样，实验物理学家就可以忽略量子力学的质量不确定性。尽管如此，由于相互作用中的概率本质，大量测量还是需要用来确保精确度。就像药品测试的例子，大量统计可以帮助我们得到正确的结论。
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一个很重要的认识是：伴随着量子力学的概率不是完全随机的 。该概率可以通过良好定义的定律来进行计算。在第14章讨论W玻色子质量时，我们将看到这一点。用一条曲线描述给定质量和寿命的粒子在一次碰撞中产生的可能性有多少，我们知道了该曲线的形状。每次能量的测量值会落在以正确值为中心的一个区域，其分布与粒子寿命和不确定性原理相容。即使单次测量不足以确定质量，多次测量却可以确定。一个明确的方案告诉我们如何从重复测量的平均值推导质量。足够多次的测量保证了实验物理学家在一定的精确度和准确度水平上决定正确的质量。
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大型强子对撞机的全新可能性
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应用概率来呈现科学结果与量子力学的内在概率性，两者都不代表我们什么都不知道。事实恰恰相反，我们知道很多。例如，电子磁矩（magnetic moment）是电子的一个内禀属性，我们可以用量子场论来进行极其精确的计算。量子场论结合了量子力学和狭义相对论，是一个研究基本粒子物理属性的工具。我在哈佛大学的同事、物理学家杰拉尔德·加布里埃尔斯（Gerald Gabrielse）已经测量了电子磁矩，精确到小数点后13位，并且该值与理论预测值在这个水平上是吻合的。不确定性在万亿分之一的水平上才参与进来。这使得电子磁矩作为一个自然参数在理论与测量之间有着最精确的吻合。
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物理学之外，没有谁能如此准确地预测这个世界。但是绝大多数人一旦有这样精确的数字，就会认为自己确切地知道理论与它预言的现象。科学家虽然比其他人能够给出更准确的论断，他们还是认为测量与观察的精确度不管多高，都始终为现今未知的现象与新观点留下了空间。
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他们也可以给新现象的尺度设定一个确定的极限。新的假设可能改变预测，但只能发生在目前测量的不确定性或更小的水平上。有时预测的新效应是如此微小，以至于在宇宙的一生中我们都无法指望与之相逢。在这种情形下，甚至连科学家都可能断言说“这件事不会发生”。
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显然，加布里埃尔斯的测量显示，量子场论在一个很高的精度上是正确的。即便如此，我们也不能断定量子场论、粒子物理学或者标准模型就是所有理论了。正如第1章所阐述，新现象的效应只能在不同能标时显现，或者当我们能做更精确测量时暗含在我们所看到的东西里。我们还没有从实验上研究该能量和尺度的范围，因此我们现在还不得而知。
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大型强子对撞机实验在前所未有的高能标上进行，因此它提供了新的可能性。实验探求的新粒子与相互作用很直接，而不是那种需要用极端精确的测量来确认的间接效应。在所有可能性中，大型强子对撞机的测量不会达到足够高的能量来发现离开量子场论的偏差。但是它们可能展示其他现象，预测出与现今精度水平上的标准模型所预言的测量相偏离的结果（甚至是现在测得很准的电子磁矩）。
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对于任何标准模型之外的物理模型，任何预测的小差异都是真实世界基本属性的一大线索。到目前为止还没有出现这些差异以告诉我们需要发现新事物的精度和能量水平，即便我们不知道潜在新现象的精确属性。
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在开篇所介绍的有效理论是指，我们仅仅全面了解我们所学习的是什么，以及在哪一个点上它们失效的极限。有效理论整合了现有的约束——不仅在给定的尺度上归类我们的想法，而且提供了系统的方法来确定新效应在特定能量上有多大。
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关于电磁相互作用力和弱相互作用力的测量与标准模型的预言在0.1%的精度上吻合。粒子碰撞速度、质量、衰变率，以及其他性质也都在这个精确度和准确度上相吻合。标准模型为新发现留下了空间，它们必须小到足以避开现今的探测。新现象或者暗含的理论效应必须小到目前还不能看见，或是因为相互作用本身很小，或是因为效应所伴随的粒子太重，以现在的反应能量还不足以产生它们。现有的测量告诉我们在多高的能量上能发现新粒子或者新的相互作用，同时在当前不确定性允许的条件下不造成对测量的更大偏差。这些测量也告诉我们新事物是多么少见。但随着测量精度变得足够高，或者实验发生在不同的物理条件下，实验物理学家就可以搜寻模型的偏差，虽然该模型迄今为止描述了所有实验粒子物理学的结果。
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当今的实验基于一个通识：新想法都建立在一个成功应用于低能量的有效理论基础上。这些实验的目标都是为了揭示新物质与新的相互作用，并牢记物理是按一个又一个能标建构知识的。通过研究大型强子对撞机的更高能标，我们希望发现并完全理解到目前为止我们所见事物的背后理论 。在测量新现象以前，大型强子对撞机数据将为我们提供宝贵、严格的约束，限制标准模型之外可能存在的现象和理论。如果我们的理论考虑是正确的，那么新现象最终会在大型强子对撞机现在所研究的高能区域中出现。这样的发现迫使我们推广或者将标准模型纳入一个更复杂的理论体系中。这个更全面的模型将在一个更大的能量尺度上更准确地与实验符合。
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我们不知道哪个理论会在自然中实现，也不知道何时才能给出新发现。答案依赖于有什么，并且我们还不知道它是什么或者我们应该看什么。对于任何有关何种新事物存在的特定设想，我们知道如何从实验结果中发现、如何计算以及估计它何时可能发生。在后文中，我们将探讨大型强子对撞机的实验如何工作、实验可能会发现什么。
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950068]