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2012年，当希格斯玻色子在欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）中被证实时，标准模型（SM）在理论上已经完备。所有预测的粒子都已被发现。其方程以惊人的精度通过了所有实验测试。
然而，物理学界的氛围并非终结，而是未完成的感觉。正如牛顿定律在爱因斯坦之前，或经典物理学在量子力学之前，标准模型在我们能够测试的尺度上极其成功，但无法回答更深层次的问题。它几乎是一张完美的地图——但仅涵盖了风景的一小部分。
最明显的遗漏是引力。
这不仅仅是一个疏忽。广义相对论将引力视为时空的弯曲，一个平滑的几何场，而标准模型将力视为由粒子介导的量子场。以同样方式量子化引力的尝试会产生无法归一化的无穷大。
标准模型和广义相对论就像两个不同的操作系统——在各自的领域内表现卓越，但本质上不兼容。调和它们可能是现代物理学的最大挑战。
标准模型预测中微子没有质量。然而，从日本的超级神冈探测器（1998年）开始，并得到全球确认的实验表明，中微子在不同风味（电子、μ子、τ子）之间振荡。振荡需要质量。
这是标准模型之外物理学的第一个确认证据。这一发现为梶田和麦克唐纳赢得了2015年的诺贝尔奖。
中微子极轻，至少比电子轻一百万倍。它们的质量无法由标准模型解释——但可能暗示着新物理，如跷跷板机制、无菌中微子或与早期宇宙的联系。在某些场景中，重跷跷板中微子允许轻子生成，在早期宇宙中产生轻子不对称，随后转化为观测到的物质-反物质不对称。
标准模型描述的可见物质仅占宇宙不到5%。其余部分是不可见的。
理论提出了新粒子：弱相互作用大质量粒子（WIMP）、轴子、无菌中微子或更奇怪的东西。尽管进行了数十年的搜索——地下探测器、碰撞实验、天体物理研究——暗物质仍然难以捉摸。
更神秘的是暗能量，推动宇宙加速膨胀的力。
这一宇宙常数问题或许是量子场论与引力之间最尖锐的冲突。标准模型对暗能量毫无解释。这是我们对宇宙理解的巨大空白。
另一个深层谜团在于希格斯玻色子本身。
希格斯质量被测量为125 GeV。然而，量子修正应将其推向普朗克尺度（\(10^{19}\) GeV），除非发生奇迹般的抵消。为什么它与引力的自然能量尺度相比如此轻？
这就是层级问题：希格斯似乎异常精细调谐。物理学家怀疑存在新物理，如超对称（SUSY），可以通过引入抵消危险修正的伙伴粒子来稳定希格斯质量。（关于自然性的争论涵盖了从动态解决方案到可能的真空“景观”中的人择原理推理。）
标准模型包含一些CP破坏，但不足以解释为什么当前宇宙充满物质，而不是物质和反物质的等量。如上所述，轻子生成等机制（通常与通过跷跷板机制产生中微子质量相关）提供了一条令人信服的路径，标准模型之外的物理学使平衡倾斜。
标准模型有时被称为“物理学中最成功的理论”。其预测与实验相符，精确到10^-12位小数。它几乎解释了我们在粒子加速器和实验室中看到的一切。
但它不完整：
物理学家现在面临历史上的一个熟悉时刻。就像牛顿力学让位于相对论，经典物理学让位于量子力学，标准模型最终必须让位于更深层的东西。
终极目标是一个大统一理论（GUT），甚至是万物理论（ToE）：一个统一四种力、解释所有粒子、并从最小尺度（量子引力）到最大尺度（宇宙学）一致运作的框架。
这是现代物理学的圣杯。因此，研究人员将加速器推向更高能量，建造大型中微子探测器，用望远镜绘制宇宙地图，并发明大胆的新数学方法。
接下来的章节将探讨主要候选者：
这些想法并非作为教条，而是作为科学的最佳体现：注意到裂缝，构建新理论，并将其与现实进行测试。
物理学通过对称性统一的历史悠久。麦克斯韦方程统一了电与磁。狭义相对论统一了空间与时间。电弱理论统一了四种基本力中的两种。每一次进步都源于揭示自然中隐藏的对称性。
超对称——或物理学家亲切称之为SUSY——是大胆提议，下一大对称性连接了两个看似不同的粒子类别：物质和力。
在标准模型中，粒子分为两大类：
费米子（自旋1/2）：包括夸克和轻子，构成物质的构建块。其半整数自旋意味着它们遵循泡利不相容原理：两个相同的费米子不能占据同一状态。这解释了原子为何有结构化的壳层以及物质为何稳定。
玻色子（整数自旋）：包括光子、胶子、W和Z玻色子以及希格斯。玻色子介导力。与费米子不同，它们可以堆积在同一状态，这解释了激光（光子）和玻色-爱因斯坦凝聚态的存在。
简而言之：费米子构成物质，玻色子传递力。
超对称提出了一种连接费米子和玻色子的对称性。每个已知的费米子都有一个玻色子伙伴。每个已知的玻色子都有一个费米子伙伴。
（“光子诺”和“Z子诺”是旧的规范本征态昵称；实验实际上寻找的是上述质量本征态。）
为何提出如此激进的粒子世界翻倍？因为SUSY为标准模型留下的一些最深层问题提供了优雅的解决方案。
SUSY的最大吸引力是其解决层级问题的能力：为什么希格斯玻色子相对于普朗克尺度如此轻。
在标准模型中，虚粒子的量子修正应将希格斯质量推向巨大值。超对称引入超粒子，其贡献抵消这些发散。结果：希格斯质量自然稳定，无需精细调谐（至少在“自然”SUSY谱中）。
SUSY的另一个动机来自力的统一。
这表明在极高能量下，三种力可能融合成单一的大统一理论（GUT）。
超对称还为暗物质提供了一个自然候选者。
如果SUSY正确，那么一个超粒子应该是稳定的且电中性。主要候选者是最轻的中性子诺，是比诺、维诺和希格斯诺的混合。
中性子诺仅弱相互作用，符合弱相互作用大质量粒子（WIMP）的特征。如果被发现，它们可以解释宇宙中27%的缺失物质。
几十年来，物理学家希望超对称粒子会在已探索的能量尺度稍上方出现。
LHC未发现SUSY令人失望。许多最简单的SUSY版本，如“最小超对称标准模型”（MSSM），现已受到严格限制。“自然”谱被推向更高质量，意味着如果SUSY存在于TeV尺度附近，则需要更多精细调谐。
尽管如此，SUSY并未被排除。更复杂的模型预测更重或更微妙的超粒子，可能超出LHC的探测范围，或具有太弱的相互作用而难以轻易检测。
除了其现象学动机，SUSY具有深刻的数学优雅。
即使自然在可访问能量下不实现SUSY，其数学已丰富了物理学。
今天，SUSY处于一个奇特的位置。
如果LHC及其后续设备一无所获，SUSY可能仅在我们无法触及的能量尺度上实现——或者自然选择了完全不同的路径。
超对称展示了科学方法的实践。
物理学家识别了问题：层级问题、统一、暗物质。他们提出了一个解决所有这些问题的新颖对称性。他们设计了实验来测试它。到目前为止，结果是负面的——但这并不意味着这个想法毫无价值。SUSY改进了我们的工具，明确了我们在寻找什么，并指导了几代研究。
就像之前的以太或周转圆，SUSY可能是通向更深真理的跳板，无论它是否作为最终答案存活。
标准模型之外的物理学往往由修补驱动：解决层级问题，解释暗物质，统一规范耦合。弦理论不同。它不是从一个具体谜题开始，而是从数学开始——并最终重新定义了我们对空间、时间和物质的整个概念。
令人惊讶的是，弦理论并非作为万物理论开始，而是作为理解强核力的失败尝试。
在1960年代末，量子色动力学（QCD）尚未完全发展时，物理学家试图解释强子的动物园。他们注意到散射数据中的模式，暗示共振可以由振动弦建模。
1968年由维尼齐亚诺引入的“双重共振模型”描述了强相互作用，好像强子是微小弦的激发态。它优雅但很快被放弃，因为QCD成为强力的真正理论。
尽管如此，弦理论拒绝消亡。其方程中隐藏着非凡的特性，似乎指向远超核物理的领域。
当理论家量化弦的振动时，他们发现谱中不可避免地包含一个无质量自旋2粒子。
这令人震惊。量子场论表明，无质量自旋2粒子是独一无二的：它必须是引力的量子，引力子。
正如约翰·施瓦茨后来所说：“但一个惊人的事实浮现：弦理论的数学不可避免地包含一个无质量自旋2粒子——引力子。”
始于强子理论的东西意外地产生了量子引力的构建块。
弦理论的核心是将点粒子替换为微小的一维物体：弦。
弦可以是开弦（有两端）或闭弦（环）。
弦的不同振动模式对应不同粒子。
这一简单转变——从点到弦——解决了困扰量子引力的许多无穷大。弦的有限大小模糊了零距离处爆炸的相互作用。
弦理论的早期版本存在问题：它们包含快子（不稳定）并要求非现实特征。突破来自超对称的引入，导致1970和1980年代的超弦理论。
超弦消除了快子，纳入了费米子，并带来了新的数学一致性。
但有一个问题：弦理论仅在更高维度中有效。具体来说，10个时空维度。
这一想法虽看似激进，却并非全新。1920年代，卡鲁扎-克莱因理论提出额外维度可以统一引力和电磁力。弦理论复兴并极大地扩展了这一想法。
1980年代中期，物理学家发现弦理论并非单一，而是存在五种不同版本：
每一种似乎在数学上一致，但自然为何选择其中一种？
1984年，迈克尔·格林和约翰·施瓦茨展示了弦理论可以自动抵消量子异常——量子场论必须小心设计的特性。这一发现引发了第一次超弦革命，数千名物理学家转向弦理论作为统一所有力的候选理论。
这是第一个严肃的框架，其中量子引力不仅是一致的，而且是不可避免的。
1990年代中期，第二次革命到来。爱德华·维滕和其他人发现五种不同弦理论并非竞争者，而是一个更深层次理论的不同极限：M理论。
M理论被认为存在于11个维度，不仅包括弦，还包括更高维度的物体，称为膜（膜的简称）。
这些膜带来了丰富的新可能性：整个宇宙可能作为漂浮在更高维度空间中的3-膜存在，引力泄漏到体积中，而其他力保持局限。这一图景启发了现代额外维度模型，如兰道尔-桑德拉姆。
卡鲁扎-克莱因（1920年代）：提出第五额外维度以统一引力和电磁力。这一想法被搁置数十年，但弦理论以更宏大的形式复兴了它。压缩的额外维度仍是弦模型的核心特征。
兰道尔-桑德拉姆（1999）：提出“扭曲”的额外维度，我们的宇宙是嵌入更高维度中的3-膜。引力在体积中扩散，解释了它为何比其他力弱。此类模型预测粒子对撞机中的可能信号或极短距离下牛顿定律的偏差。
弦理论提出大胆主张，但测试它们极其困难。
尽管面临挑战，弦理论为数学提供了丰沃土壤，激发了几何、拓扑学和AdS/CFT等对偶性（将高维引力与无引力量子场论联系起来）的进展。
支持者认为弦理论是通向统一理论的最有希望路径：它包含量子引力，统一所有力，并解释了引力子为何必须存在。
批评者认为，没有实验验证，弦理论有脱离经验科学的风险。其庞大的“景观”可能解（高达\(10^{500}\)）使得提取独特预测变得困难。
双方同意一点：弦理论改变了我们对物理学的思考方式，提供了统一的语言。
如果超对称是标准模型之外的下一步，那么弦理论是再下一步：一个期待已久的万物理论候选者。
它最大胆的主张不是仅仅包含标准模型和引力，而是它们是高维振动弦的必然结果。引力子不是附加物——它是内置的。
自然是否选择了这一路径尚待发现。
理论是物理学的命脉，但实验是其心跳。超对称、弦理论和额外维度是美丽的数学构造，但它们因证据而存活或消亡。如果它们不仅仅是推测，就必须在数据中留下痕迹。
物理学家开发了巧妙的方法来寻找这些痕迹——在对撞机中、宇宙中以及时空本身的结构中。
CERN的大型强子对撞机（LHC）是世界上最强大的粒子加速器，将质子碰撞至高达13.6 TeV的能量（设计：14 TeV）。它一直是人类探索标准模型之外物理学的主要工具。
一些理论建议，如果引力在TeV尺度变强，LHC碰撞可能形成微黑洞，蒸发为粒子爆发。未观察到此类事件。
如果额外维度存在，牛顿引力定律可能在短距离失效。
这些桌面实验惊人地敏感，探索了对撞机无法触及的尺度。
2015年LIGO发现引力波开启了新前沿。
迄今观测与广义相对论一致，在当前不确定性范围内，但更高精度可能揭示惊喜。
宇宙本身是终极粒子加速器。
目前，天空寂静无声。暗物质仍未被探测，宇宙学数据与ΛCDM模型拟合，无明显弦迹。
数十年的搜索未确认SUSY、额外维度或弦信号。但证据的缺失并非缺失的证据：
一些精密异常（如μ子的(g-2)测量和风味物理中的一些张力）仍引人注目但未解决；它们激励持续审查，但尚未推翻标准模型。
实验已约束了参数空间。它们告诉我们SUSY不在何处，额外维度必须多小，暗物质的相互作用可以多强或多弱。
未来实验承诺更深入的探索：
标准模型之外物理学的实验历史不是失败的故事，而是过程的故事。
正如卢瑟福的金箔实验打破了梅子布丁模型，或LIGO消除了对引力波的怀疑，下一个重大发现可能突然到来——并改变一切。
几个世纪以来，物理学通过统一而进步。牛顿将天空与地球统一于单一引力定律。麦克斯韦统一了电与磁。爱因斯坦统一了空间与时间。电弱理论表明两种截然不同的力是同一事物的不同方面。
下一步是迄今最大胆的：将四种基本相互作用——强、弱、电磁和引力——统一于一个一致的框架。这是物理学的圣杯：万物理论（ToE）。
完全统一不仅是哲学优雅；它解决深层的实用和概念问题：
ToE不仅统一力——它统一尺度，从量子理论中最小的弦到最大的宇宙结构。
超对称（SUSY），如果在自然中实现，为ToE提供了一个跳板。
受SUSY启发的GUT（如SU(5)、SO(10)或E₆）设想在超高能量下，夸克和轻子统一为更大的多重态，力融合为单一规范群。
但SUSY尚未在实验中出现。如果它仅存在于我们无法触及的尺度，其统一力量可能仍诱人但隐藏。
弦理论更进一步。它不是修补标准模型，而是重写其基础：
在这一愿景中，统一不是巧合——它是几何。力之所以不同，是因为弦以不同方式振动，受额外维度的拓扑塑造。
发现五种弦理论通过对偶性相连导致了M理论，一个更宏大的框架：
M理论仍未完成，但代表了迄今尝试的最大胆一步。
弦理论和M理论并非唯一路径。物理学家正在探索多个框架，各有不同优势：
尽管没有一个能与弦理论的统一范围匹敌，它们展示了研究的丰富性。
ToE最终必须可测试。尽管普朗克尺度远超当前实验，物理学家寻找间接证据：
目前，ToE仍不可及，但每个零结果缩小了可能性。
真正的ToE不仅统一物理学——它统一人类知识。它将连接量子力学与相对论，微观与宏观，粒子与宇宙。
然而，它面临悖论：统一发生的尺度可能永远超出实验范围。100 TeV对撞机仅探索通向普朗克尺度的一小部分。我们可能需依赖宇宙学、数学一致性或间接信号。
梦想因框架的深层优雅而存活。正如维滕所说，弦理论不仅是“一组方程”，而是“物理学的新框架”。
寻找ToE不是宣称弦理论、SUSY或任何单一想法为“真”。它关乎科学方法：
故事远未结束。但正是这种开放性——拒绝将任何理论视为神圣——使物理学成为活的科学，而非教条。
物理学的下一个世纪可能揭示：
或者，真正的ToE可能是无人设想的东西。
但追寻本身——统一、解释、完整看待自然的冲动——与方程本身一样是人类的一部分。