量子宇宙 第二章 物质、能量、空间和时间的基本性质
世界各地目前和未来的粒子物理学实验使我们有能力解决一系列关于支配宇宙的基本物理规律的明确问题。这些问题，既是我们熟悉的，又是深刻的革命性问题，确定了21世纪粒子物理学的发展道路。
爱因斯坦的"统一场"理论
自爱因斯坦以来，物理学家一直在寻求一种统一的理论来解释宇宙中的所有基本力量和粒子。其结果是一个惊人的成功理论，它将微观物理学的复杂性减少到一套简明的法律。但这些量子思想在应用于宇宙物理学时却失败了。一些基本的部分被遗漏了；引力、暗物质和暗能量必须有量子的解释。需要一个新的理论视野，一个包含标准模型和广义相对论，同时解决暗能量之谜的理论。粒子加速器提供了一种手段，可以在以四个明确的知识主旨为特征的实验中达到统一的理论观点。
1、是否存在未被发现的自然原理：新的对称性，新的物理规律？
我们对发现自然界基本定律的探索导致了这样的启示：物理学定律以及它们所支配的粒子之所以存在，是因为自然界的潜在对称性，其中一些自大爆炸以来已经丢失。这种失去的对称性之一可能是超对称性。正如每个粒子都存在一个反粒子一样，超对称性预测每个已知的粒子也存在一个超伙伴粒子。作为弦理论的重要组成部分，超对称性的强大理论吸引力的一部分在于它可能与暗能量有关，而且它为暗物质--中性子--提供了一个自然的候选人。
发现超对称性是粒子物理学的一个直接的实验挑战，随后是探索其结构和超伙伴粒子的特性。粒子加速器实验将揭开超对称性在统一理论中的作用，并揭示中性子超伙伴是否占了暗物质。
2、如何破解暗能量之谜？
最近用望远镜和太空探测器进行的测量表明，一种神秘的力量--暗能量--填充了空旷的真空，加速了宇宙的膨胀。我们不知道暗能量是什么，也不知道它为什么存在。另一方面，粒子理论告诉我们，在微观层面上，即使是完美的真空也会出现量子粒子，这些粒子是暗能量的一个自然来源。但对真空中产生的暗能量进行天真的计算，得出的数值比我们观察到的数量大10120倍。需要一些未知的物理过程来消除大部分，但不是全部的真空能量，留下足够的能量来驱动宇宙的加速膨胀。需要一个新的粒子物理学理论来解释这个物理过程。
粒子物理学数据指出了空旷空间的另一个神秘组成部分--希格斯场，它使粒子具有质量属性。如果没有希格斯场，电子将以光速飞行，而原子将立即解体。暗能量和希格斯场有关系吗？超对称性的发现将为可能的联系提供关键证据。超对称性既为希格斯场提供了自然背景，也为暗能量的小而有限的价值提供了可能的解释。
3、是否有另外的空间维度?
弦理论的革命性概念大胆地实现了爱因斯坦的梦想，即对从粒子物理学的最微小量子到宇宙本身的一切都有一个终极解释。弦理论通过将所有已知的力和粒子产生为一种叫做超弦的单一物质的不同振动来统一物理学。弦理论以一种优雅的数学构造为物理学带来了量子的一致性，这似乎是独一无二的。
超弦存在吗？弦本身可能太小，无法直接观察，但弦理论做出了一些可测试的预测。它暗示了超对称性，并预测了七个未被发现的空间维度，这些维度将产生粒子物理学的大部分神秘复杂性。检验弦理论的有效性需要寻找额外的维度并探索其特性。有多少个？它们的形状和大小是什么？它们是如何以及为什么被隐藏的？与额外维度相关的新粒子又是什么？
4、能将所有的力都统一成一种吗？
在最基本的层面上，粒子和力量可能会趋于一致，要么是通过大统一这样的隐藏原则，要么是通过超弦这样的激进物理学。我们已经知道，非常相似的数学定律和原则描述了除引力之外的所有已知力量。也许所有的力都是一个单一的大统一力的不同表现形式，这种力将把夸克和轻子联系起来，并预测将一种粒子转换成另一种粒子的新方法。这样一种力可能最终会使质子衰变，使普通物质变得不稳定。
粒子世界
物理学家已经确定了57种不同的基本粒子，并对它们的许多特性进行了精确的测定。它们的作用是什么？当我们把它们全部找到时，我们将如何知道？也许这些粒子只是一条超弦上的不同音符。也许它们通过大统一或其他隐藏的对称性，以我们尚未破译的方式联系起来。统一可能提供了钥匙，即赋予粒子复杂身份的简单原则。
5、为什么会有这么多的粒子？
我们已经发现了夸克和轻子的三个家族，这些家族的基本粒子只在质量上有所不同，其范围从不到电子质量的百万分之一到黄金原子的质量。正如量子力学导致了对周期表组织的理解一样，我们期待着新的理论来解释基本粒子的模式。为什么会有三个系列的粒子存在，为什么它们的质量会有如此大的差异？
目前的调查重点是对粒子世界中的现有模式进行详细的描述。已经取得了显著的进展，特别是在描述夸克的特征方面。但是为什么轻子和夸克的模式完全不同？在加速器实验中对夸克和轻子的详细研究将为这些问题提供最清晰的洞察力。
6、什么是暗物质？我们怎样才能在实验室里制造它？
宇宙中的大部分物质都是暗物质。没有暗物质，星系和恒星就不会形成，生命就不会存在。它将宇宙维系在一起。它是什么？虽然暗物质的存在在20世纪30年代就被提出来了，但只是在过去的10到15年里，科学家们在理解它的特性方面取得了实质性的进展，主要是通过确定它不是什么。最近对暗物质对宇宙结构的影响的观察表明，它不像我们在实验室中发现或测量的任何形式的物质。同时，新的理论已经出现，可能告诉我们暗物质究竟是什么。超对称理论预测了与普通物质相互作用非常弱的新粒子家族。最轻的超对称粒子很可能是难以捉摸的暗物质粒子。我们需要直接研究暗物质，在地下探测器中探测遗留的暗物质粒子，并在加速器中制造暗物质粒子，在那里我们可以测量它们的特性并了解它们如何融入宇宙图景。
7、中微子在告诉我们什么？
中微子无处不在，难以捉摸，充满惊喜，是宇宙中已知粒子中最神秘的一种。它们与其他粒子的相互作用非常微弱，以至于每秒钟有数万亿个中微子穿过我们的身体而不留下任何痕迹。太阳闪耀着中微子的光芒，它产生于为太阳提供动力的内部核聚变反应。这些反应只产生一种中微子，但它们在到达地球的途中神秘地蜕变成另外两种。中微子有质量，但最重的中微子比最轻的带电粒子至少轻一百万倍。
中微子微小的非零质量的存在，提出了一种可能性，即中微子从未知的物理学中获得其质量，也许与统一性有关。对中微子属性的详细研究--它们的质量，它们如何从一种变为另一种，以及中微子是否是它们自己的反粒子--将告诉我们中微子是否符合普通物质的模式，或者它们是否在引导我们发现新现象。
宇宙的诞生
是什么引发了大爆炸？空间、时间、物质和能量是如何形成我们今天看到的形式的？我们能不能向后看，揭开宇宙的历史？
大爆炸爆发出巨大能量后，宇宙开始冷却，一直持续到我们这个时代。由此产生的一连串事件是一出宇宙剧，有许多幕，有戏剧性的过渡，一路上有许多演员出现和消失。早期的场景在难以想象的温度和密度下上演，舞台由粒子物理学的基本属性设置。这些过程必须经过微调才能产生一个能够形成我们今天观察到的星系、恒星和行星的宇宙。一些未被发现的基本规律是否决定了使我们得以存在的条件？
为了重建宇宙的故事，望远镜和空间探测器探测早期宇宙的遗迹，而粒子加速器则重现并研究作为各发展阶段和各阶段之间过渡的特征的极端物理学。随着我们开始了解宇宙的过去，我们可以展望宇宙的未来，并预测其最终命运。
8、宇宙是如何变成现状的？
根据现代的宇宙演化理论，宇宙开始于一个单一的爆炸，随后是一阵通货膨胀的扩张。要了解通货膨胀，需要我们在对基础物理学、量子引力和终极统一理论的理解上取得突破。尽管通货膨胀条件的能量太高，无法在地球上重现，但我们可以观察到它们的特征，通过它们在我们仍然可以探测到的那个时代的遗留物质上的印记，在漫长的岁月中传递出来。
在膨胀之后，早期宇宙的条件仍然是如此极端，它们可以将基本粒子结合成新的物质相。随着宇宙的膨胀和冷却，发生了物质从一个相到另一个相的转变，就像蒸汽凝结成水。其中一些相变可能是宇宙历史上最戏剧性的事件，塑造了宇宙的演变，并留下了今天可以观察到的遗迹。宇宙相变可以在高能加速器实验中重现。
9、反物质怎么了？
实验告诉我们，每个基本粒子都存在一个反粒子。大爆炸及其后果几乎可以肯定产生了同等数量的粒子和反粒子。然而，在我们能够探测到的宇宙范围内，我们的观察表明，我们生活在一个由物质而非反物质组成的宇宙中。反物质发生了什么？粒子和反粒子之间的微小不平衡一定是在宇宙演化的早期形成的，否则它们都会湮灭，只留下光子和中微子。物质和反物质之间微妙的不对称性，其中一些我们已经在实验室中通过实验观察到，必须对这种不平衡性负责。但我们目前对这些不对称性的了解是不完整的，不足以解释所观察到的物质主导地位。
一定还有其他一些未被发现的现象，使物质和反物质的行为有所不同。我们可能在夸克或中微子中发现它。它的来源可能在于希格斯玻色子的特性、超对称性或甚至额外维度中。