粒子物理学是否已经走到尽头?

现在粒子物理学的情况是,除了希格斯玻色子之外,大型强子对撞机还没有找到任何新粒子存在的证据,至少目前还没有。正因为如此,现在粒子物理学家对如何继续进行研究感到不知所措。即使他们在以后的数据中发现了一些东西,但已经很明显他们的预测是错误的。

在过去的40年里,粒子物理学的理论发展主要是通过所谓的“自上而下”的方法来实现的。这些方法表示,基于我们所重视的原理创立一种理论,然后推导出我们期望在粒子对撞机中看到的东西。毫不夸张的说,这种方法效果很差。

主要的问题是,物理学家用来构建他们理论的原理仅仅是审美需求。例如,自上而下的方法假定基本力是统一的,宇宙有额外的对称性,或理论中的参数是自然的。但是这些假设都是不必要的,它们只是美好的猜测。

自上而下方法的对立面是自下而上的方法——从已经证实的理论开始,然后添加可能的修改,这样能使所做的修改只与还没有测试的情况相关。然后,从数据中找出哪些修改是有希望的,因为它们使理论更符合数据。这是一种非常不受欢迎的方法,因为数据已经一遍又一遍地告诉我们当前的理论很合适,不需要修改。所以自下而上的方法也不十分恰当。

超对称性概念长期以来一直是最流行的自上而下的方法。从理论上讲,该领域的物理学家从数据中得出结论是一个好现象。但是如果他们不试着去了解哪里出了错——为什么那么多的理论物理学家相信那些不能描述现实的概念——他们就有重蹈覆辙的风险。如果他们只是在交换审美标准,那是无用的。

事实上,自下而上的方法在科学方面是可靠的。但它们也增加了我们被新理论发展所困的风险,因为没有自上而下的方法,我们不知道在哪里寻找新的数据。这就是为什么一些用于理论发展的数学原理是可以使用的,也就是那些可以防止内部矛盾的数学原理。

这种自上而下和自下而上对比的讨论并不新鲜,每次对新粒子的预测被证明是错误时都会出现。而且每一次这个领域的理论家都不去意识到他们方法的错误,仅仅是调整他们的模型来规避实验限制,并像以前一样继续。