根据道格拉斯·亚当斯（Douglas Adams）在他的科幻作品《银河系漫游指南》一书中的描述，生命、宇宙、万物的终极答案便是42。

但42究竟诠释着什么？至少在这里，它意味着42个通往真理的基本大问题：从宇宙学常数问题，到时空和量子场的起源，再到生命和意识之谜。

I. 超越标准模型篇上个世纪，物理学家经过了几十年的努力发展出了粒子物理学的标准模型，描述了自然界中的三种基本力（电磁力、弱核力和强核力）和基本粒子（夸克、电子等），两个量子场论是它的核心。

量子电动力学（QED）描述了光与物质间的相互作用，并和弱核力统一成电弱力。

量子色动力学（QCD）则是描述强核力的一个理论。

2012年，标准模型迎来了巅峰，希格斯玻色子的发现最终填补了标准模型的最后一块拼图。

然而，我们知道它并不是一个终极理论。

标准模型没有包括引力，也无法解释中微子为什么有质量等其他问题。

因此，多年来物理学家一直致力于寻找超越标准模型的新物理。

1. 夸克和轻子是最基本的吗？为什么世间的万物都有着一些共同的性质？人们很快就意识到，物质其实都是由自然界的一些基本单元构成的。

所谓的基本单元是指不能再由更小的物质构成的单元。

经历了千年的探索，我们在实验中发现了原子、质子、中子、电子和夸克。

现在我们知道，电子（与μ子和τ子被称为轻子）和夸克（共有六种）是不可再分割的。

但是，鉴于过去的经历，我们不得不怀疑它们真的是最基本的吗？或许它们是由更小的先子（preon）组成的？又或者它们正如弦理论所预言的那样是由只有普朗克长度大小的弦构成的？○ 宇宙中最基本的粒子是什么？| 图片来源：Fermilab2. 家族问题：为什么夸克和轻子有三代？上夸克、下夸克、电子和电中微子都是被称为费米子的基本粒子，它们构成了我们体验到的万物。

但这并不是故事的全部，自然富有深意的又安排了这些费米子的第二代，甚至是第三代。

例如，三代带电轻子分别为：电子（发现于1897年）、μ子（发现于1937年）和 τ子（发现于1975年）。

它们的性质完全相同，μ子和 τ子只是电子更重的版本而已。

物理学家发现，电子可以完成其它两种粒子能做的一切事情，就好像 μ子和 τ子是多余的一样。

以至于当 μ子第一次在宇宙射线中被发现的时候，著名的实验家Isidor Rabi怒道：“是谁订的 μ子？” 物理学家把这三种粒子描述为轻子家族的三代，然而，在我们所观测的世界中，似乎只需要第一代的电子就足够了。

为什么会有三代？其中必然有更深刻的原因，只是我们还不知道。

○ 费米子：左边是三代夸克上(u)、下(d)、粲(c)、奇(s)、顶(t)及底(b)；

右边是三代轻子：电子(e)、μ子和τ子，以及它们相应的中微子(ν)。

| 图片来源：Sandbox Studio, Chicago with Ana Kova3. 夸总是被束缚在它们所构成的粒子内吗？其背后的理论为何如此的难？根据量子色动力学（QCD），当两个夸克越靠越近时（能量越来越高），它们间的相互作用就越弱，这被称为“渐进自由”。

1973年，Frank Wilczek和其他两位物理学家因发现了渐进自由而获得诺贝尔物理学奖，他们描述了在高能下，对强核力进行微扰计算的可能。

物理学家相信，在低能量的情况下（距离越来越远），夸克之间的作用力则会越来越强，使夸克永远被禁闭在它们所构成的粒子（比如质子或中子）内，因此宇宙中并没有自由夸克。

虽然夸克禁闭是被普遍接受的事实，但从来没有被严格的证明过。

○ 宇宙中并没不存在“自由夸克”。

如果把一个上夸克和一个反下夸克强行拉开，所需要的能量越来越高，一旦超过一个点，便会在真空中制造出一对夸克/反夸克对。

这是很反直觉的，有点像奇怪的巴拿赫-塔斯基定理（又名“分球怪论”）。

| 图片来源：Flip Tanedo of Quantum Diaries事实上，QCD在许多方面都没有被很好的理解，因为它们是如此的深奥，以至于相关问题也被列为千禧年七大数学难题之一。

对QCD更好的理解，能够帮助我们揭开许多谜题。

例如，在宇宙学中，夸克-胶子等离子体是非常重要的，它也已经在实验室（比如RHIC和LHC）中被制造出来了。

对夸克-胶子等离子的深入研究为我们提供了许多的洞见，但也出现了许多新的问题。

此外，对QCD的完整相图的研究也能够应用在核物理和天体物理中，比如更好的描述中子星的内部结构。

4. 粒子质量的起源之谜虽然理论物理学家已经投入了大量的工作，但是并没有理论能够解释标准模型中的费米子的质量，或者说它们与希格斯场的汤川耦合。

特别是顶夸克的质量之谜，不仅是因为它的质量相比其它基本粒子是如此之大，也因为它的值接近希格斯场的真空期望值。

同时，中微子质量的发现，为我们需要一个超越标准模型的理论提供了坚实的实验证据。

对于每一代的费米子，要么需要加入一个额外的场（如果是狄拉克型的质量，就像电子或夸克那样），要么违反轻子数守恒（如果是马约拉纳型的质量，意味着中微子是自己的反粒子）。

我们需要解释为什么中微子具有质量，以及为什么质量那么小。

这些问题都可以在大统一理论中找到答案，但大统一理论有很多版本，并没有哪个被普遍接受。

目前，我们并不知道中微子的确切质量（中微子振荡实验只测量了质量平方差），也不知道质量是属于马约拉纳型的还是狄拉克型的，又或者两者兼有。

此外，正如其它的费米子，目前也没有理论解释中微子质量的基本起源。

○ 我们一般认为物质和反物质是不同的，就像天使与恶魔。

但是马约拉纳中微子却同时是天使与恶魔。

| 图片来源：Fermilab Today5. 等级问题和超对称为什么标准模型中的基本粒子的质量要比普朗克质量小那么多？这个问题就是所谓的“等级问题”。

我们似乎可以说粒子物理学是一个等级森严的领域。

四种基本力的强度悬殊，从强到弱（即从强核力到引力）形成等级。

物理学中的不同质量也形成等级，最顶层的是普朗克质量，最底层的就是真空能量。

如果从第一原理预测标准模型的粒子的质量，它们的质量应当约为普朗克质量，大概在能量10^19GeV。

但问题是，这比宇宙中已被探测到的质量最大的粒子都要高出17个数量级。

特别是希格斯玻色子，它的质量应该非常大，因为它跟如此多的粒子相互作用。

而我们现在已经知道，希格斯玻色子的质量只有125GeV，这跟普朗克能量尺度相差十几个数量级，而不是理论所期待的在同一个等级。

因此，我们要问，为什么粒子的质量是我们现在观测到的质量，而不是接近普朗克质量？最优美的一个解决方法是存在一个额外的对称，可以抵消所有普朗克尺度的贡献，使粒子的质量要比普朗克质量低的多。

这就是“超对称”理论背后的想法。

超对称做了一个非常大胆的预言：所有的费米子（比如夸克和电子）都有一个玻色子的超对称伙伴，以及所有的玻色子（比如光子，胶子）都有相应的费米子超对称伙伴。

在许多超对称理论中，最轻的超对称粒子是一种不带电、稳定的粒子，称为中轻微子。

如果找到这些粒子，也可以解释暗物质的问题。

虽然超对称理论备受喜爱，但多年来在粒子加速器都没有发现它们，而它们早应该被找到。

○ 左边为标准模型粒子，右边为超对称粒子。

| 图片来源：DESY6. 还有哪些未知的粒子等待被发现？过去，越来越强大的加速器或探测器发现了许多新的粒子，而这很可能会再次发生。

有一些新粒子被提出来解决一些特定问题，比如轴子可以解释为什么量子色动力学不违反CP不变性，惰性中微子则被提出来解释中微子振荡实验中的可能观测。

其它的新粒子被提出来主要是因为它们在理论上是可能存在的，比如类似标准模型中的额外费米子或玻色子。

我们随时可能在实验室中遇到令人惊喜的新发现，因为我们对自然的理解还不完整。

○ 轴子（扩展阅读：《同时解决物理学的五大难题？一个野心勃勃的理论》）。

| 图片来源：Sandbox Studio7. 质子的半径、自旋和衰变之谜原子中的质子是由三个夸克组成，尽管质子在100多年前就走入我们的视线，但事实表明我们对它还不够了解。

当科学家用不同的方法测量质子的半径时惊奇的发现，两种方法给出了不同的半径数值。

对半径的精确测量很重要，因为这是对量子电动力学（QED）的检验。

如果这种差异在实验中持续出现，或许意味着存在着一个未发现的粒子。

但即使半径之谜解决了，科学家还面临着另一个问题。

起初，物理学家认为它的自旋主要来自夸克的贡献。

但到了1987年，欧洲μ子实验组进行的一系列高能物理实验引发了所谓的“质子自旋危机”。

由CERN、DESY和SLAC所进行的实验给出了令人意外的结果：夸克对质子的自旋贡献仅为30%！如果不是夸克，那又会是什么？在一次最新的大型数值模拟量子色动力学的结果显示，胶子提供了质子一半的自旋。

而剩下的20%的质子自旋被认为是来自夸克和胶子的轨道角动量。

基于过去几十年的努力，物理学家距离揭开质子自旋的来源越来越近。

○ 事实上，质子内部非常复杂。

| 图片来源：APS/Alan Stonebraker质子的最后一个谜题则跟它的寿命有关。

质子可以衰变，是大统一理论一个非常重要的预言。

但唯一的问题是，目前实验还没有观测到任何质子衰变的迹象。

例如日本的超级神冈探测器一直致力于监测衰变质子释放出的辐射，但没有观测到任何衰变的证据。

他们的最新研究成果将质子寿命的下限提高到1.610^34年。

如果有朝一日我们能够在探测器中观测到质子发生衰变，那就意味着自然界中三种基本力——弱核力、强核力和电磁力——在宇宙早期能够被统一在一起。

8. 洛伦兹或CPT不变性会被违反吗？（爱因斯坦的相对论和标准场理论总是有效的吗？）在最基本的层面，标准模型违反了P和CP（P代表宇称，即镜像中的世界；

C代表电荷共轭，即把粒子换成反粒子）对称性，同时在希格斯场凝聚后，也违反了弱同位旋和弱超电荷守恒...