物理学最大的谜团：反物质、暗能量与万有理论——唐·林肯

1650年代，你要是当时最聪明的人，你会注意到两件毫不相干的事。一件事是你被绊一下会摔倒，这是每个人每天都感受得到的重力。另一件事是你抬头看天，星星在夜空里列队走过，行星在恒星之间穿行。这两件事看起来毫无关系。你手里的三明治掉在地上被狗叼走，跟月亮挂在天上，能有什么关系？

牛顿干的事，就是告诉人类：月亮其实一直在往下掉，只是它掉得太快，每次都错过地球。

费米实验室（Fermilab）粒子物理学家唐·林肯（Don Lincoln）在 Lex Fridman 播客里说，物理学的历史，本质上是一部统一的历史。每一代物理学家都在干同一件事：把看起来完全不同的现象，证明它们背后是同一个东西。

牛顿的理论叫“万有引力定律”，英文是 Newton's law of universal gravitation。那个“universal”不是随手加的。它是在说，天上的重力和地上的重力是一回事。在此之前，人们真的认为是两套不同的法则，一套管天体，一套管人间。牛顿把它们合成了一条公式。

每一次统一，都先把两个世界合成一个

麦克斯韦（James Clerk Maxwell）在1860年代做了同样的事。当时人们研究电，也研究磁，但没觉得它们有什么关系。磁铁是能吸住铁的石头，电是摩擦出来的火花，或者天上劈下来的闪电。一个能吸东西，一个能电人，怎么看都是两码事。

然后麦克斯韦把过去五十年间一堆科学家的实验结果收拾整理，写成了四个方程。这些方程的样子很直白：等号一边全是电相关的项，另一边全是磁相关的项。翻译成人话就是，电等于磁。

林肯说，这是个令人震惊的概念。你冰箱上吸着孩子画作的那块磁铁，和劈开夜空的那道闪电，是同一个东西。

麦克斯韦方程组还有个附带效果。你把它们稍微算一下，会得到一个波动方程，说明电场和磁场在互相激发地振荡。再算一下波的速度，得出来的数字正好是光速。光速就这么从方程里自己蹦出来了。这个结果在当时非常有说服力，因为没人告诉麦克斯韦要去算光速，它自己出现了。

电磁学还顺带解释了大量化学现象。原子靠电磁力结合在一起。没有电磁学，或者电磁学稍有不同，原子就不是现在这个样子，我们也不会在这里。

林肯在这里稍微激动了一下。他说当时肯定有人问，你研究磁铁和火花有什么用。答案是，整个技术社会都是这次基础研究的副产品。没有对电的掌控，我们现在还在种地做鞋。基础研究到实际应用，有时候要等一百年、两百年，但它确实会彻底改变世界。

爱因斯坦把时间和空间也合并了

1905年，爱因斯坦的奇迹年。最有名的那篇是狭义相对论，它说了一件对没深入研究过的人来说完全说不通的事：两个人经历的时间不一样。

牛顿认为时间对所有人是统一的。你的时间、我的时间、火星上某人的时间，都一样。爱因斯坦说不是。运动速度不同的人，经历的时间不同。

很多人以为“时空”这个概念是爱因斯坦发明的。实际上，把空间和时间明确写成同一个东西的，是爱因斯坦的老师闵可夫斯基（Hermann Minkowski）。他数学比爱因斯坦好，看着爱因斯坦的方程发现，一个人的空间和时间，等于某个系数乘以另一个人的空间和时间。空间和时间在数学上就是同一个东西的两个分量。

这件事很难接受，因为我们对时间的感受太直接了。时间在流，连续地流，我们不知道它到底是什么，但我们在本能层面完全知道它是什么。空间则不太一样。你可以在空间里走来走去，往前走再走回来，空间给你很大的自由度。时间只给你一个方向，往前走容易，往回走很难。

狭义相对论有个前提，就是光速对所有人都一样。不管你怎么运动，怎么测量，光速永远是同一个数字。这个假设在当时听起来有点傻，但爱因斯坦把它当作公理，推出了一整套理论，然后所有预测都对上了。

现在这个假设已经被直接测量过了。粒子物理学家有办法验证：某些亚原子粒子衰变时会发光。你让两个粒子对撞，知道粒子是什么时候产生的，周围布满探测器，测量光到达探测器需要多长时间。结果就是光速。

更妙的是，有些粒子本身以光速的95%甚至97%飞出来，然后衰变成光子。你测量这个光子到达探测器的时间，还是光速。如果爱因斯坦的假设错了，一个接近光速运动的粒子衰变出的光子，速度应该是两倍光速左右，到达探测器的时间应该只有一半。但没有，还是光速。

林肯说，他第一次接触这个想法时，觉得怪异程度爆表。但当你接受“这是光在时空中的速度”这个框架之后，一切都变得合理了。光速其实是时空本身的一个属性，跟光没多大关系。空间能传播一定强度的电场，也能以某个固定速度传播东西。这个速度就是光速。我们觉得怪，是因为我们坚持把空间和时间当成两样东西。

把引力和加速度合并，再把引力变成几何

广义相对论是另一次统一。爱因斯坦想到，如果你在一艘非常安静的火箭飞船里加速，你会感觉自己像是在经历重力。加速度和重力在感觉上无法区分。

这个想法已经很妙了。但真正让林肯佩服的，是爱因斯坦从这个想法往下走了一步：既然加速度和重力无法区分，那能不能把重力描述成时空的弯曲？

时空是平的，像一张地图上的东西南北，这已经够难想象了。现在爱因斯坦说，把你手里的地图揉皱、弯曲，那个弯曲就是重力。

林肯说，这个想法令人震惊，令人脑洞大开。

那么这种想法是怎么来的？林肯说，科学需要很多东西。你需要知道前人做了什么，需要懂数学才能算出理论的推论，需要纪律性来跟自己和其他人争论，因为大部分想法都是错的。但在这之上，还需要一种直觉的火花。这种东西非常难创造。这也是为什么我们崇敬这些人，因为这种能力很罕见，大部分人一辈子有一次“啊哈”时刻就不错了，有些人一次都没有。

而且光有想法还不够。林肯说他经常收到一些创意人士的来信，这些人没有完整的历史知识，没有数学训练，也没有自我批判的能力。他们提出各种理论，通常一眼就能看出哪里行不通。要成为改变世界的那个人，想法本身远远不够，你需要把想法和纪律、批判结合起来。这个合金才叫天才。

爱因斯坦也有他无法接受的疯狂

有个细节很有意思。爱因斯坦能接受时空弯曲这种疯狂的想法，但他接受不了量子力学。量子力学对他来说太怪了。

林肯说，对他自己来说量子力学也很怪。但爱因斯坦即使不接受量子力学，他仍然是一个极有价值的批评者。他不是不懂量子力学，他懂。他思考它的推论，然后说，如果你是对的，那应该会这样。然后别人去做实验，发现他说的“这样”真的发生了，于是可以说，看，量子力学是真的。

这就是科学进程的另一半。不光要有“啊哈”时刻，还要有人把想法往死里捶，反复测试，反复批判，确认它是不是真的。林肯说，这种批判有时候让人不舒服，没人喜欢听别人说你的想法可能是错的。但这是科学最强大的地方。

玻尔（Niels Bohr）有句话林肯很喜欢：我们都同意你的想法很疯狂，但问题是，它够不够疯狂？

标准模型：四种力变成三种

到1930年代，物理学家已经确认自然界有四种基本力：引力、电磁力、强核力、弱核力。强核力把原子核绑在一起，弱核力负责某些类型的放射性衰变。后两种力只在原子核内部起作用，所以大部分人一辈子没有直接体验过。

四种力，这本身已经是个成就。但物理学家想的是，这四种力会不会其实是同一种力的不同表现？

1950年代末到1960年代初，有人开始怀疑弱核力和电磁力其实是同一个东西。到1967年，温伯格（Steven Weinberg）、格拉肖（Sheldon Glashow）和萨拉姆（Abdus Salam）成功把电磁力和弱核力统一成了电弱力。他们证明，在足够高的能量下，这两种力是同一个东西。

但这里有个大问题。电磁力的作用范围是无限的，我们能看见几百万光年外的星星，说明电磁力能跨越整个宇宙。弱核力在比质子还小的距离上就基本消失了。你说这两个是同一个东西，一个能摸到宇宙边缘，一个连原子都出不去，这听起来很蠢。

1964年，三组共六位物理学家提出了一个办法。他们说，如果这些力是通过粒子传递的，电磁力由光子传递，弱核力由W和Z粒子传递，那么只要让光子没有质量，让W和Z粒子有质量，就能解释为什么两种力的范围差这么多。

怎么给粒子质量？再加一个场，后来叫希格斯场（Higgs field）。这个场充满整个空间。有些粒子和这个场发生相互作用，就获得质量。有些不相互作用，就没有质量。W和Z粒子跟希格斯场互动，获得质量，所以弱核力范围很短。光子完全无视希格斯场，所以没有质量，电磁力范围无限。

林肯用了一个类比来解释场是什么。你现在坐在一个重力场里，你看不见它，但你拿一支笔放在空中松手，它往下掉。笔有质量，和重力场互动，所以往下掉。如果你有一个没有质量的粒子，它感觉不到重力场，它会一直飘在那里。希格斯场也是类似的，有些粒子有“希格斯荷”，能和它互动，获得质量；有些粒子没有，就保持无质量。

这个机制叫电弱对称性破缺。说人话就是：宇宙大爆炸之后极热极能量高，希格斯场是零，所有粒子都没有质量，都在以光速飞。宇宙冷却到某个温度，希格斯场“打开”了，W和Z粒子获得质量，光子还是没有，于是电磁力和弱核力从此分道扬镳。

这个“打开”发生在宇宙诞生后10的负12次方秒。

林肯说，希格斯理论其实是在电弱理论上面打的一个补丁。电弱理论只在极高能量下成立，要在低能量下也能用，就需要这个补丁来给粒子质量。

怎么知道希格斯场是真的

问题是，我们从来没看见过希格斯场。我们也从来没看见过电磁场，没看见过重力场。我们看见的是场的效应。现代物理学的框架叫量子场论，它说每种粒子都有一个对应的场，场可以像鼓面一样振动。局部的特定振动就是粒子。电磁场的振动是光子，希格斯场的振动是希格斯玻色子。

所以，你不能直接看见场，但你可以激发场，让它振动，然后探测振动。

2000年代初，物理学家觉得加速器已经足够强，可以制造并探测希格斯玻色子了。当时在运行的是费米实验室的万亿电子伏特加速器（Tevatron），位于芝加哥郊外。它用接近光速的质子和反质子对撞，1995年就是在这台机器上发现了顶夸克。

费米实验室升级了设备，每秒碰撞次数提高到原来的十倍，能量也稍微提高了一点。他们在拼命找希格斯。

要理解加速器为什么能找新粒子，得回到 E=mc²。所有人都听过这个方程，但很少有人真的理解它说的是能量和质量可以互相转换。你可以把运动能量变成质量，变成新粒子。

具体怎么做？拿两个没有内部结构的粒子，以极高能量从相反方向对撞。两个方向的动量互相抵消，净动量为零。碰撞之后如果停下来，那些能量必须去某个地方，它可以变成质量，变成粒子。宇宙法则规定，如果你造一个粒子，必须同时造一个反粒子来配平。

加速器本质上就是能量转物质的机器。任何自然界不存在的粒子，理论上都可以这样造出来。反电子（正电子）1932年被发现，反质子1955年在伯克利的 Bevatron 被发现。这些都是实验室里真做出来的东西。

但造反质子很贵。费米实验室每2.3秒把10的13次方个质子打到靶上，能得到10的8次方个反质子。也就是说，平均要打十万个质子，才能得到一个反质子。每12到24小时收集一次，能攒到10的12次方个反质子，也就是一万亿个。听起来很多，但一克反物质需要10的23次方个反质子。所以一天能造出百亿分之一克，一年大概一纳克。

一克反物质和一克物质湮灭，释放的能量相当于广岛和长崎两颗原子弹的总和。想要一百万吨当量的爆炸力，大概需要25克反物质。按费米实验室当年的产能，要连续运行250亿年。

NASA 估算过，生产一克反氢的成本大约是62到63万亿美元。同样当量的核武器，美国现在的成本大概是1000万到5000万美元。差了八个数量级。

林肯说，反物质作为能源，物理原理这一关早就通了，真正卡住的是工程。原理上我们知道怎么做，能量可以造反物质，反物质可以造能量。但你需要把反物质储存起来，不能让它碰到任何物质。如果一艘反物质飞船的约束系统失效哪怕一百万分之一秒，你就没了。这在《星际迷航》里是剧情，在现实中是物理。

2012年7月4日

回到希格斯。费米实验室和欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）在赛跑。

林肯说，当时的情况很微妙。很多物理学家同时戴着两顶帽子。一顶是费米实验室的帽子，拼命想在自己的机器上找到希格斯。另一顶是 CERN 的帽子，知道 LHC 如果存在希格斯就一定能找到。

他们知道希格斯可能不存在。在找到之前，理论可能是错的。就像暗物质，可能不是真的。但当时有很多证据指向希格斯可能存在。

而且两台机器都能给出确定答案。希格斯理论对每一个可能的质量都有预测，你可以逐个质量区间去搜。100这个质量单位没有？那它不是100。103没有？不是103。两台机器都能找到它，或者100%确定地排除简单希格斯理论。

但 LHC 有压倒性优势。它的碰撞率是费米实验室的10倍，能量是3.5倍。之前顶夸克的例子，费米实验室花了六个月到一年，只找到38个候选事件，其中大概19个是真的。而 LHC 每秒就能造一个顶夸克。这个差距没法比。

费米实验室把其他质量区间都排除了，最后确定如果希格斯存在，质量应该在120到145之间。他们拼了命想抢在 LHC 前面。林肯说，如果再给费米实验室两到三年运行时间，他们一定能发现希格斯。但2012年7月，数据不够。

LHC 2008年开机，坏了，修好，2010年重新开机，2011年运行得不好，2012年卷起袖子干，然后就找到了。

2012年7月4日，CERN 宣布发现希格斯玻色子。费米实验室在宣布前两天发了一篇测量结果，说某些区间可以排除，某些区间还不能排除，但如果希格斯存在，一定在我们目前还无法排除的区间里。

林肯在这里特别强调了一个细节。2012年7月4日，他们宣布发现的是一个“与希格斯玻色子一致的粒子”。这个措辞很讲究。当时还有其他理论预测不止一个希格斯粒子。超对称理论说有五个。1964年的原始希格斯理论说有一个。所以当时只知道找到了一个粒子，还谈不上确认希格斯理论就是对的。

又过了14年，事情才慢慢清楚。他们测量了这个粒子的质量，确定了它的自旋是零。他们发现了它的衰变方式：它优先衰变到能衰变的最重粒子，因为能量守恒。它不能衰变到顶夸克，因为它太轻了，但可以衰变到底夸克，可以衰变到W和Z粒子，还可以通过一种奇怪的方式衰变到光子。所有原始希格斯理论预测的衰变方式，他们都观测到了，而且衰变率符合理论预测。

林肯说，现在他可以比较有把握地说，彼得·希格斯（Peter Higgs）、罗伯特·布劳特（Robert Brout）、弗朗索瓦·恩格勒（François Englert）和他们的同事在1960年代是对的。但2012年7月4日那天，他们不确定。

关于“上帝粒子”这个绰号，林肯讲了个故事。这个叫法来自莱德曼（Leon Lederman）的书。莱德曼在书里说，我们叫它上帝粒子，但其实应该叫“该死的粒子”（goddamn particle），因为它太难找了，给我们添了太多麻烦。莱德曼曾经是费米实验室的主任，给林肯的一本书写过前言。真相是，出版商觉得“上帝粒子”这个书名能卖更多。莱德曼本人从来没觉得这跟宗教有什么关系。

为什么大统一理论那么远

电弱统一之后，下一步是把电弱力和强核力统一成大统一理论（GUT）。再下一步是把引力也拉进来，成为万有理论（TOE）。

林肯说，他不认为短期内会有快速进展。

为什么？因为能量尺度差得太远。大统一理论的能标大概是10的15次方，比现在最强的加速器高出一千万亿倍。粒子加速器的能量大概每20年提高7倍，按这个速度算，要500年。而且这个增长速度也会像摩尔定律一样放缓，所以实际可能更久。

林肯对弦理论有个很坦率的评价。他说这个想法很迷人，他不相信，但他很喜欢，希望它是对的。但他同时引用了一句格言：你绝对不应该相信自己以为的东西。即使你觉得弦理论是对的，你也不应该相信，因为它还没有被验证。

他用了一个很生动的类比。假设你是一个两百万年前的南方古猿，在非洲肯尼亚某处晃悠。你的体型大约一米，你能走一米，十米，一百米，一千米，一万米。这些距离你都能应付，你对周边环境的预测大体上靠谱。但如果你往东走500英里，你在非洲腹地，你根本不可能预测到印度洋，不可能预测到抹香鲸，不可能预测到海底山脉。你更不可能知道阿尔卑斯山或南极洲。

物理学家现在的情况就是这样。我们能测量的能标是10的4次方 GeV，大统一理论需要10的15次方，差了一千万亿倍。你要从你能看见的世界外推一千万亿倍，然后说，嘿，我们搞对了。林肯说，这个概率有多高？他的回答是：你在逗我吗？

这跟聪明不聪明没关系。真正的原因是，往上走一定会撞见新东西。就像化学家永远预测不到核物理。化学的能标和核物理的能标差得不多，但核物理是完全不同的东西。当年人们计算太阳的年龄，按照化学燃烧算出来只有一千万年，这明显不对。为什么不对？因为太阳烧的是核聚变，不是化学。

所以林肯认为，通往万有理论的正确路径在下面。从现有测量出发，看还有什么不知道的，一层层往上摸。夸克下面还有没有更小的东西？暗物质是真的吗？如果是真的，它是什么？暗能量的本质是什么？空间和时间的本质是什么？

这些问题是可以探索的。他预计，在他的孩子那一代，人类能把测量精度提高10倍到100倍。但这跟外推一千万亿倍是两码事。

反物质去哪了

宇宙学有一个巨大的谜题。大爆炸之后，宇宙里有大量能量。按照 E=mc²，能量应该产生等量的物质和反物质。但我们现在环顾宇宙，只看见物质。

反物质去哪了？

没人知道。但有一些线索。物理学家可以通过数宇宙中的质子和宇宙微波背景中的光子，反推出早期宇宙里物质和反物质的不对称程度。结果是：每十亿个反物质粒子，对应十亿零一个物质粒子。十亿个和十亿个互相湮灭，消失殆尽，剩下那一个，就是我们。

整个宇宙的所有星系、恒星、行星、你和我，都来自这个十亿分之一的残渣。

什么机制造成了这个微小不对称？这是重子生成（baryogenesis）研究的问题。有一种可能是宇宙诞生时本来就不对称，不是由物质和反物质转化来的。另一种可能是量子力学里有某种机制让物质和反物质可以互相振荡，而这个振荡有轻微不对称。

我们已经知道这种不对称存在。1960年代在一种只存在于加速器里的短暂粒子中测量到了物质和反物质的差异。但那个差异太小，解释不了宇宙的物质存量。

费米实验室现在在做的是另一条路，叫轻子生成（leptogenesis）。轻子是电子这一类粒子，中微子也是轻子。费米实验室现在是世界上最强的中微子加速器。

中微子有个奇怪的性质：它们会变身份。有三种中微子，你可以想象成猫、美洲豹和老虎。如果你发射一束纯猫，走一段距离，你会发现里面有了猫、美洲豹和老虎，再走一段，又全变回猫。这叫中微子振荡，1998年就被证实了。

费米实验室的计划是，造一束中微子，再造一束反中微子，比较两者的振荡行为。如果两者振荡速率有细微差异，再加上其他几个概率很小的事件，也许能解释为什么宇宙里物质比反物质多。

林肯说，如果要押上全部家当，他赌两者振荡速率一样。但没人知道，不做测量就不知道。日本也有一个团队在做类似的事，这是一场竞赛。

他说，这就是做一个研究科学家的感觉。如果你不困惑，说明你没在干活。

空的空间里有什么

暗能量的定义是：空间的能量，或者空间里的能量。最常见的说法是空间本身的能量，它表现为一种排斥性的引力。

1990年代末，天文学家在测量宇宙膨胀速率。当时有三种可能。第一种，宇宙物质产生的引力足够大，膨胀会减慢、停止、然后反向收缩，最后大挤压。第二种，膨胀会减慢但永远不会停止。第三种，临界情况，膨胀永远减慢，趋近于零但永远不到零，也不反转。

测量结果是第四种。宇宙不但在膨胀，而且在加速膨胀。引力应该让膨胀减慢，现在加速了，说明存在一种排斥力。这就是暗能量。

爱因斯坦在建立广义相对论时曾经引入过这个东西。他当时认为宇宙是永恒不变的，但他的理论预测宇宙会坍缩，所以他加了一个宇宙学常数来抵消。后来哈勃发现宇宙在膨胀，爱因斯坦说不需要了，把这项拿掉，还觉得自己当初加进去很蠢。结果1998年发现，他最初的想法是对的。

那么暗能量到底是什么？林肯说不知道。最常见的想法是它就是空间本身的能量。但也可以想象成空间里有一种场，这个场在把空间推开。目前没有仪器能区分这两种可能。

这里有个被称为“物理学最糟糕预测”的问题。

你可以测量宇宙膨胀速率，算出暗能量的密度。然后你可以用量子场论计算，如果暗能量来自空间中的场，它的密度应该是多少。你把一个体积内所有波长的能量加起来，从长波长加到短波长，加到你能想象的最小波长。每一项贡献一点能量，加起来得到一个数字。

这个数字比实际测量到的暗能量密度大了10的120次方倍。一后面120个零。

为什么这么离谱？因为计算涉及最短波长的四次方，任何东西的四次方都是个大数。即使假设在 LHC 能标出现新物理，把积分上限降下来，也只能把差距从10的120次方降到10的60次方。还是大得离谱。

林肯说，这说明量子场论里有什么东西错得很厉害。也许有另一个场，效果相反，把能量抵消掉了。但抵消到零很容易，加一减一等于零，加二减二等于零。难的是抵消到只剩一点点。暗能量就是那个剩下的一点点。完美抵消容易，不完美抵消难得多。

暗能量的另一个奇怪之处是它的密度似乎是常数。注意，是密度常数。宇宙在膨胀，体积在变大，如果密度不变，总能量就在增加。普通物质的密度会随着宇宙膨胀而下降，因为质量不变体积变大。暗能量的密度不降，这意味着它在宇宙能量中的占比越来越大，最终会主导一切。

林肯说，这指向一个猜测：暗能量是空间的属性，空间是量子化的，空间膨胀的时候新的空间量子在出现，每个量子携带一定能量，所以密度保持不变。但他马上强调，这只是一个猜测，不应该有人相信。

暗物质：五倍于我们能看见的东西

暗物质比暗能量更神秘。林肯说，他也不知道暗物质是什么，但他知道它不是什么。

为什么相信暗物质存在？因为天文观测和理论预测对不上。星系转得太快，星系团运动得太快，遥远星系的引力透镜效应和可见物质的预测对不上。三个独立的观测都指向同一个方向。

最容易讲的是星系自转。一个星系里的恒星绕中心转，需要的向心力来自引力。你把能看见的物质产生的引力算进去，会发现星系转得太快，按道理早该把自己甩散了。但它没有。

这里面有一个简单的等式：维持圆周运动需要的力等于引力。这个等式哪里可能错？三种可能。引力定律错了，也就是牛顿的万有引力公式不对。或者 F=ma 错了，也就是惯性定律不对。或者等号右边还有我们没看见的质量。

过去25年，林肯说他本来倾向于前两种，觉得可能是我们对引力或惯性理解不够。但有两个观测改变了他的想法。

一个是子弹星系团（Bullet Cluster）。两个星系团相撞。星系团里有星系本身、星系周围的氢气云，可能还有暗物质。星系本身碰撞时基本不互动，会直接穿过去。但气体云会互动，会在中间停下来，变得非常热。

如果没有暗物质，你会看到两个星系团分开，中间有一大团热气体。因为中间的气体质量远大于星系本身，你会预期引力透镜的畸变出现在中间。

如果有暗物质，星系穿过去，气体停下来，暗物质不和气体互动，也穿过去。你会预期引力透镜的畸变出现在星系所在的位置。

观测结果是后者。畸变出现在星系那里，不在气体那里。

另一个是蜻蜓星系（Dragonfly 2 和 Dragonfly 4）。这两个星系的自转完全符合牛顿定律。这意味着让其他星系转太快的那个东西，跟物质本身的性质无关，因为有些星系没有那个东西。一个没有暗物质的星系，本身就是暗物质存在的最强证据。因为你必须能把暗物质拿掉，才能解释为什么这个星系不需要它。

那暗物质到底是什么？林肯说，首先排除了黑洞和流浪行星。1990年代做过 MACHO、OGLE 等实验，找那些看不见的大质量致密天体。找到了一些，但远远不够。暗物质比普通物质多五倍，如果它们是黑洞，应该到处都是，我们早该看见了。

所以暗物质最可能是某种粒子。长期以来物理学家管它叫 WIMP，弱相互作用大质量粒子。找了30年，用了三种方法。

第一种是直接探测。暗物质就在这个房间里，像风一样穿过地球。把探测器放在地下深处，等它撞上什么东西。做了，什么都没看见。中微子也能被探测到，但 WIMP 的信号特征不一样。

第二种是间接探测。暗物质可能在星系中心聚集。如果暗物质有反物质版本，它们可能湮灭产生光子。去找伽马射线。问题是伽马射线还有其他来源，比如中子星，很难确认。

第三种是对撞机。用高能粒子对撞造暗物质粒子。暗物质只通过引力互动，造出来就直接飞出探测器，你看不见。但你看见的是动量守恒造成的反冲。一边有一团能量，另一边什么都没有。中微子也会造成类似信号，所以你得精确计算中微子的贡献，然后希望看到多余的事件。也没成功。

林肯说，问题在于暗物质可能的质量范围太广了，从一个小行星的质量到比电子还轻得多，中间什么都有可能。他们已经排除了一些区间，但整体范围太大。这就是为什么他不做暗物质实验，因为如果你只搜一个质量区间，你对其他区间就是瞎的。需要很多团队做各种完全不同的实验，覆盖各种参数空间。

他说，如果暗物质真的存在，他希望有生之年能看到答案。但这需要运气，你得找对地方。

个人故事：从爱荷华农村到费米实验室

林肯在一个穷乡僻壤长大。父母没上过大学，不能在学业上指导他，但非常支持他。他妈妈后来笑说，到六年级还是七年级，她就完全帮不上数学了。

有几件事塑造了他。第一，他是个贪婪的读者。他喜欢科幻，一天能读一本书。他妈妈很头疼，好心给他买一本书，他说谢谢，第二天书就读完了。科幻培养了他的想象力。

第二，1970年代有一批很好的科普作家：阿西莫夫（Isaac Asimov）、卡尔·萨根（Carl Sagan）、乔治·伽莫夫（George Gamow）。他们写给普通人看的科学书。一个小孩读不懂教科书，但能读懂这些书，从中获得科学的线索。

第三，他像大部分后来成为科学家的人一样，对一切有不可抑制的好奇心。他有一种准哲学的头脑，关心那些过去属于神学、后来属于哲学、现在属于科学的问题。宇宙是怎么来的？为什么宇宙是这个样子？为什么物理定律是这些定律？宇宙会不会终结？怎么终结？

他在大学修了哲学和宗教的辅修，因为他好奇，希望学这些历史能帮他理解这些问题。后来他意识到，他要找的答案不在那些方向里。但他仍然学到了人类过去是怎么问这些问题的。

他决定做科学家，问题只是做宇宙学/天体物理还是粒子物理。1980年代中期他做选择，当时宇宙学的观测还很少，太多思考，太少测量。粒子物理则可以做实验。吸引他的是能真正得到一个答案，而不是坐在那里琢磨答案可能是什么。

他说，这也是为什么他花了很多时间写书。他想，一定还有另一个爱荷华、堪萨斯或蒙大拿的小孩，在某个小镇上，没有受过高等教育的父母，接触不到这些东西。他希望其中一些人读了他写的东西，能找到自己的路。他说，这些年他确实遇到过一些年轻人跑来跟他说，我是因为看了你的视频或读了你的书才来 summer intern 的。

有人问他刚去费米实验室时的事。他说是的，他周一到周六每天早上八点干到午夜，完全自愿，因为他想待在那里。周日从早上八点干到下午五点，因为五点到午夜他得洗衣服、买日用品。

他说他热爱这种生活。现在不行了，因为有其他责任。但如果他有钱，他还是会做同样的事。没有什么比解决一个难题更让他着迷。

他说，所有科学家都聪明。但区分聪明人和真正科学家的，是驱动力和毅力。对他来说，实验做不出来会让他恼火，他不会让宇宙或者实验室打败他。有些人遇到设备坏了会说，唉，不行了，回家吧。他会更生气，投入更多精力。当然，也有人需要更好的生活平衡。但当你看到那种驱动力和强度，你就知道那个人会赢。

如果真想搞明白这些事，可以从这几件事开始

• 把物理学史当成一部统一史来读。不要从公式开始，从“哪两件看起来不相干的事被证明是同一件事”开始，牛顿、麦克斯韦、爱因斯坦、电弱统一，每一站都是一次合并。
• 想理解希格斯机制，先抓住一个核心比喻：场就像重力场，看不见但无处不在，有“荷”的粒子和它互动获得质量，没有“荷”的粒子直接穿过去。别急着抠数学。
• 看到“物理学家发现新粒子”这类新闻，注意区分“发现了一个粒子”和“证实了一个理论”。2012年7月4日宣布的是前者，后者又花了十几年。对弦理论、万有理论这类宏大叙事保持健康的怀疑。问三个问题：它的预测能在什么能量尺度被检验？我们现有的手段离那个尺度差多远？如果差一千万亿倍，这个理论的可信度该怎么打折？
• 想跟踪真实的前沿，盯住这几个具体问题，别停在抽象口号上：暗物质到底是什么粒子，中微子和反中微子的振荡速率有没有差异，暗能量的密度有没有随时间变小。这几个问题背后都有正在运行或计划中的实验，不是纯理论空谈。盯具体问题，比盯“万有理论什么时候能实现”有用得多。
• 下次有人问基础研究有什么用，想想电磁学。1860年代研究磁铁和火花的人，不知道这会产生整个技术社会。但林肯也提醒，技术是双刃剑，核武器和核废料都是真实的代价。科学负责搞清楚世界怎么运转，社会负责决定用不用、怎么用。这两件事需要分开谈，也需要全社会一起谈。
• 如果觉得门槛太高，从林肯自己起步的地方开始：1970年代的科普书，阿西莫夫、萨根、伽莫夫。他说小时候读不懂教科书，但能读懂这些书，从中获得线索。一本能读懂的科普书，比十本读不懂的教科书有用。

整场对话里，林肯反复说的一句话是“我不知道”。暗物质是什么，不知道。暗能量是什么，不知道。为什么物质比反物质多，不知道。万有理论什么时候能实现，不知道，但他给出了一个五百年起步的估计。

奇怪的是，这些话从他嘴里说出来，一点不让人觉得泄气。他讲每一个“不知道”的时候，前面都跟着一大段“我们知道什么”。我们知道暗物质不是黑洞，不是流浪行星，不是大质量致密天体。我们知道暗能量在加速宇宙膨胀，密度大概是常数。我们知道中微子会变身份，而且这事1998年就证实了。知道边界在哪里，本身就是进展。

他说，如果暗物质真的存在，他希望有生之年能看到答案。但紧接着补了一句，这需要运气，你得找对地方。一个在费米实验室干了几十年的人，谈到自己最想知道的答案，语气是这样的：我想知道，但我也可能永远不知道。

他从爱荷华农村出发，父母没上过大学，一天读一本借来的科幻小说，最后走到费米实验室。他写书、录视频，就是想让下一个来自小镇、找不着门路的孩子知道：这个问题你也可以问。

采访最后，Lex 引用了居里夫人的话：生活中没有什么可怕的东西，只有需要理解的东西。

林肯现在还在费米实验室工作。每天面对的是人类至今没搞明白的问题，是宇宙里五倍于可见物质的暗物质，是加速膨胀却不知道为什么加速的宇宙，是十亿分之一的不对称留下的我们。他说，如果你不困惑，说明你没在干活。

所以这周能做的一件小事：挑一个从没搞懂过的物理问题，花二十分钟看一个视频或读一篇科普。如果它让你产生一种“不搞清楚难受”的感觉，那就够了。