杀死看上去很美的物理理论？这不一定要找反例

何谓“科学进展”？它意味着什么？我们该如何取得科学进展？

显然，方法之一是改良实验、更精确地测量物理现象，并设计新实验来探索未知领域。但是我们能从测量本身学习到什么？我们能证实一个科学理论吗？并不能。

像“所有的天鹅都是白的”这样的陈述就无法被证实，除非我们确保每一只天鹅都被检查过了。从历史上看，牛顿力学和引力定律曾是居于统治地位的自然理论，两百多年来成功通过了无数测量的考验。能做到这一点的理论的确很成功，但仍不能说已被证实。在无穷高的精度下，针对宇宙中每一种情况测试牛顿定律是不可能做到的。大约在1900年，随着对行星动力学(例如水星轨道)的测量精度不断提高，在加上精密的实验没有发现所谓的“以太”，牛顿定律的地位发生了戏剧性的变化。这些结果证明，牛顿理论并不准确——黑天鹅被发现了！爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论代替了牛顿力学，它们能更好地描述物体的运动规律，但也不能确保就是正确无误的。

证明某个理论能够描述自然的未知领域，着实是一件令人振奋的事情。2012年大型强子对撞机(LHC)发现希格斯玻色子就是一个例子。预言希格斯玻色子存在的粒子物理学标准模型是在40多年前提出的。看来，这个理论窥见了大自然的真实运行规律，预见到了它在之前的实验条件中无法展示出的一面。

难道这还不能说明标准模型是正确的吗？很遗憾，答案是“不能”，因为我们已经有了新的“黑天鹅”：暗物质。暗物质的存在证据充分，例如普朗克卫星最近发来的测量结果。那为什么我们还在用标准模型？原因令人烦恼：它可以准确描述其他所有的测量结果——说句实话，就是因为我们还没能找到适用范围更广的新理论。

我们真的还没找到吗？超对称理论呢？超对称理论包含了标准模型，能解决希格斯粒子质量的等级问题，也可以很容易地纳入暗物质。超对称理论预测了新的现象(尚未证实)，但是它也修改了标准模型中某些已知物理过程的细节，例如希格斯波色子不同衰变方式之间的比率——就像相对论改变了对水星轨道的预言一样。因此，如果我们能在LHC中对这些过程进行足够精确的测量，也许就可以判断超对称理论和标准理论孰对孰错。

或者说，我们可以设法证伪超对称理论。但是，具体该如何去做呢？我们建议使用温柔一点的方法。我们近期的论文“温柔地杀死cMSSM”中排除了一种被广泛研究并极具预言性的超对称理论：约束最小超对称标准理论(constrained Minimal Supersymmetric Standard Model, cMSSM)。我们是怎样温柔地下手的呢？

答案是：概率。想像一下，詹姆斯·邦德去赌场玩轮盘赌，在这种时候，概率问题总是必须面对的。今天，邦德有点儿烦，他决定只在红色上押注。在公平的游戏中，结果是完全随机的。如果忽略绿色的0，那么转到红色和黑色的概率都是50%。然而，当邦德连续在红色下注时，转轮碰巧接连转出了黑色。如果他仅仅看结果，他一定会好奇轮盘上是否真的有红色格子？在n轮游戏中全都转到黑色的概率是0.5的n次方。连续十次出现黑色的概率大概是1/1000。这意味着，邦德得重复1000次这样连续10轮的游戏才能从概率上指望出现一次十连黑，这前提是轮盘没有问题，庄家也没有作弊。邦德玩过10轮后，发现10轮游戏都转到了黑色，这意味着轮盘和庄家没有问题的概率只有0.1%。所以，邦德该不该把枪掏出来呢。

在论文“温柔地杀死cMSSM”中，我们也运用了类似的策略，只不过要稍微复杂一些，因为潜在的几率并非简单的五五开。相反，我们采用了一种叫“全局拟合”的策略：如果cMSSM是正确的，那么它不仅能预言一系列新粒子(例如暗物质)，也可以准确预测粒子的性质，以及已知物理过程与标准模型预言的确切偏差。如果我们同时进行多次测量，我们可以估算出标准模型正确预测了所有物理过程的可能性有多大，或cMSSM模型的预测更加准确的概率有多高。由于所有的预测都是统计性的，因此这看起来就像是詹姆斯·邦德在玩一个复杂的轮盘赌博游戏。

cMSSM有5个参数，我们考虑了27种测量；需要做的统计运算在2000台计算机上跑了数个月。运行结果显示，cMSSM前景不妙。问题在于，某些测量的结果更倾向于更轻的超对称粒子。尤其是在强磁场中对μ子行为的测量，μ子是轻子家族中比电子更重的那一代。另一方面，LHC的直接搜索没有发现新的超对称粒子，对此最简单的解释就是那些粒子太重，以LHC的能量还无法制造出来。需要牢记的是，这些倾向实际上都是统计性的，就像轮盘赌一样。但是，这些预期概率之间的冲突表明，cMSSM确实面临着两难困境：

对μ子磁特性的测量表明模型应该符合上图右侧的数据点。而我们没有发现希格斯玻色子的属性偏离标准模型的预测，也没有在LHC中发现cMSSM所预测的新粒子，根据这些测量结果拟合出的模型则是在蓝色区域，即上图的中部。这显然是不匹配的，但也有可能是极小概率事件，就像转轮游戏中的10连黑。现在，我们首次计算出了cMSSM的5个参数各种可能组合的概率有多低。据此，我们得出了悲观的结论：根据LHC中得出的数据，我们排除掉了一个完整的超越标准模型的物理学模型，而不仅仅是把一个模型约束在更小范围的参数空间里。我们没有发现黑天鹅，但是我们“温柔地杀死了”这个模型，就像我们说的，仅仅基于统计学。

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