我10年前，大型强子对撞机（LHC）投入使用之前，人们对它的预期是多么的高。大型强子对撞机以远高于以往任何粒子加速器所产生能量的能量将质子粉碎在一起，似乎能够证明理论物理学家们最奇怪的猜测，从卷曲的额外维度到微观黑洞，再到新粒子的隐藏领域，这些新粒子都是我们已知粒子的镜像。
十年过去了，粒子物理学家发现自己陷入了当时一些人称之为“噩梦场景”的境地：希格斯玻色子的发现，其他什么都没有。2012年希格斯粒子的成功发现证实了20世纪60年代引入的粒子质量产生的理论概念，粒子物理的标准模型描述了四种基本自然力中的三种（重力除外）。迄今为止，大型强子对撞机缺乏新的物理学，这对自20世纪60年代和70年代以来提出的许多超越标准模型的物理推测性想法是一种怠慢。这一发展（仍可能被LHC未来的分析推翻）激发了对现代基本粒子物理学中称为自然性原理的核心思想地位的讨论，自然性原理是“新物理学”预测的基础-在LHC上可以找到标准模型以外更基本模式的实验线索。
与科学中的大多数数学理论一样，标准模型的预测取决于被称为理论参数的某些固定量的值。如果我们改变参数值，我们通常会改变理论的预测。在基本粒子物理学中，自然性通常被理解为禁止“微调”，即人为地、无法解释地调整理论参数以适应意外观测。自然性通过限制标准模型参数的微调量来限制其允许值。如果一个理论需要大量微调以符合观察结果，则认为这是不自然的。
关于自然性的争论在量子场论（QFT）中由来已久，量子场论是标准模型形成的数学和概念框架。在QFT中，普遍存在的背景场（例如空间中每个点的电磁场）的值没有确定的值，而只存在于反映不同场值的概率的叠加中。虽然经典场（如声波）中的振动能量可以大到我们喜欢的程度，也可以小到我们喜欢的程度，但量子场中的振动能量具有最小值。量子场中的这些最小扰动就是我们所知道的基本粒子。
不幸的是，当我们天真地使用QFT来计算某个过程的概率时，例如，希格斯玻色子的产生会产生无意义的无限预测。为了解决这个问题，QFT的发明者设计了一个聪明但在数学上令人怀疑的技巧，从理论中提取有限预测，称为重整化。诀窍是要认识到，在QFT中，我们可以在生成无限预测的有限参数（如QFT的初始应用）和生成有限预测的无限参数之间进行选择。通过选择使这些被重新命名为“裸”参数的参数无限大，我们可以从QFT中提取与实验非常吻合的有限预测。然而，重正化被广泛认为是一种缺乏良好数学基础的临时破解，许多QFT的发明者仍然对此持怀疑态度。因为它们是无限的，裸露的参数最初被视为一种纯粹的数学装置，不能描述自然界中的任何东西。
就好像我们胡乱地把一把沙子扔到黑暗的表面上，发现了阿尔伯特·爱因斯坦伸出舌头的著名图像中排列有序的颗粒。
20世纪70年代，肯尼思·威尔逊（Kenneth Wilson）提出了一种新的重整化方法，消除了QFT中的无穷大。他的方法受到凝聚态物理的启发，凝聚态物理涉及晶体和半导体等复杂的多粒子系统。由于固体中原子的振动可以统称为场，因此通常可以用与粒子物理中的QFT非常相似的方式来描述凝聚物质系统。然而，在这些材料中传播的振动能量有一个上限，因为相邻原子之间的距离设置了一个最小波长。威尔逊建议，基本粒子物理的QFT模型同样被定义为仅包括某些高能“截止点”的振动能量。由于QFT的无穷大来自于描述任意高能振动的尝试，引入截止允许理论预测和其裸露参数的有限值。
对威尔逊工作的一种解释是从相对字面意义上理解粒子物理学和凝聚态理论之间的类比。根据这种解释，QFT模型的裸参数有一个单一的、真实的值集，称为QFT的“基本参数”，它提供了正确的“微观”对量子场的描述在很大程度上与对一块硅中原子间相互作用的详细描述提供了该系统的真正微观描述相同。相比之下，在加速器中测量的量，如希格斯玻色子质量或产生希格斯玻色子的概率，属于更粗糙的“宏观”描述水平，在某些一般方面，温度和密度等量提供了对固体更粗糙的宏观描述。
但是，这种理解威尔逊QFT方法的特殊方式对希格斯玻色子质量的125 GeV值提出了一个问题，希格斯玻色子质量后来在LHC上进行了测量。1979年，早在希格斯粒子质量的数值于2012年被实验证实之前，伦纳德·苏斯金（Leonard Susskind）就开始阐述这个问题。在标准模型中，希格斯粒子质量的预测实验测量值被计算为标准模型“基本参数”中的裸希格斯粒子的质量参数之和，以及捕获希格斯粒子与自身和其他粒子相互作用效应的所谓量子修正。由于这些修正随着截止值的增加而增长得比其他标准模型参数的量子修正快得多，因此恢复希格斯质量的测量值需要在希格斯裸质量与其量子修正之间进行异常精细的抵消。如果我们设想从这些参数的所有可能值集中随机选择一组基本裸参数的值，则所选参数不太可能出现所需的抵消；只有一组不太可能的、经过微调的参数值才会起作用。截止值越大，需要进行的微调就越多。
DJANDYW先生。COM/Sylverarts矢量就好像我们胡乱地把一把沙子扔到黑暗的表面上，发现了阿尔伯特·爱因斯坦伸出舌头的著名图像中排列有序的颗粒。由于这种结构偶然发生的概率在天文上很小，我们预计会有更深层的解释——例如，颗粒可能含有铁，而表面下有磁铁。一小撮颗粒中的颗粒越多，这种情况就越不可能发生，因为类似爱因斯坦图像的排列在所有颗粒的可能排列总数中所占的比例要小得多。因此，爱因斯坦图像在沙粒中的出现更迫切地需要解释沙粒数量越多的原因。通过类比，希格斯质量的测量值需要在裸希格斯质量和量子修正之间进行微妙的抵消，这就需要更迫切的解释，标准模型的截止值越大。
为了避免微调的需要，物理学家预测，这个截止点应该位于LHC探测到的相对较低的能量范围内。十年后，任何此类新物理的持续缺失，使得标准模型的截止值高于1000GeV，这已经需要比许多物理学家认为可接受的更多的微调。许多人现在认为，标准模型中微调的需要意味着QFT是不自然的，因为它依赖于人为或微调的理论基本参数值选择。
对当前情况的一种看法是，LHC的结果要求我们接受标准模型中微调的需要，而这反过来又要求用一个更基本的、尚未可知的理论进行解释。这是CERN理论小组负责人Gian Giudice和粒子物理界许多其他成员的立场，对他们来说，微调仍然是一个需要标准模型以外的理论解决的实际问题。
引用基本参数概念的基于自然的论点的有效性取决于量子场论中什么是物理真实的问题。
另一种可能性是，应该放弃自然度原则，即禁止对裸露参数进行微调，而避免或解释对裸露希格斯质量进行微调的尝试应该远不是标准模型之外物理学探索的焦点。这一观点得到了少数杰出人士的支持，其中包括物理学家克里斯托夫·韦特里奇、尤金尼奥·比安奇、卡洛·罗维利和萨宾娜·霍森菲尔德，以及数学家彼得·沃特。这一更具争议性的建议意味着，过去四十年来理论粒子物理学的许多工作都是以不稳定的形而上学推测为前提的，如果粒子物理界不那么理会一些主要人物的言论，这些推测可能就不会那么有影响力。尽管这一观点有着根本的含义，但LHC缺乏新的物理，这使得它很有可能成为现实。
如果自然被误导了，它会在哪里误入歧途？Hossenfelder最近强调了一个潜在的弱点，即一些标准模型参数值比其他参数值更“可能”。她认为，由于标准模型的参数是固定的，并且只给我们一次，所以我们不能用我们估计硬币正面落地概率的方式来估计这个概率，比如说，我们可以多次翻转硬币，看看它正面落地的次数。由于没有什么可以告诉我们基本裸露参数空间上的概率分布是如何确定的，因此无法表达对标准模型的参数不太可能或微调的担忧。因此，霍森菲尔德建议，我们不应该担心希格斯质量的微调，也不应该在物理理论中追求自然。
20世纪80年代，重整化理论的先驱Wetterich表达了对自然性的另一个关注。Wetterich认为，希格斯粒子裸质量和量子修正之间的微妙抵消是我们计算希格斯玻色子质量的人为副产品，而不是任何神秘巧合或潜在阴谋的反映。Wetterich认为，可以选择其他没有取消的公约，因此我们不必担心。最近，Bianchi和Rovelli就著名的宇宙学常数问题提出了类似的态度，这与希格斯自然性问题密切相关。
自2016年以来，我和我的合作者罗伯特·哈兰德（Robert Harlander）一直在研究关于自然度和微调的争论。我们发现，Wetterich的论点似乎隐含地免除了对Susskind的许多解释中所作的假设，即裸参数存在真实的物理值。相反，Wetterich的论点假设，对于产生完全相同预测的裸露参数，有许多不同的、物理上等效的值选择，而理论的“真实”或“基本”裸露参数是什么，这是事实上的。
从这个角度来看，裸希格斯粒子质量和量子修正之间的微妙抵消似乎更接近于发生的抵消，比方说，当我们计算从自然历史博物馆到纽约大都会艺术博物馆的距离时，取它们到“好莱坞”的距离之差在洛杉矶签字。这里，就像希格斯粒子的情况一样，两个大数之间的差异产生了一个小得多的数。然而，没有巧合或微调。这种微妙的取消只是一个不方便的参考点的人工副产品，可以通过另一种选择很容易地消除，例如中央公园的中央，同样，通过选择不同的参考点，并与任意选择的某个非物理尺度参数的值相关联，可以消除裸希格斯粒子质量和量子修正之间的微妙抵消。
调用基本参数概念的基于自然的论点的有效性取决于QFT中什么是物理真实的问题，即QFT数学的哪些部分“锁定”了物理世界的真实特征，而哪些部分没有。放弃标准模型裸参数的单一值集提供系统“真实”底层描述这一概念的主要论点是，没有必要生成标准模型的成功预测，也没有必要以数学上合理的方式定义理论。
在某种意义上，放弃基本参数概念的选择与爱因斯坦狭义相对论中放弃物体静止和运动这一绝对事实的假设类似。在这两种情况下，我们都摆脱了这样的想法，即关于哪个参考点或坐标系在物理上是正确的或真实的，存在一个物理事实，而支持这样的概念，即存在与不同的任意选择的参考点相关联的多个同等有效的描述。实数是不依赖于任意参考点的量。
在描述标准模型以外物理的理论中，超对称一直是领先的候选者，人们经常为它辩护，因为它能够解决希格斯粒子质量计算中微妙抵消的问题。这被视为超对称的优点的程度取决于这些微妙的取消在多大程度上曾经特别迫切需要解决。抛开基本参数的概念，有可能它们不是。
关于自然性原理有效性的争论中，利害关系不是物理学家应该继续寻找更深入、更普遍的理论，而是希格斯质量的微妙抵消构成了一种神秘的巧合，在寻找超越标准模型的物理学时，解释这些抵消应该是一个主要重点。就粒子物理界不安地从标准模型的熟悉范围中解脱出来而言，正如自然性原理所预测的那样，LHC数据中缺乏新物理是令人失望的，也是反高潮的。然而，鉴于量子场论的数学和概念基础仍面临许多困难，进步的道路可能部分取决于对我们已经知道的理论的深入理解。
Joshua Rosaler是亚琛理工大学理论粒子物理和宇宙学研究所的研究员，也是“LHC认识论”合作的成员。他拥有牛津大学博士学位，曾是克拉伦登学者。
作者希望承认LHC的认识论 他是研究单位的成员。
铅光电池：通用fmv/iLab/Shutterstock。
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