宇宙自然生命简史：25 恼人的粒子物理学

苏格兰有一座本尼维斯山，以多云而闻名。有一个叫威尔逊（C.T.R. Wilson）的英国科学家常常爬到山顶去看云。在 1911 年的某一天，他看着看着，突然有一个念头冒了出来：为什么不找一个更简单的方法看云呢？他马上返回剑桥的卡文迪许实验室，建造了一个人工云室。这是一个不复杂的装置，在一个密闭的玻璃容器中，输入纯净的乙醇或者甲醇蒸气，通过降低温度使蒸汽达到过饱和状态，就可以制造出挺像那么回事的人工云来。就是这个发明，让威尔逊获得了诺贝尔奖。你还别不信。

这个装置让威尔逊得到了一个意想不到的额外收获。当他加速一束 α 粒子流穿过云室时，就留下了一条肉眼可见的痕迹，就好像是飞机的航迹。当时正值发明粒子探测器没多久，两者结合，就提供了足以令人信服的证据证明亚原子粒子确实存在。

后来，卡文迪许实验室的另外两个科学家发明了更强大的质子加速器。而在大洋彼岸的加州大学伯克利分校，厄内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）在差不多同一时间造出了著名的回旋加速器，这种令人印象深刻的机器在很长一段时期内也被激动地叫做原子粉碎器。这类奇异的机器不论过去还是现在，它们的工作原理基本上都差不多。首先把一个质子或者其他带电粒子沿着环形或者线形的轨道加速到极高的速度，然后引导它去撞击另一个粒子，人们再观察撞击后飞出的碎片，所以人们会叫它原子粉碎器。

物理学家们的雄心壮志和他们建造的机器一同成长，他们直接发现或是推测出的粒子家族也越来越大，似乎没有止尽：夸克、μ 子、τ 子、π 介子、W 玻色子、胶子等等，多得连物理学家自己也感到有点儿不安。有一次，一个学生问物理学家费米一个粒子的名称时，他是这么回答的：“年轻人，如果我能把这么多粒子的名称都记住的话，我早就成为一名植物学家了。”

今天，加速器的名字听起来就像是战场上的新武器：超级质子同步加速器、大型正负电子对撞机、大型强子对撞机、相对论性重离子对撞机，消耗的能量巨大（以至于它们中的有些机器只能在深夜启动，因为只有这样才能让周边城市的居民不会注意到家里的电灯在机器“开火”时变暗淡了）。例如，让一个电子在不到 1 秒的时间内，沿着一根 7 千米的管道跑 47000 圈。甚至有人开始感到了恐惧、害怕，他们害怕这些激情的科学家们无意中制造出一个微黑洞而吞噬整个地球，或是制造一种叫“奇异夸克”的东西，有人认为这种东西会与其他粒子相互作用，产生难以控制的连锁反应，带来灾难性的后果。当然，这些都是以讹传讹的瞎担心，没有任何真实的理论依据的。

寻找粒子需要大大的集中精神，因为这些粒子不但又小又快，而且常常转瞬即逝。很多粒子从出现到消失，仅仅只有 10^-24 秒。即便是寿命最长的不稳定粒子，也只能存在 10^-7 秒而已。

有些粒子极难捕捉。例如，每一秒钟，就会有 1 万亿亿亿个几乎没有质量的中微子抵达地球（绝大多数来自太阳的热核反应）。它们几乎全部穿过地球上的一切东西，也包括你我的身体，就像什么都不存在一般。为了能捕捉到它们，科学家们需要在地下深处，通常是废矿井里面建一个巨大的水池，这样才能不受别的辐射干扰。然后在里面注入相当于 30 个标准泳池的重水，也就是含大量氢的同位素氘的水，你才能偶尔观察到一次中微子和氢原子核相撞产生出的闪光。

科学家们则耐心地计算着每一丁点儿的能量，以此来逐步增进我们对宇宙基本性质的了解。1998 年，日本的观测人员报告了中微子确实有质量，但非常非常小，只有电子的一千万分之一。不知道大家是否看过电影《2012》，一开场就是在印度的拏迪伽铜矿，那个地底深处的实验室就是这样一个中微子探测器，电影中说太阳大爆发，导致中微子似乎变成了一种新的粒子，把地核加热了。为了表现这个情节，科学家打开了深达 180 米的一大锅水的盖子，然后惊讶地看到，那锅水烧开了。只是中微子的质量实在太小，如果要靠他们携带的动能来加热地核那差的太远了，除非这些中微子都转变成了某种反物质那还差不多，但如果是反物质粒子的话，那没有抵达地核之前也早就和其他物质作用而湮灭掉了。所以，电影中的情节是不可能发生的。增加看科幻电影的乐趣也是听我这个节目的好处之一。

如今，寻找粒子真正要花费的东西就是钱，而且是大量的钱。有意思的是，在现代物理学中，你要寻找的东西越是微小，用于寻找它的设备就越是大。欧洲核子研究中心，简称 CERN，是欧洲最大的核研究组织，就像一座城市，位于法国和瑞士的边界处，占地一平方公里，有 3000 多名全职雇员，还有 6500 名兼职的科学家和工程师。全世界粒子物理学家有一半都在这里工作。CERN 最值得自夸的是它那条周长 27 公里的地下隧道，还有一根比埃尔菲铁塔还重的磁铁。

要敲开一个原子其实并不难，每次打开日光灯就可以了。但是，想要敲开原子核，可就不易了，需要大量的资金和巨大的电力供应。如果想要再深入到夸克的级别，也就是构成质子、中子的基本粒子级别，你需要的是数以万亿瓦特的电力和相当于中美洲一个小国家年度预算的资金量。CERN 2005 年启用的一台大型强子对撞机，建设花费超过 15 亿美元，每次开机需要 14 万亿瓦的能量。

不过，上面这些数字与美国原本计划建造的一台机器相比，那又是小巫见大巫了。美国在上世纪 80 年代决定在德州的沃克西哈奇建造一台超级超导对撞机。但不幸的是，它在建造过程中便与美国国会发生了激烈“对撞”，项目黄掉了。这台机器原本可以让科学家们自豪地发现“物质的终极属性”（这话听着耳熟，科学家们经常用寻找终极 XX 来筹集资金），并且尽可能重建宇宙在最初的 10 万亿分之一秒时的条件。原计划是让粒子在一条周长 84 千米长的隧道中飞驰，消耗的能量达到了惊人的 99 万亿瓦。这真是一个宏伟的计划，光是建造费用就达到 80 亿美金（后来又提高到 100 亿美金），每年的运行费用也高达数亿美元。

历史上恐怕找不出更好的例子来诠释“把钱埋地下”这句话了。1987 年到 1993 年，国会在花费了 20 亿美金挖空了一条 22 公里长的隧道之后，终于受不了了，取消了这个项目。因此，直到今天德州还总是自夸拥有一个宇宙中最昂贵的地洞。不过，从照片来看，那个地方其实就是一片巨大的空地，环形散落着一串失望的小镇。

建造粒子加速器最大的一个特点就是贵，超级花钱。去年，在中国的科学界曾经掀起过一轮激烈的争议。起因是中科院计划建造一台超级对撞机，结果遭到了德高望重的杨振宁先生的反对。反对的一个重要原因就是花钱太多，不值得。中科院高能物理研究所的计划是分成二个阶段，每个阶段的花费是 400 亿和 1000 亿人民币，这个世界恐怕没有什么单个工程需要花的钱比这个多了。作为对比，贵州的那个全世界最大的单口径射电望远镜 FAST 的造价仅仅是 10 多亿人民币。武广高铁的总投资是 1166 亿人民币。而一架全新的 C919 客机的售价大约是 3.5 亿人民币左右。

总之，粒子物理学是一项昂贵的事业，同时也是一项多产的事业。随着 2013 年希格斯玻色子被找到，所有标准粒子模型中的 61 种粒子全部被找到。问题是，标准粒子模型只能解释电磁力、弱核力和强核力的产生和作用机制，但无法解释引力。为了解释引力，物理学家们又提出了很多其他理论模型，在这些模型中还有更多的粒子种类。粒子虽然找到了一大堆，可是用费曼的话来说，“我们很难理解这些粒子之间的关系，大自然为什么需要它们，又是什么联结着这个粒子和那个粒子？”每当我们尽力打开一个盒子，必然又会在里面发现另一个锁着的盒子。有人认为存在一种叫“快子”的粒子，运动速度超过光速。有人渴望找到“引力子”——一切引力产生的根源。我们究竟已经到达了多深处，现在很难说。卡尔.萨根在他的名作《宇宙》中提出了一个假设，如果你钻进一个电子中，你可能会发现电子本身又是一个宇宙。上世纪 50 年代出现了大量的科幻小说描述这种结构，科幻小说家门幻想“数量巨大的更小的基本粒子构成了相当于星系一样的结构；而每一个这样的基本粒子又是一个更小级别的宇宙，宇宙中又嵌套着宇宙，如此一级一级往下没有尽头；往上是一样无穷无尽。”只是没有几个粒子物理学家会同意这样的幻想，因为正如我们之前说过的，微观世界与宏观世界的运行规则似乎大不相同。而且根据我们的量子理论，物质最小也只能小到 10^-35 米这样的一个级别，不可能再小下去了，这就是普朗克尺度。这是整个量子理论的根基。

这样的世界超出了大多数人的理解能力。现如今，即便是阅读最基础的粒子物理学指南，你也必须穿过一条布满专业词汇的荆棘之路。比如说，“带电的 π 介子和反 π 介子分别裂变为一个 μ 介子加一个反中微子和一个反 μ 介子加一个中微子，平均寿命约 2.063X10^-8 秒。中性 π 介子衰变为 2 个光子，平均寿命约 0.8X10-¹⁶ 秒。μ 介子和反 μ 介子衰变为……。”

我引用的还是一本专门为普通读者撰写的书。作者是那个最能深入浅出讲解的物理学家史蒂文·温伯格（Steven Weinberg）。

到了上世纪60年代，加州理工的物理学家盖尔曼（Murrary Gell-Mann）尝试着把杂乱的粒子整理一番，他发明了一种新的粒子分类的方法。这种方法用温伯格的话来说，就是“再次减少强子的复杂性使它们更清晰”，“强子”这个术语是物理学家给质子、中子这些由强核力支配的粒子的总称。盖尔曼的理论主要是说强子也是由一种更小、更基本的粒子组成的。他的同事想给这些最基本的粒子起名为“部分子”（patrons），但被否决了，最后定的名字就是现已知名的“夸克”（quarks）了。

盖尔曼起的“夸克”这个名字来源于一部小说《芬尼根守灵夜》（Finnegans Wake）中的一句话“向麦克老大三呼夸克”但是夸克的简洁性也没保持多久，因为物理学家们对夸克的理解稍一深入，就发现夸克也得继续细分下去。虽然如此微小的夸克不可能有颜色、味道或是其他我们能感知的物理性质，但物理学家们把它们分成六类，分别起了 6 个有趣的名字：上、下、奇、粲、顶、底，奇怪地把它们统统称为“味”，然后又进一步地分为红、绿、蓝三种颜色（这些术语产生的年代正是在加州流行迷幻药的时代，有人怀疑这并不是一种巧合）。

最后，所有这一切被称作“标准粒子模型”。它实际上是整个微观世界的“零件箱”。标准模型总共由 36 种夸克、12 种轻子、8 种胶子、2 种 W 粒子，1 种 Z 粒子，再加上光子和希格斯粒子，一共是 61 种粒子组成，另外还要加上三种基本的力：弱核力、强核力和电磁力。（目前物理学中总共有四种力，还有一种是引力）。

在这个模型中，夸克是最基本的“建筑材料”。又有一种叫做“胶子”的基本粒子作为夸克之间的“粘合剂”。夸克和胶子组成质子和中子，它们又结合在一起构成了原子核。电子和中微子又是由轻子构成的。夸克和轻子又统称为费米子。携带或产生“力”的基本粒子，例如光子和胶子统称为玻色子。希格斯粒子则产生质量。完全听晕了对吧，那几乎是肯定的，就算换了一个专业对口的粒子物理学家，也很难把这些粒子的名称都给记全了。不过，我觉得作为我们普通的科学爱好者，最重要的是知道，原子、中子、质子这些我们经常听到的“子”，其实都不是基本粒子，因为它们不够基本，它们也都是由更小的粒子组成的。但是电子是一个基本粒子，它没办法再分下去了，至少在我们目前的科学理论中，它无法再分下去了。

其实，大多数物理学家都觉得标准模型不够简洁。在 1985 年播放的一部电视纪录片中，莱德曼（Leon Lederman）评论道，“确实太复杂了些，并且充满了太多臆想的参数。我实在不明白为什么造物主为了创造我们已知的这个宇宙要不厌其烦地转动二十个旋钮来设定二十个参数。”对物理学而言，没什么比寻找终极简洁性更重要的了，然而我们现在离得还很远，手里有的只是貌似优雅的一团混乱。正如莱德曼所指出，“有一种深深的感觉，现在这幅图景并不美丽。”

标准模型不但笨拙，而且也不完整。有一样重要的东西该理论没有纳入，就是引力。把一顶帽子放在桌子上，为什么它不会自己飞到天花板上？这个道理，你搜遍标准模型，也找不到合理的解释。费曼为此苦笑道，“我们现在陷在这样的一个理论中。这个理论真的不知道是对还是错，但我们能肯定它现在不是完全正确的，至少是不完善的。”为了把所有的物理规律统一到一个理论中，物理学家又发明了一种理论，称之为超弦理论。咱们下期接着聊。