探索宇宙配方：粒子物理的新突破在哪里？
撰文｜瑪雅藍
責編｜馬修
關(guān)心物理學的朋友們最近都在關(guān)注同一件盛事：去年12月發(fā)射升空的韋布望遠鏡，傳回一系列激動人心的照片。韋布望遠鏡能看到宇宙中最早的一批發(fā)光星體，窺見大爆炸之后1億年到2.5億年的景象，讓我們離宇宙誕生的真相又近了一點。
韋布望遠鏡、LIGO/Virgo引力波天文臺這樣的大型科學項目總能令人感到心潮澎湃，它試圖解答萬物本源的終極問題，也令人類感受到彼此之間以及我們與世間萬物的聯(lián)系。知名天體物理學家卡爾·薩根曾說：“想要從頭開始做一個蘋果派，你必須先創(chuàng)造宇宙?！碧O果派和享用蘋果派的我們，歸根結(jié)底都是原子或者更小粒子的排列組合，有著同一段遙遠的起源歷史。
劍橋大學物理學家哈里·克利夫（Harry Cliff）以這句話為靈感，出版了《如何從頭開始做一個蘋果派》一書，回顧了兩百多年來的物理學發(fā)展，講述了萬物的構(gòu)成和宇宙的起源。
追尋不可分割之物
卡爾·薩根這句話背后的思想，也是支撐了一百多年來整個粒子物理領(lǐng)域發(fā)展的基本范式，那就是還原論：我們可以通過將事物分解到最小的單位來認識其本質(zhì)。
蘋果派最小的組成單位是什么？在很長一段時間里，這個答案是原子。英語中的“atom”一詞來自于希臘語，意為“不可分割之物”，但19世紀末的一些科學家已經(jīng)意識到，答案并非如此。這其中就有俄國化學家、堅持一年只剪一次頭發(fā)和胡子的德米特里·伊萬諾維奇·門捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev），他在制作元素周期表的時候發(fā)現(xiàn)，依據(jù)原子量排列化學元素時，它們的化學性質(zhì)會以一種特殊的規(guī)律重復出現(xiàn)，這說明原子的性質(zhì)存在著某種更深層次的秩序。
第一塊拼圖來自于約瑟夫·約翰·湯姆孫（Joseph John Thompson，即J.J.湯姆孫）。X射線被發(fā)現(xiàn)后，湯姆孫想揭示與之相關(guān)的陰極射線的本質(zhì)。自從19世紀60年代起，科學家們就知道了陰極射線的存在：將接近真空、裝有電極的克魯克斯放電管連接上高壓電的時候，“陰極射線就會從負電極（陰極）流向正電極（陽極），并在管子末端產(chǎn)生一種詭異的綠色熒光?！盭射線似乎就來自于陰極射線撞上玻璃的位置。
此時物理學家們還無法測量原子的大小，但湯姆孫設(shè)計了一個精巧的實驗，就是陰極射線偏轉(zhuǎn)實驗，計算出陰極射線粒子的荷質(zhì)比（電荷與質(zhì)量之比），并與當時已知的粒子進行對比。湯姆孫由此證明，陰極射線是帶負電的微小粒子，質(zhì)量遠遠小于最小的原子。他猜想，這些微小的電子散亂地分布在原子中，這就是著名的葡萄干布丁模型。
有趣的是，湯姆孫雖然擅長設(shè)計實驗，實際操作中卻是出了名的笨手笨腳。這項著名的實驗主要由助理埃比尼澤·埃弗雷特（Ebenezer Everett）完成，湯姆孫被要求保持安全距離，只能在讀數(shù)的時候靠近。
蘋果派的必要成分
湯姆孫的實驗體現(xiàn)出早期物理學實驗的各種特征：天才的想法加簡單的設(shè)備，揭示出簡潔的真理。但是正如我們在《如何從頭開始做一個蘋果派》中看到的那樣，在此后一百多年中，物理學實驗變得越來越復雜。
克利夫曾經(jīng)在歐洲核子研究中心（CERN）參與了大型強子對撞機（LHC）項目，這個團隊集中了“來自70個國家數(shù)百名物理學家所付出的20年的努力，還有12個國家資助機構(gòu)的6500萬歐元的投資”。克利夫所在的劍橋大學團隊花了十多年，設(shè)計、制造和測試了LHC內(nèi)讀取探測器數(shù)據(jù)的電子設(shè)備，而他要確?？刂坪捅O(jiān)測這些設(shè)備的軟件正常工作。
2012年6月，LHC迎來了它的高光時刻。CMS和ATLAS兩個實驗組的科學家們展示了一致的實驗結(jié)果，宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯在1964年預(yù)言的新粒子——希格斯玻色子。
用克利夫的話來說：“希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)標志著我們尋求蘋果派的終極配方的一個轉(zhuǎn)折點?！毕８袼箞霾粌H為弱力粒子賦予質(zhì)量，也為基本物質(zhì)粒子賦予質(zhì)量；它還是我們所見過的第一個自旋為零的基本粒子，也是最簡單的基本粒子，不帶任何電荷，唯一的性質(zhì)就是質(zhì)量。
希格斯玻色子也被稱為粒子物理標準模型的最后一塊拼圖。它的發(fā)現(xiàn)令物理學家們歡欣鼓舞，卻也意味著我們從此進入了一片充滿未知的新領(lǐng)域。甚至有人認為，等到LHC實驗在2035年結(jié)束運行的時候，我們可能只發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，那將是一個噩夢般的場景。
還原論出錯了嗎？
“基礎(chǔ)物理學現(xiàn)在面臨著一場百年不遇的危機?！笨死?qū)懙?。LHC沒有回答我們暗物質(zhì)是什么，大爆炸時期物質(zhì)如何起源，以及希格斯場為何處在246GeV的理想值，恰好讓原子和宇宙得以存在。根據(jù)還原論范式，如果我們讓對撞實驗達到越來越高的能量，或許就能找到解答這些問題的線索。但如果答案是否定的呢？
克利夫和他采訪過的一些物理學家認為，如果LHC此后再也沒有新的發(fā)現(xiàn)，或者干脆假設(shè)新一代對撞機什么也不會發(fā)現(xiàn)，或許反而會為理論物理帶來意想不到的突破。普林斯頓高等研究院的物理學家尼馬·阿爾卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）說：“我只想說說目前正在進行的一件非常酷的事情，那是一場悄無聲息的知識革命，為未來50年或者更長時間的主題奠定了基礎(chǔ)：我們知道還原論范式是錯的。”
新一代對撞機將致力于大量產(chǎn)生希格斯玻色子，供物理學家們進行深入的研究。“如果在我們嘗試理解希格斯玻色子時，還原論被證明是失敗的，那將是對物理學根基的動搖。對尼馬來說，將希格斯玻色子研究‘到底’是接下來半個世紀中粒子物理學面臨的最重要任務(wù)?！笨死蛟跁袑懙?。
隨著2035年一天天逼近，新一代對撞機項目規(guī)劃早已被提上日程。LIGO/Virgo引力波天文臺等觀測項目也將為探索宇宙本源出一份力。這種規(guī)模的實驗都要依靠全球科學家的集體努力，同時也會帶來工程和技術(shù)的突破，比如萬維網(wǎng)的發(fā)明。
克利夫和許多同行物理學家認為，最大的瓶頸不是如何弄到建造大對撞機或者望遠鏡的大規(guī)模預(yù)算，而是能否有足夠的年輕人繼續(xù)投身物理學。在這個領(lǐng)域，眾多互不相識的人各自負責一個很小的問題，為解答同一個謎題而奮斗?！斑@是有史以來最偉大的故事”，閱讀此書的你，會成為故事的一部分嗎？
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