探索宇宙配方：粒子物理的新突破在哪里？
撰文｜瑪雅藍(lán)
責(zé)編｜馬修
關(guān)心物理學(xué)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(yuǎn)鏡，傳回一系列激動(dòng)人心的照片。韋布望遠(yuǎn)鏡能看到宇宙中最早的一批發(fā)光星體，窺見(jiàn)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(diǎn)。
韋布望遠(yuǎn)鏡、LIGO/Virgo引力波天文臺(tái)這樣的大型科學(xué)項(xiàng)目總能令人感到心潮澎湃，它試圖解答萬(wàn)物本源的終極問(wèn)題，也令人類(lèi)感受到彼此之間以及我們與世間萬(wàn)物的聯(lián)系。知名天體物理學(xué)家卡爾·薩根曾說(shuō)：“想要從頭開(kāi)始做一個(gè)蘋(píng)果派，你必須先創(chuàng)造宇宙?！碧O(píng)果派和享用蘋(píng)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(yuǎn)的起源歷史。
劍橋大學(xué)物理學(xué)家哈里·克利夫（Harry Cliff）以這句話(huà)為靈感，出版了《如何從頭開(kāi)始做一個(gè)蘋(píng)果派》一書(shū)，回顧了兩百多年來(lái)的物理學(xué)發(fā)展，講述了萬(wàn)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(huà)背后的思想，也是支撐了一百多年來(lái)整個(gè)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(guò)將事物分解到最小的單位來(lái)認(rèn)識(shí)其本質(zhì)。
蘋(píng)果派最小的組成單位是什么？在很長(zhǎng)一段時(shí)間里，這個(gè)答案是原子。英語(yǔ)中的“atom”一詞來(lái)自于希臘語(yǔ)，意為“不可分割之物”，但19世紀(jì)末的一些科學(xué)家已經(jīng)意識(shí)到，答案并非如此。這其中就有俄國(guó)化學(xué)家、堅(jiān)持一年只剪一次頭發(fā)和胡子的德米特里·伊萬(wàn)諾維奇·門(mén)捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev），他在制作元素周期表的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，依據(jù)原子量排列化學(xué)元素時(shí)，它們的化學(xué)性質(zhì)會(huì)以一種特殊的規(guī)律重復(fù)出現(xiàn)，這說(shuō)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(lái)自于約瑟夫·約翰·湯姆孫（Joseph John Thompson，即J.J.湯姆孫）。X射線(xiàn)被發(fā)現(xiàn)后，湯姆孫想揭示與之相關(guān)的陰極射線(xiàn)的本質(zhì)。自從19世紀(jì)60年代起，科學(xué)家們就知道了陰極射線(xiàn)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(shí)候，“陰極射線(xiàn)就會(huì)從負(fù)電極（陰極）流向正電極（陽(yáng)極），并在管子末端產(chǎn)生一種詭異的綠色熒光。”X射線(xiàn)似乎就來(lái)自于陰極射線(xiàn)撞上玻璃的位置。
此時(shí)物理學(xué)家們還無(wú)法測(cè)量原子的大小，但湯姆孫設(shè)計(jì)了一個(gè)精巧的實(shí)驗(yàn)，就是陰極射線(xiàn)偏轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，計(jì)算出陰極射線(xiàn)粒子的荷質(zhì)比（電荷與質(zhì)量之比），并與當(dāng)時(shí)已知的粒子進(jìn)行對(duì)比。湯姆孫由此證明，陰極射線(xiàn)是帶負(fù)電的微小粒子，質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhǎng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，實(shí)際操作中卻是出了名的笨手笨腳。這項(xiàng)著名的實(shí)驗(yàn)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(shí)候靠近。
蘋(píng)果派的必要成分
湯姆孫的實(shí)驗(yàn)體現(xiàn)出早期物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的各種特征：天才的想法加簡(jiǎn)單的設(shè)備，揭示出簡(jiǎn)潔的真理。但是正如我們?cè)凇度绾螐念^開(kāi)始做一個(gè)蘋(píng)果派》中看到的那樣，在此后一百多年中，物理學(xué)實(shí)驗(yàn)變得越來(lái)越復(fù)雜。
克利夫曾經(jīng)在歐洲核子研究中心（CERN）參與了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）項(xiàng)目，這個(gè)團(tuán)隊(duì)集中了“來(lái)自70個(gè)國(guó)家數(shù)百名物理學(xué)家所付出的20年的努力，還有12個(gè)國(guó)家資助機(jī)構(gòu)的6500萬(wàn)歐元的投資”?？死蛩诘膭虼髮W(xué)團(tuán)隊(duì)花了十多年，設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試了LHC內(nèi)讀取探測(cè)器數(shù)據(jù)的電子設(shè)備，而他要確?？刂坪捅O(jiān)測(cè)這些設(shè)備的軟件正常工作。
2012年6月，LHC迎來(lái)了它的高光時(shí)刻。CMS和ATLAS兩個(gè)實(shí)驗(yàn)組的科學(xué)家們展示了一致的實(shí)驗(yàn)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(huà)來(lái)說(shuō)：“希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著我們尋求蘋(píng)果派的終極配方的一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)?！毕８袼箞?chǎng)不僅為弱力粒子賦予質(zhì)量，也為基本物質(zhì)粒子賦予質(zhì)量；它還是我們所見(jiàn)過(guò)的第一個(gè)自旋為零的基本粒子，也是最簡(jiǎn)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(chēng)為粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型的最后一塊拼圖。它的發(fā)現(xiàn)令物理學(xué)家們歡欣鼓舞，卻也意味著我們從此進(jìn)入了一片充滿(mǎn)未知的新領(lǐng)域。甚至有人認(rèn)為，等到LHC實(shí)驗(yàn)在2035年結(jié)束運(yùn)行的時(shí)候，我們可能只發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子，那將是一個(gè)噩夢(mèng)般的場(chǎng)景。
還原論出錯(cuò)了嗎？
“基礎(chǔ)物理學(xué)現(xiàn)在面臨著一場(chǎng)百年不遇的危機(jī)?！笨死?qū)懙馈HC沒(méi)有回答我們暗物質(zhì)是什么，大爆炸時(shí)期物質(zhì)如何起源，以及希格斯場(chǎng)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(duì)撞實(shí)驗(yàn)達(dá)到越來(lái)越高的能量，或許就能找到解答這些問(wèn)題的線(xiàn)索。但如果答案是否定的呢？
克利夫和他采訪(fǎng)過(guò)的一些物理學(xué)家認(rèn)為，如果LHC此后再也沒(méi)有新的發(fā)現(xiàn)，或者干脆假設(shè)新一代對(duì)撞機(jī)什么也不會(huì)發(fā)現(xiàn)，或許反而會(huì)為理論物理帶來(lái)意想不到的突破。普林斯頓高等研究院的物理學(xué)家尼馬·阿爾卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）說(shuō)：“我只想說(shuō)說(shuō)目前正在進(jìn)行的一件非?？岬氖虑椋鞘且粓?chǎng)悄無(wú)聲息的知識(shí)革命，為未來(lái)50年或者更長(zhǎng)時(shí)間的主題奠定了基礎(chǔ)：我們知道還原論范式是錯(cuò)的?！?/span>
新一代對(duì)撞機(jī)將致力于大量產(chǎn)生希格斯玻色子，供物理學(xué)家們進(jìn)行深入的研究?！叭绻谖覀儑L試?yán)斫庀８袼共Ｉ訒r(shí)，還原論被證明是失敗的，那將是對(duì)物理學(xué)根基的動(dòng)搖。對(duì)尼馬來(lái)說(shuō)，將希格斯玻色子研究‘到底’是接下來(lái)半個(gè)世紀(jì)中粒子物理學(xué)面臨的最重要任務(wù)?！笨死蛟跁?shū)中寫(xiě)道。
隨著2035年一天天逼近，新一代對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目規(guī)劃早已被提上日程。LIGO/Virgo引力波天文臺(tái)等觀(guān)測(cè)項(xiàng)目也將為探索宇宙本源出一份力。這種規(guī)模的實(shí)驗(yàn)都要依靠全球科學(xué)家的集體努力，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)工程和技術(shù)的突破，比如萬(wàn)維網(wǎng)的發(fā)明。
克利夫和許多同行物理學(xué)家認(rèn)為，最大的瓶頸不是如何弄到建造大對(duì)撞機(jī)或者望遠(yuǎn)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(xué)。在這個(gè)領(lǐng)域，眾多互不相識(shí)的人各自負(fù)責(zé)一個(gè)很小的問(wèn)題，為解答同一個(gè)謎題而奮斗?！斑@是有史以來(lái)最偉大的故事”，閱讀此書(shū)的你，會(huì)成為故事的一部分嗎？
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