一隻又死又活的薛定諤的貓

第六章 找尋“上帝粒子”

　　2008年8月，集20餘國之力，耗時10多年，投資超過100億美元的大型強子對撞器（Large Hadron Collider，簡稱LHC）終於完工了。這個由歐洲核子研究組織建造的有史以來最龐大、最複雜的超級實驗裝置坐落在離日內瓦不遠的法國和瑞士的邊境處，它的一部分在法國境內，另一部分在瑞士境內。其主體部分是一個埋在地下100米深處、將近27公裏長的環形隧道。這個隧道是LHC的主加速環，兩束向相反方向繞行的質子（構成原子核的基本粒子之一）將在裏麵被加速到極高的速度（光速的百分之99.9999991%），然後引導它們迎頭對撞。為了把質子束保持在加速環內並在設定的準確位置進行對撞，LHC用了1400塊巨型電磁鐵，用來製成這些電磁鐵線圈的铌鈦合金導線就長達7500公裏，重1200噸。每根導線都是由6400股隻有頭發的1/10粗細的铌鈦合金細絲組成，如果把這些細絲連接起來，其長度是從地球到太陽距離的10倍。整個LHC有將近1萬塊大大小小的電磁鐵，這些磁鐵大部分還必須處於超導（零電阻）狀態，為此使用了10080噸液態氦將它們的溫度維持在攝氏零下271度。LHC很可能是宇宙裏最冷的地方了，除非真的存在比人類智力更發達的外星人，以更高的技術創造出更冷的環境。除了低溫，質子運行的管道裏還需保持很高的真空度，否則質子會與空氣分子發生碰撞而前功盡棄。要將27公裏長的管道中的氣壓維持在不到月球表麵氣壓的1/10，難度可想而知。

　　經過上萬名科學家和工程技術人員十幾年的努力，LHC終於在2008年8月開始運行。可是好事多磨，僅一個多月後（9月19日），LHC就發生了一次重大意外--大量用於維持電磁鐵超導狀態的液氦泄漏，引起一塊接一塊的電磁鐵停止工作，最後導致LHC不得不停機。除了技術原因，這次大事故據說與當時歐洲核子研究組織的總幹事法國人艾瑪（Robert Aymar）的官僚主義也頗有關係。艾瑪的任期為2004至2008年，他一心想讓LHC能在他離任之前運轉起來，所以一個勁地要“大幹快上”，以致釀成大禍。為了杜絕類似意外再次發生，科學家和技術人員花了一年多的時間對LHC進行了結構性的修改。LHC的第二次開機則已經是2009年的11月了。到目前為止，LHC一直運轉正常，並且在2010年3月30日達到了最高設計能量的一半（7TeV），遠遠超過了此前美國費米實驗室保持了8年之久的世界紀錄（1.96TeV）。

　　建造LHC的最直接目的是尋找一種叫做希格斯玻色子（Higgs boson）的粒子，物理圈裏常稱它為“上帝粒子”。按照目前被物理學界普遍認可的所謂“標準模型”，基本粒子之所以有質量，全是拜希格斯玻色子之賜。而質量是構成我們生存的現實世界的最基本因素之一，這大概就是物理學家們會把找尋希格斯玻色子列為重中之重的主要原因吧。最近列出的2011年科學界可能發生的十件大事之首就是在LHC的實驗中發現“上帝粒子”。

　　要想了解“標準模型”的來龍去脈，我們必須從宇宙間的各種基本相互作用力講起。

　　人類對自然界中存在的基本相互作用力的認識，經曆了一個從宏觀到微觀的過程。牛頓（1643-1727）的萬有引力定律是人類開始了解第一種基本相互作用力--引力的標誌。愛因斯坦（1879-1955）的廣義相對論將引力與空間和時間聯係在一起，把對引力的認識推上了一個新的高度。麥克斯韋（J C。Maxwell，1831-1879）在1865年建立的描述電場、磁場與電荷密度、電流密度之間關係的麥克斯韋方程則是人類認識第二種基本相互作用力--電磁力的裏程碑。引力和電磁力是宏觀上可觀測的相互作用力，是在日常生活裏看得見、摸得著的。第三種基本相互作用力是弱相互作用力，也稱作弱核力。弱相互作用的一個典型的例子是原子核裏的中子釋放出一個電子和一個反中微子而變成質子（β衰變）。最後一種基本相互作用力是強相互作用力，它是把質子和中子結合在一起形成原子核的力，同時也是把稱為誇克和膠子的更基本的粒子聚在一起形成質子和中子的力。強相互作用力具有很奇特的性質。從直覺上來說，當相互作用的物體離得越遠時，它們之間的力應該會變得越弱。上麵提到的引力、電磁力和弱相互作用力都是這樣。而強相互作用力卻恰恰相反，越是把相互作用的物體拉開，它們之間的力反而越強，就像揪一根橡皮筋一樣。弱相互作用和強相互作用隻存在於微觀世界中，在我們生活的宏觀世界裏是不能直接感受到的。

　　將自然界中存在的各種基本相互作用力統一到一個普適的框架中，從而構造出一種“萬有理論”（也叫大統一理論）是很多理論物理學家追逐的夢想。愛因斯坦是這方麵的先驅。他在晚年時一直致力於統一場論的研究，試圖把廣義相對論與電磁學整合成為一個單一的場論。不過他的努力並未成功。從後來大統一理論發展的實際過程來看，引力雖然是最先被認知的力，但卻是最難納入統一框架的力。另一位物理學大師、量子力學的奠基人之一海森堡（W。Heisenberg，1901-1976）則另辟蹊徑，從對稱性入手，他提出物理性質很接近的質子和中子可能是處於不同表象的同一種粒子。20多年後，海森堡的想法被著名華裔物理學大師楊振寧采用，並最終在1954年發展出楊-米爾斯規範場理論。可以毫不誇張地說，規範場理論的提出改變了整個理論物理學。它為後來的弱電力統一理論、“標準模型”和量子色動力學等等重要理論奠定了基礎，對從理論上發現構成質子和中子的誇克起了很大的作用。時至今日，它的重要性還在物理學的各個領域及純數學中不斷顯現。不過，楊-米爾斯理論在剛提出時並沒有立即引起物理學界的足夠重視。當時的主要問題是，具有規範不變性的粒子其質量隻能為零，這與現實世界裏的粒子似乎聯係不到一起。直到若幹年後，著名日裔物理學家南部陽一郎（1921-）和戈德斯通（J。Goldstone，1933-）等人提出了無質量的粒子可以通過一種所謂“對稱性自發破缺”的機製而獲得質量，才使楊-米爾斯理論又成為研究的熱點。

　　上世紀60年代，格拉肖（S。L。Glashow，1932-）、薩拉姆（M。A。Salam，1926-1996）和溫伯格（S。Weinberg，1933-）在楊-米爾斯規範場理論和“對稱性自發破缺”機製的基礎上創立了弱電統一理論，將電磁力和弱相互作用力整合到了一起。為此，他們獲得了1979年的諾貝爾物理獎。據說溫伯格解決弱電統一問題的關鍵想法是在路上開車時想出來的，據此寫成的論文僅僅兩頁半紙，但它後來卻成為被引用次數最多的物理學論文之一。另外一個有趣的事情是，格拉肖和溫伯格同為紐約明星高中--布朗士科學高中的學生，在中學時期就是朋友，兩人畢業後又一起進入康奈爾大學。這種從中學到大學一直是朋友，後來又共同獲得同一次諾貝爾獎的例子大概是絕無僅有的。

　　在格拉肖等人建立弱電力統一理論的同時，另一批物理學家則在致力於強相互作用的研究，其最主要的成果就是誇克模型。由於篇幅所限，對這一方向的研究過程及其結果在此文中隻好按下不表了。

　　從弱電力統一理論和誇克模型出發，經過很多人的不懈努力，在1970年代中期，電磁力、弱相互作用力和強相互作用力總算被納入了同一理論，粒子物理的“標準模型”終於誕生了！它將所有已知的基本粒子全部囊括其中，並且成功解釋了一係列有關基本粒子的實驗。“標準模型”最輝煌的成果是預言了三種傳遞弱相互作用的粒子W+、W-和Z0的存在。1983年1月和5月，W和Z粒子先後在歐洲核子研究組織的加速器上被發現，它們的發現者魯比亞（C。Rubbia，1934-）和範德梅爾（S。van der Meer，1925-）第二年就被授予了諾貝爾物理獎。

　　“標準模型”的一個關鍵部分就是引入了希格斯機製，即有質量的粒子是通過希格斯場的對稱性自發破缺而獲得質量的。這一構想的奠基人是南部陽一郎，他在1959年借用超導理論中的概念論證了對稱性自發破缺使粒子具有質量的可能性（這方麵的研究成果為他贏得了2008年諾貝爾物理獎）。事實上，如果他再前進一步，希格斯玻色子現在可能就該叫做南部玻色子了。在研究了南部陽一郎的理論之後，1964年7月，希格斯（P。W。Higgs，1929-）在歐洲的《物理快報》上發表了一篇短文，用規範場理論從數學上證明了可以存在一種玻色子，通過對稱性自發破缺而使它自己和其他粒子獲得質量。同年6月和10月，美國的《物理評論快報》也收到了兩篇內容與希格斯的短文一樣的論文，分別由恩格勒（F。Englert）和布羅特（R。Brout）及古若尼克（G。S。Guralnik）、哈根（C。R。Hagen）和基布爾（T。W。B。Kibble）獨立完成。兩年之後，希格斯進一步將他1964年的理論具體化，最終給出了完整的希格斯機製。他把這篇意義重大的論文投給《物理快報》，不料卻被退了回來，因為編輯認為他的文章與物理沒有實質性的聯係。希格斯於是在結尾處又加了一小段，指出文章中提出的使粒子產生質量的機製也許可以被應用於強相互作用。希格斯後來推測，可能正是由於這段後加上去的敘述才導致以他的名字命名了這種玻色子--希格斯玻色子。

　　對於圈外人來說，希格斯機製可能不太容易理解。因此，英國科學大臣沃爾德格雷夫（W。Waldegrave）曾經在1993年懸賞一瓶昂貴的香檳酒，以換取一頁紙的關於希格斯機製的解釋，前提是得能讓他讀得懂。不少物理學家提出了各種各樣的比擬，其中理論物理學家埃利斯（J。R。Ellis）對希格斯機製作了如下的形象比喻：“希格斯場就像是一片雪地，設想你在雪地裏行走，你肯定會感受到自己的‘質量’--你會覺得雪在拖你的後腿。現在，想象雪突然化了，你將能夠輕而易舉地向前走，因而不再感覺到自己的‘質量’。”宇宙在形成之初的一段極短暫的時間裏，具有完美的對稱性，這就好比是沒有雪的地麵。之後溫度下降，希格斯場的對稱性自發破缺--相當於雪覆蓋了地麵。於是，粒子有了質量。

　　除了希格斯玻色子，“標準模型”中的所有其他粒子都已經在實驗中被直接或間接地觀測到了。因而希格斯玻色子是整個“標準模型”缺少的最後一塊拚圖，同時又是最重要的一塊。一旦找到了它，我們就找到了宇宙間物質質量的來源。

　　當然，也不是所有的物理學家都相信能找到希格斯玻色子。英國著名理論物理學家霍金（S。Hawking，1942-）就曾經打賭說歐洲核子研究組織的大型電子-正電子對撞器（LHC的前身）不可能發現希格斯玻色子。事實證明他贏了。希格斯自然心裏不怎麽服氣。在一次晚宴上，他有點口無遮攔地說“由於很難與他直接討論（按：霍金患有肌萎縮性側索硬化症，無法與其他人正常交流），他可以輕易地從他所宣稱的東西上脫身，而別人則不能。他的明星身份帶給他別人無法具有的直接優勢”。這一下捅了馬蜂窩，被英國媒體大加宣揚。希格斯後來寫信向霍金道歉，霍金也回信說他並不介意。不過霍金沒忘了在信中又加上一句，說他仍然不相信在未來的實驗中--包括LHC會發現希格斯玻色子。有不少人對這樁公案頗不以為然，某位不願具名的物理學家就說“批評霍金有點像批評戴安娜王妃--你別在公共場合說”。

　　究竟“上帝粒子”能不能被觀測到，目前的希望全寄托在LHC身上。當LHC在2013年達到最高設計能量時，將“還原”出宇宙處於最初（即大爆炸開始後）兩百萬億分之一秒（5×10-15秒）時的狀態，這個時間是否“早到”能發現希格斯玻色子，現在並無定論。謎底在不遠的將來就會揭曉，全世界關心物理學發展的人們都拭目以待。