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第十一章马斯特·马克的夸克
第十一章 马斯特·马克的夸克

  1911年,一位名叫C.T.R.威尔逊的英国科学家经常爬到本尼维斯山顶去研究云层的构造。这座山位于苏格兰,以潮湿闻名。他突然想到,肯定还有一种比较简单的办法。回到剑桥大学的卡文迪许实验室以后,他建起了一个人工云室--一种简单的装置,他在里面可以冷却和湿润空气,在实验室现有的条件下创建一个说得过去的云层模型。
  那个装置运转良好,而且还有个意料之外的好处。当威尔逊使一个α粒子加速通过云室制造人工云团的时候,它留下一条明显的轨迹--很像一架飞过的飞机留下的凝迹。他刚刚发明了粒子探测仪,提供了令人信服的证据,证明亚原子粒子确实存在。
  最后,卡文迪许实验室的另外两位科学家发明了功率更大的质子束装置,欧内斯特·劳伦斯在加州大学伯克利分校造出了著名的回旋加速器,或称原子粉碎器,这类设备在很长时间里就是这么称呼的。所有这些新发明的原理大体相同,无论是过去还是现在,即,将一个质子或别的带电粒子沿着一条轨道(有时是环形的,有时是直线的)加速到极快的速度,然后砰地撞向另一粒子,看看撞飞了什么。所以,它被称之为原子粉碎器。严格来说,这算不上是科学,但一般来说是很管用的。
  随着物理学家建造越来越大、越来越雄心勃勃的机器,他们开始或推断出似乎永无穷尽的粒子或粒子族:π介子、μ介子、超子、介子、K介子、希格斯玻色子、中间矢量玻色子、重子、超光速粒子。连物理学家都开始觉得不大舒服。"年轻人,"当有个学生问恩里科·费米某个粒子的名字的时候,他回答说,"要是我记得清这些粒子的名字,那我就成了植物学家了。"
  今天,加速器的名字听上去有点像是弗莱什·戈登用于打仗的武器:超级质子同步加速器呀,大型正负电子对撞机呀,大型强子对撞机呀,相对论性重离子对撞机呀。使用的能量是如此之大(有的只能在夜间操作,这样,设备点火时邻近城镇的居民才不至于注意到自己的灯光暗淡下去),它们可以把粒子激活到这样的状态:一个电子在不到1秒的时间里能沿着7公里长的隧道击打47000圈。人们担心,科学家们在头脑发热的时候会在无意之中创建一个黑洞,甚至所谓的"奇异夸克"。从理论上说,这些粒子可以与别的亚原子粒子相互作用,产生连锁反应,完全失去控制。要是你现在还活着在看这本书的话,说明那种情况没有发生。
  寻找粒子需要集中一定精力。粒子不但个儿很小,速度很快,而且转瞬即逝。粒子可以在短达0.000 000 000 000 000 000 000 001秒(10-24秒)时间里出现和消失。连最缺乏活力的不稳定的粒子,存在的时间也不超过0.000 000 1秒(10-7秒)。
  有的粒子几乎捕捉不到。每一秒钟,就有1万亿亿亿个微小的、几乎没有质量的中微子抵达地球(大多数是太阳的热核反应辐射出的),实际上径直穿过这颗行星以及上面的一切东西,包括你和我,就仿佛地球并不存在。为了捕捉几个粒子,科学家们需要在地下室(通常是废矿井里),用容器盛放多达57000立方米重水(即含氘相对丰富的水),因为这种地方受不到其他类型辐射的干扰。
  在非常偶然的情况下,一个经过的中微子会砰地撞击水里的一个原子核,产生一丁点儿能量。科学家们通过统计有几个一丁点儿而逐步了解宇宙的基本性质。1998年,日本观察人员报告说,中微子确有质量,但是不大--大约是电子的一千万分之一。
  如今,寻找粒子真正要花的是钱,而且是大量的钱。在现代物理学中,寻找的东西的大小,与所需设备的大小,往往有意思地成反比关系。欧洲核研究组织简直像个小城市。它地跨法国和瑞士边境,有3000名雇员,占地几平方公里。欧洲核研究组织有一排比埃菲尔铁塔还要重的磁铁,周围有一条大约26公里长的地下坑道。
  詹姆斯·特雷菲尔说,击碎原子倒还容易,每次只要把日光灯一开。然而,击碎原子核就需要大量的金钱和大量的电力。把粒子变成夸克--即构成粒子的粒子--就需要更多的电和更多的钱:几万亿瓦电和相当于一个中美洲小国的预算。欧洲核研究组织的一台新的大强子对撞机定于2005年开始运转,它将产生14万亿瓦能量,建设费超过15亿美元。然而,这两个数字与那台超级超导对撞机本来所能产生的能量和所需的建设费用相比,那简直是小巫见大巫。20世纪80年代,得克萨斯州附近开始建设一台超级超导对撞机,然后本身与美国国会发生了超级对撞,结果很不幸,现在永远建不成了。这台对撞机的意图是:让科学家们重建尽可能接近于宇宙最初十万亿分之一秒里的情况,以探索"物质的最终性质"(老是这么说的)。该计划要把粒子甩进一条84公里长的隧道,获得实在令人吃惊的99万亿瓦能量。这是个宏伟的计划,但建设费用高达80亿美元(最后增加到100亿美元),每年的运行费还要花上几亿美元。
  这也许是历史上把钱倒进地洞的最好例子。美国国会为此花掉了22亿美元,然后在建成一条22公里长的隧道以后取消了这项工程。现在,得克萨斯人可以为拥有一个全宇宙代价最高的地洞而感到自豪。我的朋友、《价值连城的堡垒》的作者杰夫·吉恩对我说:"那实际上是一大片空地,周围布满了一连串失望的小城镇。"
  超级对撞机化为泡影以后,粒子物理学家们的眼界放低了点。但是,即使是比较一般的项目的成本也可能相当惊人,要是与,哎呀,几乎任何项目相比的话。有人建议在南达科他州莱德的一座废矿--霍姆斯特克矿--建个中微子观察站,其成本就高达5亿美元,还不算每年的运转费用。而且,还要花2.81亿美元的"一般改建费"。与此同时,伊利诺伊州费尔米莱布的一个粒子加速器仅更新材料就要花费2.6亿美元。
  总之,粒子物理学是个花钱很多的事业--但又是个收获巨大的事业。今天,粒子的数量已经大大超过150种,还有100种左右被怀疑存在。但不幸的是,用理查德·费曼的话来说:"很难搞清所有这些粒子的关系,大自然要它们干什么,彼此有什么联系。"每打开一个盒子的时候,我们总是发现里面还有一个紧闭的盒子。有的人认为存在超光速粒子,其运动速度超过光速。有的渴望找到引力子--引力的根子。我们刨根问底儿已经刨到什么程度,现在还很难说。卡尔·萨根在《宇宙》一书中说,要是你钻进一个电子深处,你会发现它本身就是一个宇宙,使你回想起20世纪50年代的那些科幻故事。"里面,大量小得多的别的粒子组成了相当于当地的星系和较小的结构,它们本身就是下一层次的宇宙,如此永远下去--一个逐步往里推进的过程,宇宙中的宇宙,永无尽头--往上也是一个样。"
  对于我们大多数人来说,这是个不可想像的世界。如今,即使看一本有关粒子物理学的初级指南,你也必须克服语言方面的重重障碍,比如:"带电的π介子和反π介子分别衰变成一个μ介子加上反中微子和一个反μ介子加上中微子,平均寿命为2.603×10-8秒;中性π介子衰变成2个光子,平均寿命大约为0.8×10-16秒;μ介子和反μ介子分别衰变成......"如此等等--而且,这段话还是从(通常)文笔浅显的作家斯蒂芬·温伯格为普通读者写的一本书里引来的。
  20世纪60年代,加州理工学院物理学家默里·盖尔曼试图把事情简化一下,发明了一种新的粒子分类法,用斯蒂芬·温伯格的话来说,实际上"在一定程度上使大量的强子重新变得一目了然"--强子是个集体名词,物理学家用来指受强核力支配的质子、中子和其他粒子.盖尔曼的理论认为,所有强子都是由更小的,甚至更基本的粒子组成的。他的同事理查德·费曼想跟多利那样把这些新的基本粒子叫做部分子,但是没有获得通过。它们最后被称做夸克。
  盖尔曼从小说《芬内根的觉醒》的一句话中取了这个名字:"给马斯特·马克来三夸克(quarks)!"(敏锐的物理学家把storks或larks作为该词的韵脚,尽管乔伊斯脑子里想的几乎显然是后者的发音。1)夸克的这种基本的简洁性并没有持续很久。随着人们对夸克的进一步了解,需要更细的分类。尽管夸克太小,不可能有颜色、味道或任何别的可以识别的化学特性,它们还是被分成六类--上、下、奇、粲、顶和底,物理学家们奇怪地把这些统称为它们的"味";它们又进一步被分成红、绿和蓝三种颜色。(人们怀疑,这些名称原先在迷幻药时代在加利福尼亚州使用过。这不完全是一种巧合。)  最后,出现了所谓的标准模型。对亚原子世界来说,它实际上是一个元件箱。标准模型的组成成分是:6种夸克、6种轻子、5种已知的玻色子和1种假设的玻色子(即希格斯玻色子,以苏格兰科学家彼得·希格斯的名字命名),加上4种物理力中的3种:强核力、弱核力和电磁力。
  这种安排其实说明,在物质的基本材料中有夸克;夸克由名叫胶子的粒子黏合在一起;夸克和胶子一起形成了原子核的材料,即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费密子。玻色子(以印度物理学家S.N.玻色的名字命名)是产生和携带力的粒子,包括光子和胶子。希格斯玻色子也许存在,也许不存在;这完全是为了赋予粒子质量而发明出来的。
  你看得出,这个模型真是有点儿笨拙,但这是可以用来解释粒子世界全部情况的最简单的模式。大多数粒子物理学家觉得,正如利昂·莱德曼在1985年的一部电视片里说的,标准模型不大优美,不大简明。"它过于复杂,有许多过于武断的参数。"莱德曼说,"我们其实不明白,为了创造我们都知道的宇宙,造物主干吗要转动20个门把来设定20条参数。"实际上,物理学的任务是探索最终的简洁性,而迄今为止的一切都乱成了美丽的一团--或者就像莱德曼说的:"我们深深地感到,这幅图画并不美丽。"
  标准模型不但很笨拙,而且不完整。一方面,它根本没有谈到引力。找遍整个标准模型,你找不出任何解释,为什么放在桌上的帽子不会飞上天花板。为了赋予粒子以质量,你不得不引入假设的希格斯玻色子,它是否真的存在,要靠21世纪的物理学来解决。正如费曼所由衷地认为的那样:"因此,我们对这个理论处于进退两难的境地,不知道它是对的还是错的,但我们确实知道它是有点儿错的,或者至少是不完整的。"
  物理学家试图把什么都扯到一起,结果想出来一种所谓的超弦理论。这种理论假设,以前我们认为是粒子的夸克和轻子,实际上都是"弦"--振动的能弦,它们在11维中摆动,包括我们已知的3个,维度再加上时间,以及7个别的维度,它们,哎呀,我们现在还无法知道。这种弦非常微小--小得可以被看成是点粒子。
  通过引入额外的维度,超弦理论使科学家能把量子定律和引力定律相对比较融洽地合在一起,但是,这也意味着,科学家关于这个理论的任何解释,听上去都会令人惴惴不安,犹如公园凳子上的陌生人告诉你某个想法,你听了会慢慢走开一样。比如,物理学家米奇奥·卡库是这样从超弦理论的角度来解释宇宙的结构的:  杂化弦由一根闭合的弦组成,它有两种振动模式,顺时针方向的和逆时针方向的,要以不同的方式来对待。顺时针方向的振动存在于一个10维空间。逆时针方向的振动存在于一个26维的空间,其中有16维已经被压实了。(我们知道,在卡鲁扎原先的5维空间里,第5维被卷成一个圈,已经给压实了。)  如此等等,洋洋洒洒350页左右。
  弦理论又进一步产生了所谓的M理论。该理论把所谓"膜"的面,纳入了物理学世界的灵魂。说到这里,我们恐怕到了知识公路的站点,大多数人该下车了。下面引了《纽约时报》上的一句话,它以尽可能简单的语言向普通读者解释了这种理论:
  在那遥远遥远的过去,火成过程以一对又平又空的膜开始;它们互相平行地处于一个卷曲的5维空间里......两张膜构成了第5维的壁,很可能在更遥远的过去作为一个量子涨落产生于无,然后又飘散了。
  无法与之争辩,也无法理解。顺便说一句,"火成"源自希腊文,意为"燃烧"。
  现在,物理学的问题已经达到这样的一种高度,正如保罗·戴维斯在《自然》杂志里说的,"非物理学家几乎不可能区分你是合乎常情的怪人,还是彻头彻尾的疯子"。有意思的是,2002年秋,这个问题到了关键时刻。两位法国物理学家--孪生兄弟伊戈尔·波格丹诺夫和格里希卡·波格丹诺夫--提出了一种关于极高密度的理论,包括"想像的时间"和"库珀-施温格-马丁条件"这样的概念,旨在描述无,即大爆炸以前的宇宙--这段时间一直被认为是无法知道的(因为它发生在物理现象及其特性诞生之前)。
  波格丹诺夫理论几乎立即在物理学家中间引起争论:它到底是胡说八道,一项天才的成就,还是一个骗局?"从科学的角度来看,显而易见,它多少是彻头彻尾的胡说八道。"哥伦比亚大学的物理学家彼得·沃伊特对《纽约时报》记者说,"不过,近来,它跟许多别的文献没有多大区别。"
  卡尔·波普尔被斯蒂芬·温伯格称之为"现代科学哲学家的泰斗"。有一次,他提出,物理学很可能没有一种终极理论--每一种解释都需要进一步的解释,形成"永无穷尽的一连串越来越基本的原理"。与之相对的可能性是,这种知识也许是我们完全无法理解的。"幸亏,迄今为止,"温伯格在《终极理论之梦》中写道,"我们的理智资源似乎尚未耗尽。
  "
  几乎可以肯定的是,这个领域将出现更多的见解;几乎同样可以肯定的是,这些见解将是我们大多数人所无法理解的。
  正当20世纪中叶的物理学家在迷惑不解地观测小世界的时候,天文学家发现,同样引人注目的是,对大宇宙的理解也是不完整的。
  上次谈到,埃德温·哈勃已经确认,我们视野里的几乎所有星系都在离我们远去,这种退行的速度和距离是成正比的:星系离得越远,运动的速度越快。哈勃发现,这可以用个简单的等式来加以表示:Ho=v/d(Ho是常数,v是星系飞离的速度,d是它离开我们的距离)。
  自那以后,Ho一直被称之为哈勃常数,整个等式被称之为哈勃定律。哈勃利用自己的等式,计算出宇宙的年龄大约为20亿年。这个数字有点儿别扭,因为即使到20世纪20年代末,情况已经越来越明显,宇宙里的许多东西--很可能包括地球本身--的年龄都要比它大。完善这个数字是宇宙学界一直关心的事情。
  关于哈勃常数,惟一常年不变的是对它的评价意见不一。1956年,天文学家们发现,造父变星比他们认为的还要变化多端;造父变星可以分为两类,而不是一类。于是,他们重新进行计算,得出宇宙新的年龄大约为70亿年到200亿年--不是特别精确,但至少相当古老,终于可以把地球的形成涵盖其中。
  在此后的几年里,爆发了一场旷日持久的争论,一方是哈勃在威尔逊山天文台的继承人阿伦·桑德奇,另一方是法国出生的、得克萨斯大学的天文学家热拉尔·德·沃库勒。桑德奇经过几年的精心计算以后,得出哈勃常数的值为50,宇宙的年龄为200亿年。沃库勒同样很有把握,哈勃常数为100。1这意味着,宇宙的大小和年龄只有桑德奇认为的一半--100亿年。1994年,情况突然变得更不确定,加利福利亚州卡内基天文台的一个小组根据哈勃天文望远镜的测量结果,提出宇宙的年龄只有80亿年--连他们也承认,这个年龄比宇宙里某些恒星的年龄还要小。2003年2月,一个来自美国国家航空和航天局及马里兰州高达德太空飞行中心的小组,利用一种名叫威尔金森微波各向异性探测器的新型卫星,信心十足地宣布,宇宙的年龄为137亿年,误差1000万年左右。事情被搁置下来,至少在一段时间里。
  若要作出最后的定论,难度确实很大,因为往往有很大的解释余地。想像一下,你夜间站在一片空地上,想要确定远处两盏电灯之间的距离。如果使用比较简单的天文学工具,你很容易确定两个灯泡的亮度一样,以及一个灯泡要比另一个灯泡远50%的距离。但是,你无法确定的是,较近的那盏灯,比如是37米以外的那个58瓦的灯泡,还是36.5米外的那个61瓦的灯泡。此外,你还必须考虑到由几个原因造成的失真:地球大气的变化,星际尘埃,背景恒星对光的污染,以及许多别的因素。因此,你的计算结果势必是以一系列嵌套的假设为基础的,其中任何一个都可能引起争议。还有一个问题:使用天文望远镜总是代价很高,在历史上,测量红移要长时间使用天文望远镜,令人注目地花钱很多。很可能要花上整整一个夜晚才能获得一张底片。结果,天文学家不得不(或者愿意)根据少得可怜的证据就下了结论。在宇宙学方面,正如记者杰弗里·卡尔指出的,我们"在鼹鼠丘似的证据上建立起大山似的理论"。或者像马丁·里斯说的:"我们目前的满足(于我们的认识状态)也许反映了数据的匮乏,而不是理论的高超。"
  顺便说一句,这种不确定状态适用于比较近的东西,也适用于遥远的宇宙边缘。当天文学家说M87星系在6000万光年以外的时候,正如唐纳德·戈德史密斯说的,他们其实是在说它大约在4 000万-9000万光年之间--二者不完全是一码事。大宇宙里的事情自然是被夸大的。有鉴于此,我们目前有关宇宙最好的估计似乎是120亿-135亿年之间,但距离意见一致还差得很远。
  近来有人提出了一种很有意思的理论,认为宇宙根本没有我们原来以为的那么大;我们凝望远方所看到的有些星系,也许只是映像,是反射的光产生的重像。
  实际上,还有很多东西我们不知道,甚至在很基本的层面上--至少不知道宇宙是怎么构成的。当科学家们计算使东西保持在一起所需的物质的量的时候,结果总是发现远远不够。宇宙的至少90%,也许多达99%,似乎是由弗里茨·兹维基认为的"暗物质"组成的--那种生性我们看不见的东西。我们生活在一个多半连看都看不见的宇宙里,而却毫无办法,想到这一点真让人觉得有点儿不是滋味。至少有两个主要嫌疑的名字受到注意:据说,它们不是"WIMP"("弱互相作用大质量粒子",即大爆炸留下的看不见的微小物质),就是"MACHO"("晕状大质量致密天体",实际上只是黑洞、棕色矮星和其他光线很暗的恒星的另一种说法)。
  粒子物理学家往往赞成解释为粒子,即WIMP;天体物理学家赞成解释为星体,即MACHO。MACHO一度占了上风,但根本找不到足够的数量,所以风向又转向WIMP--问题是WIMP从来没有发现过。由于它们的相互作用很弱,因此很难识别它们(即使假设它们的存在)。宇宙射线会造成太多干扰。因此,科学家们必须钻到地下深处。在地下一公里的地方,宇宙射线的轰击强度只有地面的百万分之一。但是,即使把这一切都加上去,正如有一位评论家说的:"宇宙在决算表上还相差三分之二。"眼下,我不妨把它们称之为"DUNNOS"(某处未知非反射不可测物体)。
  近来有迹象表明,宇宙的星系不仅在离我们远去,而且离去的速度越来越快。这与人们的期望是背道而驰的。看来宇宙不仅充满暗物质,而且充满暗能量。科学家们有时将这称之为真空能或第五元素。无论如何,宇宙似乎在不断膨胀,谁也说不清这是什么道理。有理论认为,空空荡荡的太空其实并不空空荡荡--物质和反物质的粒子在不停地产生和消失--是它们在把宇宙以越来越快的速度往外推移。令人不可思议的是,解决这一切的恰恰是爱因斯坦的宇宙常数--他为了驳斥关于宇宙在不断膨胀的假设而在广义相对论里顺便引入的,也是他自称是"我一生中最大的失误"的那个小小的算式。现在看来,他毕竟还是对的。
  归根结底,我们生活在一个宇宙里,它的年龄我们算不大清楚;我们的四周都是恒星,它们到我们的距离以及它们彼此之间的距离我们并不完全知道;宇宙里充满着我们无法识别的物质;宇宙在按照物理学定律运行,这些定律的性质我们并不真的理解。
  以这样的一种很不确定的基调,让我们再回到地球,考虑一下我们确实理解的东西--虽然到目前为止,要是你听到我们并没有完全理解它这类话,你也许不会再感到吃惊--以及我们长期以来不理解而现在理解了的东西。
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