一只又死又活的薛定谔的猫

第六章 找寻“上帝粒子”

　　2008年8月，集20余国之力，耗时10多年，投资超过100亿美元的大型强子对撞器（Large Hadron Collider，简称LHC）终于完工了。这个由欧洲核子研究组织建造的有史以来最庞大、最复杂的超级实验装置坐落在离日内瓦不远的法国和瑞士的边境处，它的一部分在法国境内，另一部分在瑞士境内。其主体部分是一个埋在地下100米深处、将近27公里长的环形隧道。这个隧道是LHC的主加速环，两束向相反方向绕行的质子（构成原子核的基本粒子之一）将在里面被加速到极高的速度（光速的百分之99.9999991%），然后引导它们迎头对撞。为了把质子束保持在加速环内并在设定的准确位置进行对撞，LHC用了1400块巨型电磁铁，用来制成这些电磁铁线圈的铌钛合金导线就长达7500公里，重1200吨。每根导线都是由6400股只有头发的1/10粗细的铌钛合金细丝组成，如果把这些细丝连接起来，其长度是从地球到太阳距离的10倍。整个LHC有将近1万块大大小小的电磁铁，这些磁铁大部分还必须处于超导（零电阻）状态，为此使用了10080吨液态氦将它们的温度维持在摄氏零下271度。LHC很可能是宇宙里最冷的地方了，除非真的存在比人类智力更发达的外星人，以更高的技术创造出更冷的环境。除了低温，质子运行的管道里还需保持很高的真空度，否则质子会与空气分子发生碰撞而前功尽弃。要将27公里长的管道中的气压维持在不到月球表面气压的1/10，难度可想而知。

　　经过上万名科学家和工程技术人员十几年的努力，LHC终于在2008年8月开始运行。可是好事多磨，仅一个多月后（9月19日），LHC就发生了一次重大意外--大量用于维持电磁铁超导状态的液氦泄漏，引起一块接一块的电磁铁停止工作，最后导致LHC不得不停机。除了技术原因，这次大事故据说与当时欧洲核子研究组织的总干事法国人艾玛（Robert Aymar）的官僚主义也颇有关系。艾玛的任期为2004至2008年，他一心想让LHC能在他离任之前运转起来，所以一个劲地要“大干快上”，以致酿成大祸。为了杜绝类似意外再次发生，科学家和技术人员花了一年多的时间对LHC进行了结构性的修改。LHC的第二次开机则已经是2009年的11月了。到目前为止，LHC一直运转正常，并且在2010年3月30日达到了最高设计能量的一半（7TeV），远远超过了此前美国费米实验室保持了8年之久的世界纪录（1.96TeV）。

　　建造LHC的最直接目的是寻找一种叫做希格斯玻色子（Higgs boson）的粒子，物理圈里常称它为“上帝粒子”。按照目前被物理学界普遍认可的所谓“标准模型”，基本粒子之所以有质量，全是拜希格斯玻色子之赐。而质量是构成我们生存的现实世界的最基本因素之一，这大概就是物理学家们会把找寻希格斯玻色子列为重中之重的主要原因吧。最近列出的2011年科学界可能发生的十件大事之首就是在LHC的实验中发现“上帝粒子”。

　　要想了解“标准模型”的来龙去脉，我们必须从宇宙间的各种基本相互作用力讲起。

　　人类对自然界中存在的基本相互作用力的认识，经历了一个从宏观到微观的过程。牛顿（1643-1727）的万有引力定律是人类开始了解第一种基本相互作用力--引力的标志。爱因斯坦（1879-1955）的广义相对论将引力与空间和时间联系在一起，把对引力的认识推上了一个新的高度。麦克斯韦（J C。Maxwell，1831-1879）在1865年建立的描述电场、磁场与电荷密度、电流密度之间关系的麦克斯韦方程则是人类认识第二种基本相互作用力--电磁力的里程碑。引力和电磁力是宏观上可观测的相互作用力，是在日常生活里看得见、摸得着的。第三种基本相互作用力是弱相互作用力，也称作弱核力。弱相互作用的一个典型的例子是原子核里的中子释放出一个电子和一个反中微子而变成质子（β衰变）。最后一种基本相互作用力是强相互作用力，它是把质子和中子结合在一起形成原子核的力，同时也是把称为夸克和胶子的更基本的粒子聚在一起形成质子和中子的力。强相互作用力具有很奇特的性质。从直觉上来说，当相互作用的物体离得越远时，它们之间的力应该会变得越弱。上面提到的引力、电磁力和弱相互作用力都是这样。而强相互作用力却恰恰相反，越是把相互作用的物体拉开，它们之间的力反而越强，就像揪一根橡皮筋一样。弱相互作用和强相互作用只存在于微观世界中，在我们生活的宏观世界里是不能直接感受到的。

　　将自然界中存在的各种基本相互作用力统一到一个普适的框架中，从而构造出一种“万有理论”（也叫大统一理论）是很多理论物理学家追逐的梦想。爱因斯坦是这方面的先驱。他在晚年时一直致力于统一场论的研究，试图把广义相对论与电磁学整合成为一个单一的场论。不过他的努力并未成功。从后来大统一理论发展的实际过程来看，引力虽然是最先被认知的力，但却是最难纳入统一框架的力。另一位物理学大师、量子力学的奠基人之一海森堡（W。Heisenberg，1901-1976）则另辟蹊径，从对称性入手，他提出物理性质很接近的质子和中子可能是处于不同表象的同一种粒子。20多年后，海森堡的想法被著名华裔物理学大师杨振宁采用，并最终在1954年发展出杨-米尔斯规范场理论。可以毫不夸张地说，规范场理论的提出改变了整个理论物理学。它为后来的弱电力统一理论、“标准模型”和量子色动力学等等重要理论奠定了基础，对从理论上发现构成质子和中子的夸克起了很大的作用。时至今日，它的重要性还在物理学的各个领域及纯数学中不断显现。不过，杨-米尔斯理论在刚提出时并没有立即引起物理学界的足够重视。当时的主要问题是，具有规范不变性的粒子其质量只能为零，这与现实世界里的粒子似乎联系不到一起。直到若干年后，著名日裔物理学家南部阳一郎（1921-）和戈德斯通（J。Goldstone，1933-）等人提出了无质量的粒子可以通过一种所谓“对称性自发破缺”的机制而获得质量，才使杨-米尔斯理论又成为研究的热点。

　　上世纪60年代，格拉肖（S。L。Glashow，1932-）、萨拉姆（M。A。Salam，1926-1996）和温伯格（S。Weinberg，1933-）在杨-米尔斯规范场理论和“对称性自发破缺”机制的基础上创立了弱电统一理论，将电磁力和弱相互作用力整合到了一起。为此，他们获得了1979年的诺贝尔物理奖。据说温伯格解决弱电统一问题的关键想法是在路上开车时想出来的，据此写成的论文仅仅两页半纸，但它后来却成为被引用次数最多的物理学论文之一。另外一个有趣的事情是，格拉肖和温伯格同为纽约明星高中--布朗士科学高中的学生，在中学时期就是朋友，两人毕业后又一起进入康奈尔大学。这种从中学到大学一直是朋友，后来又共同获得同一次诺贝尔奖的例子大概是绝无仅有的。

　　在格拉肖等人建立弱电力统一理论的同时，另一批物理学家则在致力于强相互作用的研究，其最主要的成果就是夸克模型。由于篇幅所限，对这一方向的研究过程及其结果在此文中只好按下不表了。

　　从弱电力统一理论和夸克模型出发，经过很多人的不懈努力，在1970年代中期，电磁力、弱相互作用力和强相互作用力总算被纳入了同一理论，粒子物理的“标准模型”终于诞生了！它将所有已知的基本粒子全部囊括其中，并且成功解释了一系列有关基本粒子的实验。“标准模型”最辉煌的成果是预言了三种传递弱相互作用的粒子W+、W-和Z0的存在。1983年1月和5月，W和Z粒子先后在欧洲核子研究组织的加速器上被发现，它们的发现者鲁比亚（C。Rubbia，1934-）和范德梅尔（S。van der Meer，1925-）第二年就被授予了诺贝尔物理奖。

　　“标准模型”的一个关键部分就是引入了希格斯机制，即有质量的粒子是通过希格斯场的对称性自发破缺而获得质量的。这一构想的奠基人是南部阳一郎，他在1959年借用超导理论中的概念论证了对称性自发破缺使粒子具有质量的可能性（这方面的研究成果为他赢得了2008年诺贝尔物理奖）。事实上，如果他再前进一步，希格斯玻色子现在可能就该叫做南部玻色子了。在研究了南部阳一郎的理论之后，1964年7月，希格斯（P。W。Higgs，1929-）在欧洲的《物理快报》上发表了一篇短文，用规范场理论从数学上证明了可以存在一种玻色子，通过对称性自发破缺而使它自己和其他粒子获得质量。同年6月和10月，美国的《物理评论快报》也收到了两篇内容与希格斯的短文一样的论文，分别由恩格勒（F。Englert）和布罗特（R。Brout）及古若尼克（G。S。Guralnik）、哈根（C。R。Hagen）和基布尔（T。W。B。Kibble）独立完成。两年之后，希格斯进一步将他1964年的理论具体化，最终给出了完整的希格斯机制。他把这篇意义重大的论文投给《物理快报》，不料却被退了回来，因为编辑认为他的文章与物理没有实质性的联系。希格斯于是在结尾处又加了一小段，指出文章中提出的使粒子产生质量的机制也许可以被应用于强相互作用。希格斯后来推测，可能正是由于这段后加上去的叙述才导致以他的名字命名了这种玻色子--希格斯玻色子。

　　对于圈外人来说，希格斯机制可能不太容易理解。因此，英国科学大臣沃尔德格雷夫（W。Waldegrave）曾经在1993年悬赏一瓶昂贵的香槟酒，以换取一页纸的关于希格斯机制的解释，前提是得能让他读得懂。不少物理学家提出了各种各样的比拟，其中理论物理学家埃利斯（J。R。Ellis）对希格斯机制作了如下的形象比喻：“希格斯场就像是一片雪地，设想你在雪地里行走，你肯定会感受到自己的‘质量’--你会觉得雪在拖你的后腿。现在，想象雪突然化了，你将能够轻而易举地向前走，因而不再感觉到自己的‘质量’。”宇宙在形成之初的一段极短暂的时间里，具有完美的对称性，这就好比是没有雪的地面。之后温度下降，希格斯场的对称性自发破缺--相当于雪覆盖了地面。于是，粒子有了质量。

　　除了希格斯玻色子，“标准模型”中的所有其他粒子都已经在实验中被直接或间接地观测到了。因而希格斯玻色子是整个“标准模型”缺少的最后一块拼图，同时又是最重要的一块。一旦找到了它，我们就找到了宇宙间物质质量的来源。

　　当然，也不是所有的物理学家都相信能找到希格斯玻色子。英国著名理论物理学家霍金（S。Hawking，1942-）就曾经打赌说欧洲核子研究组织的大型电子-正电子对撞器（LHC的前身）不可能发现希格斯玻色子。事实证明他赢了。希格斯自然心里不怎么服气。在一次晚宴上，他有点口无遮拦地说“由于很难与他直接讨论（按：霍金患有肌萎缩性侧索硬化症，无法与其他人正常交流），他可以轻易地从他所宣称的东西上脱身，而别人则不能。他的明星身份带给他别人无法具有的直接优势”。这一下捅了马蜂窝，被英国媒体大加宣扬。希格斯后来写信向霍金道歉，霍金也回信说他并不介意。不过霍金没忘了在信中又加上一句，说他仍然不相信在未来的实验中--包括LHC会发现希格斯玻色子。有不少人对这桩公案颇不以为然，某位不愿具名的物理学家就说“批评霍金有点像批评戴安娜王妃--你别在公共场合说”。

　　究竟“上帝粒子”能不能被观测到，目前的希望全寄托在LHC身上。当LHC在2013年达到最高设计能量时，将“还原”出宇宙处于最初（即大爆炸开始后）两百万亿分之一秒（5×10-15秒）时的状态，这个时间是否“早到”能发现希格斯玻色子，现在并无定论。谜底在不远的将来就会揭晓，全世界关心物理学发展的人们都拭目以待。