然而,這說起來容易做起來難。偉大的愛因斯坦用了大半輩子的時間試圖統壹引力和電磁力,卻沒有結果,最後帶著遺憾離開了。
雖然很難到達,但尋求“統壹”的接力仍在傳遞。萊德曼是最執著的追求者之壹。在《上帝的粒子》壹書的開篇,他有這樣的描述:
我在布朗克斯長大,那時我經常連續幾個小時看著我哥哥擺弄化學品。他是個神童。我寧願做所有的家務,這樣他就會允許我看他做實驗。現在他正在買賣壹些新奇的商品,包括嘉年華坐墊、電梯執照或者印有流行詞匯的t恤。這些t恤使人們能夠用壹句長度不超過胸寬的話來概括自己的世界觀。科學家的目標也僅此而已。我的目標是活得足夠長,看到所有的物理定律簡化成壹個簡單而美麗的公式,可以很容易地印在t恤的胸前。
少年時讀過的壹本書給萊德曼留下了深刻的印象。10歲時,萊德曼因患麻疹臥床不起。為了給他解悶,讓他振作起來,父親給他買了壹本愛因斯坦和因菲爾德合著的《相對論的故事》。這本書講述了科學中的偵探故事,每個故事都包括壹個謎、幾條線索和壹個偵探。偵探通過線索解開了這個謎。然而,幾十年後萊德曼在《上帝粒子》壹書中講述的故事有兩個謎團有待解開,這兩個謎團都與粒子有關。
第壹個是德謨克利特首先提出的不可見、不可分的物質粒子——“原子”,它位於整個粒子物理學所討論的基本問題的核心。人們為解開這個謎奮鬥了2500年,積累了成千上萬的線索。在《上帝的粒子》的前幾章中,萊德曼詳細回顧了前人所做的工作。他告訴我們,很多“現代”思想其實早在16和17世紀就已經出現,甚至比基督教產生還要早幾個世紀。在《上帝的粒子》後面的章節中,萊德曼帶領我們回到當下,去追尋第二個,或許更大的謎團,其主角是他認為指揮宇宙交響樂的粒子。
在萊德曼生動流暢的筆觸中,我們可以看到兩個不同時代的科學家之間天然的血緣關系。其中壹個是16世紀的科學家。他從比薩斜塔上扔出兩個重物。另壹個是當代粒子物理學家(可能是萊德曼本人?),他坐在寒風掃過的伊利諾伊平原上的壹個臨時營地裏,手指凍僵了,還在檢查壹個埋在凍土裏的價值5億美元的加速器流出的數據。他們都問了同壹個問題:物質的基本結構是什麽?宇宙是如何運作的?
在尋找這樣壹件終極t恤的過程中,人們努力了幾個世紀,取得了顯著的進步。比如牛頓對引力的發現,可以解釋很多看似不相關的現象:潮汐、蘋果掉落、行星運動、星系形成。牛頓的t恤上寫著F=ma。後來,法拉第和麥克斯韋揭開了電磁波譜的秘密。電、磁、陽光、無線電波和X射線都是同壹種力的表現。1929年,勞倫斯建造了世界上第壹臺粒子回旋加速器,開啟了探索未知亞原子世界的大門...於是,物理學家逐漸形成了對宇宙構成的基本認識。
現在,通過對多種粒子的研究,我們建立了壹個“標準模型”,可以把現實中的壹切簡化為大約12種粒子和4種力。這個標準模型仍然被證明是正確的。它對構成宇宙的所有基本粒子進行了系統的分類,形成了簡單的列表,闡述了粒子間的相互作用規律。
然而,在粒子物理學家看來,標準模型仍然存在兩個令人討厭的缺陷。第壹個跟它的不完整有關。直到1993年初才發現頂誇克(1995年宣布)。還有壹個中微子(τ中微子)沒有被直接觀測到,物理學家需要的很多數字還沒有得到準確的數值。例如,我們不知道中微子是否有靜止質量。我們需要知道CP對稱性的破壞——物質的起源過程——是如何出現的。第二個缺陷純粹是美學上的,因為標準模型還沒有達到數學上的壹致性。
是什麽阻礙了我們得到那件完美的t恤?
萊德曼“咬牙切齒”地說,“宇宙中有壹個無所不在的幽靈般的反派,正在阻止我們了解物質的真實本質,獲得終極知識。”這種阻止我們了解真相的無形障礙,就叫希斯菲爾德。它冰冷的觸角伸向宇宙的每壹個角落,它的科學和哲學意義讓物理學家們起雞皮疙瘩。希格斯場通過粒子發揮其邪惡的魔力。這種粒子的名字叫做希格斯玻色子。尋找希格斯玻色子是建造超級對撞機的主要原因之壹。
如今,這種小得令人難以置信的粒子處於當今物理學領域的核心,在我們最終理解物質結構的過程中發揮著重要作用;同時,它是如此的難以捉摸,以至於萊德曼給了它壹個綽號:GodParticle。
然而,萊德曼的原名是“該死的粒子”:“考慮到它的惡毒本質和為此花費的巨額資金,我認為這個名字可能更合適。”但發行商不肯做,所以改了壹下就成了“上帝粒子”。
其實這個名字也很貼切,因為這個“該死的粒子”太神秘了,和我們所知道的任何東西都完全不同。如果希格斯玻色子真的存在(關於它還有壹些疑問),並且可以被識別,那麽它就可以回答壹個只有哲學家和瘋子長期以來壹直在問的“愚蠢”問題:物質為什麽有質量?用歐洲原子能委員會發言人彼得·詹尼(Peter Janey)的話說,物理學家需要希格斯玻色子來解釋壹個對普通人來說不是問題的問題:壹切都有質量。
為了實現“統壹”的宏偉目標,物理學家們壹直在處理壹些抽象的物理和數學理論。這些理論有很多晦澀難懂的名字(比如超弦、超對稱、超引力等。)英國著名理論物理學家霍金說:“如果我們能找到答案,我們將宣告人類理性的最終勝利,因為我們將明白上帝的意圖。”
是的,在“上帝粒子”的背後,展現了壹個輝煌耀眼的世界。但我們很快就會意識到,我們並沒有所有的答案:電子、誇克和黑洞中有什麽?這些問題將引導我們繼續探索。構成宇宙的終極粒子是什麽?自從哲學家德謨克利特從烤面包的氣味中推導出“原子”存在的“思想實驗”以來,2000多年來,無數的實驗者和理論家壹直在為解開這個謎而奮鬥。在本書的前幾章,當代最偉大的粒子物理學家之壹、1988諾貝爾物理學獎獲得者萊德曼用幽默生動的語言帶領我們穿越歷史的長河,對人類探索宇宙終極粒子的發現之旅做了簡要回顧。由此,我們將看到科學的前輩們是如何通過壹個個“靈光壹現”,將這個問題壹步步推向宇宙最終奧秘——上帝粒子的關鍵。
“上帝粒子”是利昂·萊德曼對希格斯玻色子的昵稱。這種粒子是物理學家理論上假設存在的基本粒子。目前已經成為整個粒子物理領域的研究中心,萊昂·萊德曼更形象地稱之為“指揮宇宙交響樂的粒子”。通過萊德曼有趣的敘述,我們不僅可以清晰地了解現代物理學家是如何尋找基本粒子的,還可以閱讀現代物理學史上的許多軼事,對標準模型、大尺度理論、超弦和暗物質等當代物理學的前沿問題有更深入的了解,包括更基本的問題“為什麽所有物質都有質量”。