追逐上帝粒子：藏在宇宙底層的物質本原

瑞士－法國邊界之下的隧道中，巨大的ATLAS探測器已建設成形，它將通過觀測最微觀的世界，來幫助物理學家揭示整個宇宙的運作原理。

如果你從迷人的法國村莊克羅澤的中央垂直向下打一個100米深的洞，你將到達一處令人聯想到007電影中地下魔窟的地方。一條寬3米、燈火輝煌的隧道呈曲線伸向遠方，每隔幾公里就有一個高大的洞廳，裡面裝滿了重型鋼結構、電纜、管道、電線、磁體、管件、連桿、步梯和各種謎一般的部件。

這個高科技地下世界其實是一架極為巨大的科學裝置，確切地說是粒子加速器，也是迄今為止威力最大的原子槍。它的名字叫做「大型強子對撞機」（LHC），它的使命簡單而宏偉： 破解物質世界的密碼，揭密宇宙的組成； 換句話說，就是探求萬物的根本。在2008年的某個時刻，將會有兩束粒子在這條長達27公里的環狀地下隧道內以相對的方向射出。在上千個超低溫冷卻的、如香腸一般首尾相連的圓柱狀磁體牽引下，兩束粒子將在隧道內的四個位置上會合，並以接近光速的速度相撞。如果一切進展順利，物質將會在這種激烈的碰撞下轉化為巨大的能量，這些能量又會凝聚成各種各樣的奇妙粒子，有的還是人們從未見識過的。實驗粒子物理學的精髓就在這裡： 把幾種東西一起打碎，看看有什麼新東西產生。

那些分布在隧道沿途的大型設備會精密檢測碰撞中迸發出來的物質。其中最大的一台叫做ATLAS，它的探測器有七層樓高。而最重的一台叫做緊湊μ子螺線管探測器（CMS），比艾菲爾鐵塔還要沉。「越是找小東西，越要用大設備」在歐洲核子研究中心可謂至理名言。這座國際實驗室早年的簡稱「CERN」更為人所熟知。

這聽起來有點嚇人，事實上也的確令人生畏，將大型強子對撞機建在隧道里是審慎之舉。雖說粒子束的威力幾乎可以穿透任何物體，但最可能遭到破壞的是對撞機本身。已經發生過一起小事故了：2007年3月的一次測試中，一個磁體差點從支架中彈出來。此後，科學家為了修正一個設計缺陷，已經替換了24 個磁體。操作對撞機的技術人員不太樂於談論可能出現的各種問題，這大概是由於公眾往往有種莫名的恐懼，總擔心瘋狂的科學家會一不留神造出個黑洞，把地球吞掉。

還有一個聽起來比較合理的擔憂是： 對撞機會有負眾望，無法找出物理學家堅持認為深藏在物質世界底層的神秘事物。如此龐大的機器必須要做出重大的科學發現、得出重大問題的答案，才算有個交待； 它不僅得製造出引人矚目的粒子，還得爆出頭版頭條的新聞。但即便是這種大手筆的研究項目，也不能解答有關物質和能量的所有重大問題，絕對不能。因為一個世紀以來的粒子物理學發展已使我們領悟了一條真理：物質不會輕易展露它的奧秘。打個比方說，宇宙之謎是個難以砸開的核桃。

回溯至100多年前的19世紀末，看看那時的物理學界：理論體系成熟，學者志得意滿。當時有些人相信，只要再弄清物理學中殘存的幾個小問題，就能完全了解宇宙萬物；物質依照一套明晰的秩序，在牛頓作用力的統治下構成一個有條不紊的宇宙，而原子則是物質的根本；根據定義，原子是不可再分的，它的名字就是取自希臘語中的「不可切分」一詞。

但後來，不可思議的事物接二連三地從實驗室里冒出來：X光、γ 射線、以及被稱為「放射性」的神秘現象。物理學家J·J·湯姆孫發現了電子。原來原子還可以再分為若干組分。那麼是否如湯姆孫所設想的，原子就像個布丁，電子是嵌在裡面的葡萄乾？當然不是。1911 年，物理學家歐內斯特· 盧瑟福宣布，原子內大部分是空的，它的質量集中在微小的原子核上，而電子環繞於核外。

物理學經歷了一次又一次革命。愛因斯坦的狹義相對論（1905 年）引出了廣義相對論（1915年），突然間，就連「絕對空間」和「絕對時間」這等毋庸置疑的概念也遭到摒棄，取而代之的是匪夷所思的時空觀。在新提出的時空結構中，永遠不存在「同時發生」的兩件事情。物質會導致空間彎曲； 空間決定物質的運動狀態； 光既是粒子也是波；能量和質量可以互相轉化。事物的發展符合概率論，而不是決定論——雖然愛因斯坦從不相信宇宙的格局是老天爺靠擲骰子來敲定的，但這種觀念卻成了科學界的正統。

20 世紀30 年代初，歐內斯特· 勞倫斯已發明了第一個環形粒子加速器， 即小巧的「回旋加速器」，他一隻手就可以拿起來。如今，美國政府設在芝加哥西部費米實驗室里的那台加速器，得安置在幾平方公里的大草原和一小群野牛之下才能隱藏形跡。若你驅車在加利福尼亞州帕洛阿爾托市附近的胡尼佩羅· 塞拉高速公路上飛馳，就恰好能從一個長達3公里的直線型粒子加速器上方駛過。而大型強子對撞機的規模甚至跨越了國界。現在仍有些物理學家在實驗桌上搞研究，想靠著簡樸的工具得出大成果，但從現實的角度來看，要打破物質構造的謎團，就必須採用龐大、強力、能量充沛的設備。

雖然我們如今掌握的一些知識是愛因斯坦、盧瑟福、普朗克、玻爾、海森堡等一個世紀前的偉大物理學家根本無法想像的，但距離物質世界的終極理論仍然路途遙遠。分子由原子構成； 原子由被稱為質子、中子和電子的粒子構成； 質子和中子（合稱「強子」，前文提到的對撞機的名稱由此而來）由被稱為夸克和膠子的奇特物質構成——但剛深入到這個地步，我們的視野已經模糊不清了。夸克是基本粒子呢，還是由更小的粒子構成？電子雖被認為是基本粒子，但誰也不敢打保票。

然而，理論物理學家仍渴求簡單的答案。他們想得到一個乾淨利落、渾然一體的物質模型。他們在上世紀60～70 年代發展出來的標準模型被普遍認為笨拙難用，就像一台掛滿了零七碎八的線頭和部件的儀器。模型中包括57 種基本粒子，而許多描述這些粒子間相互作用的數據都找不到關聯的頭緒。費米實驗室的理論家喬· 萊肯說：「我們這套模型理論原本是又漂亮又精緻，可後來被人改來改去，糟踐得不成樣子了。」

宇宙的格局植根於由粒子和作用力構成的微觀世界，其中有幾個重大謎團無法用標準模型來解釋。如果說在上個世紀的科學探索中有什麼真正非凡的概念浮現出來的話，那就是： 我們現在所處的宇宙曾比一個原子還小。這就是粒子物理學家在探討宇宙學，而宇宙學家也在探討粒子物理學的原因： 我們的存在，乃至我們的整個宇宙，都源於一些規模極其微小的事件。宇宙大爆炸理論指出，我們的宇宙曾經沒有任何維度——沒有上下之分、左右之別，沒有時間流逝，只有超出我們想像的物理定律。

一個無限密集的宇宙怎麼會變得如此龐大而空曠？其中又如何充滿了物質？從理論上講，在早期宇宙膨脹的過程中，能量會凝結為等量的物質與反物質，而兩者一旦接觸便會互相抵消，還原成純粹的能量。這樣說來，宇宙應該是空的。然而它內部卻遍布著恆星、行星、迷人的法國村莊等等。物質與反物質抵消後剛好有足夠盈餘，才能形成這個供我們容身的宇宙，大型強子對撞機實驗也許能夠幫助物理學家了解，這等天賜洪福是從何而來。

那麼暗物質之謎呢？對一些遙遠星系的動態進行精確觀測，結果表明，它們所承受的萬有引力，比自身的可見物質所能產生的力要大。這片星空中肯定存在著某些奇特的隱秘物質。有種「超對稱」理論可以解釋這一現象。該理論認為，在早期的宇宙中，每種基本粒子都與一種質量比它大得多的粒子相匹配。電子可能曾有個頗具分量的夥伴，即物理學家所說的超電子；μ子和夸克同樣可能曾對應著超μ子和超夸克。據推測，許多像這樣的超對稱夥伴都是不穩定的，但其中一種也許剛好足夠穩定，得以從時間的起點一直留存至今。也許就在此刻，這種粒子正流過你的身體，卻毫不牽動你的血肉骨骼。它也許就是暗物質。

通過使各種粒子相互碰撞、創造自宇宙誕生那一刻以後就再未出現過的能量和溫度，大型強子對撞機也許能揭示那些粒子和作用力——正是它們制定了後世萬物共同遵守的法則，這會有助於回答這個宇宙中一切有靈性者心中一個最基本的問題：「世界的本原是什麼？」有一塊「物質拼圖」是物理學家尤其渴望從大型強子對撞機的高能碰撞灰燼中找到的，有的人把它稱為「上帝粒子」。

若你向物理學家請教「上帝粒子」，最先聽到的就是：這是個不得體的稱呼。幾年前，對造詞很有一套的諾貝爾物理學獎得主利昂· 萊德曼為這種粒子起了這麼個諢名，自然而然就在記者們當中傳開了——他們一聽就知道這名字對粒子來說再好不過，可比「μ 子」、「Z玻色子」什麼的風光多了。

物理學家通常更願意將「上帝粒子」稱為希格斯玻色子或希格斯粒子，要麼乾脆叫「希格斯子」，以紀念40多年前提出該粒子存在的愛丁堡大學物理學家彼得· 希格斯。大部分物理學家都認為，一定存在著一種遍布所有空間的「希格斯場」，希格斯粒子就是這種場的載體，並與其他粒子相互作用，就像《星球大戰》中絕地武士是「原力」的載體一樣。希格斯子是粒子物理學標準模型中的一個關鍵部分——但從來沒有人發現過它的蹤跡。

理論物理學家約翰· 埃利斯是在歐洲核子研究中心尋找希格斯子的科學家之一。他埋頭工作時，案上的科學論文堆得像圖騰柱一樣，看上去簡直有違重力定律。他留著長長的灰白頭髮和白鬍子，我沒有不敬的意思，可他看起來真像是西藏某座山巔上的隱士。

埃利斯解釋說，理論上基本粒子的質量就是希格斯場賦予的。他打了個比方：各種基本粒子就好似衝過一片泥地的人群，夸克等粒子穿著大靴子，腳上粘了很多泥； 而電子之類的粒子穿著小號鞋，幾乎粘不上什麼泥； 光子不穿鞋，僅僅是一塵不染地從泥上滑過。這泥地就是希格斯場。

據推測，希格斯玻色子比大多數亞原子粒子大得多，它的質量可能是質子的100～200倍。正因如此，才需要用龐大的對撞機來製造希格斯子——碰撞的能量越大，誕生於塵埃中的粒子就越大。但與所有特大型粒子一樣，希格斯子這樣的大塊頭並不穩定。它不是那種肯好好獃著讓你檢測的粒子——它在幾億億億分之一秒之內就會衰變成其他粒子。大型強子對撞機的功能就是製造出一個微小、緊密的能量團，使希格斯子有可能被創造出來，並維繫得足夠久、足夠活躍，從而可以被檢測到。建造這樣的設備來尋找希格斯子，有點像是一名單口相聲演員初出茅廬，滿心盼著哪天登台時能冷不丁抖出個絕妙的包袱，讓台下的觀眾笑翻了天。

你得戴上安全帽，拿著應急用的氧氣面罩才可以乘電梯下到大型強子對撞機的隧道里。我去的時候，一個主要的建設項目還在施工，可以聽到平日工地上那種焊槍和金屬鋸的噪音。那是工人在安裝磁體。如今他們已經完成了這項工程，總共安裝了1600多個磁體，其中絕大多數都有半個籃球場那麼長，重達35噸。

古怪的是，這些磁體不是用來給粒子加速的——另有一個單獨的設備產生電波，使粒子沿環形隧道加速。這些磁體的任務是一點點地扭轉粒子流，讓它兜圈子。因為接近光速飛行的大量粒子一輩子的願望就是筆直地向前沖，科學家只能逐步使之轉彎，於是才有了周長27 公里的環形隧道。

當粒子相撞時，它們的能量會轉化為質量，產生四散的塵埃。物理學家不會在塵埃中直接觀測到希格斯子，但大型強子對撞機將要進行的四大實驗中有兩個可以記錄希格斯子分解時產生的碎片，也就是希格斯子的衰變跡象。據估計，只有極少數碰撞能生成希格斯子——幾率不超過幾萬億分之一。絕大多數碰撞不會生成什麼太有趣的東西。連著探測器的電腦通過篩選幾百萬G位元組的數據，會捕捉到希格斯子——確切地說是它的碎片。

歐洲核子研究中心面臨的一個主要問題是： 如何確定找到了希格斯子？需要多少證據？他們有兩項尋找希格斯子的實驗在同步進行，相互競爭。如果一項實驗找到了，是不是即便另一項實驗沒有找到，他們也會公布這個發現？ATLAS 和CMS 這兩大實驗的關係就好像可口可樂和百事可樂，做的是同樣的「生意」，但使用的是不同技術，而且兩者競爭相當激烈。我去參觀ATLAS的那天，負責人彼得·詹尼得知我已經看過了CMS，就說：「現在讓你看看更大的。」透露出些許「我的設備比他好」的腔調。CMS是在地面上建好的，以後將分成幾大塊，依次經由一條通道運到隧道沿線的一個大洞穴里。我見到CMS 項目中的一位科學家戴夫· 巴內，不識趣地問了他一句，要是搬運時出了什麼差錯，有一大塊設備跌落——嘩啦一下子，那怎麼辦？「不會發生這種事，」他板起臉說，「要是倒霉到那個份兒上就完啦。」

我意識到，打聽對撞機可能會出什麼樣的差錯，就觸及了一個敏感話題。不，對撞機不會把世界炸碎的，可這畢竟是高能物理設施。科學家理查德· 雅各布松說，當那些磁體通電以後，在附近揮榔頭的工人最好還是戴頂頭盔。等大型強子對撞機開始工作以後，歐洲將會立刻成為粒子物理學的心臟，而美國需要想方設法才能保住一席之地。雖說與大型強子對撞機的科研潛能相比，這可能是個無關大體的話題，但卻是人們樂於談論的。自「曼哈頓計劃」以來，世人普遍認為美國主導著物理學領域。直到今天，擁有萬億電子伏加速對撞機的費米實驗室仍然掌握著能量研究的最前沿。儘管這台對撞機發現了一些重要的粒子，但也許還不足以探尋希格斯子。

大型強子對撞機花費的資金將高達幾十億美元——可能是50 億，也可能達到100 億——確切的數目說不準（科學研究是精確的，但它的花費賬目卻顯然遵循的是「測不準原則」），其中部分投資來自美國，但大部分工程是由歐洲的公司完成的。于爾根· 舒克拉夫特負責指導大型強子對撞機的一項名為ALICE的實驗（模擬宇宙大爆炸發生後那一瞬間的各種條件），他說：「以前是歐洲的人才流向美國，現在反過來了。」

憤世嫉俗的人可能會說，這些研究沒有任何實際用處，那幾把粒子噴槍燒掉的財力人力大可以用在別處。但我們的當代文明正是物理學塑成的： 我們知道原子內部蘊藏著極大的能量，一旦向人類引發，瞬間就可令整座城市灰飛煙滅； 我用來寫稿的筆記本電腦依靠微處理器運作，如果不是前人發現了量子物理和電子的離奇運動，微處理器就不可能存在； 我會把文章發上萬維網——你可能還沒聽說過，它正是由歐洲核子研究中心的計算機科學家提姆· 伯納斯－李發明的； 你看文章的時候可能還聽著iPod，可是如果沒有「巨磁電阻」，它也不會存在。20世紀80年代末，兩位科學家各自獨立發現了巨磁電阻效應，當時也沒想過最終會派上什麼用途。後來，它成為使用磁化硬碟的小型日用電子產品的核心工作原理。這兩位物理學家獲得了2007 年的諾貝爾獎，而你的手裡則有了一套比巧克力棒還小的精巧音響。

我問彼得· 詹尼，為什麼大型強子對撞機如此重要，他說：「因為人類可不像是一群螞蟻。我們有求知慾； 我們需要對生命和宇宙的內在原理追根究底。」

誰要是認為這些巨型機器只是沒有靈魂的設備，就該聽聽理查德· 雅各布松是怎麼說的。大型強子對撞機正在更換一台他照管了十年的粒子探測器，他已對它的每一寸構造都了如指掌，甚至了解它的心情和癖性。當工程人員來拆卸它的時候，雅各布松情難自禁。「淚水在我眼睛裡打轉，」他說，「當他們切斷電纜的時候，我總以為會有血噴出來。」如今這部新對撞機是物理學家從上世紀80 年代起就夢寐以求的，其中凝聚了不少人的畢生心血。歐洲核子研究中心的很多人都希望對撞機不僅能找出答案，還能發現更多的謎團。約翰· 埃利斯私下說，即便大型強子對撞機找不到希格斯子，他也一點兒都不會介意，「我們很多理論家都覺得失敗了反而更有趣，如果只是又找出了一種45 年前就被人預言過的無聊粒子，也沒多大意思」。

新謎團的浮現看來是確定無疑的。無論如何，宇宙又不是為了我們研究之便才形成如今的面貌。我們都不過是些稀里糊塗的肉體凡胎，連自己身體里到底生存著多少種細菌都還沒弄清楚。有一天，我問諾貝爾物理學獎得主喬治· 斯穆特，他是否認為困擾人類的基本問題最終都能找到答案。

「我對這項事業的信心有時大有時小，要看我當天的心情而定。」他說道，「但我每天去上班的時候都會打個賭： 宇宙的真面目是簡單、對稱、賞心悅目的——憑著我們有限的智力，總有一天會了解它。」 (本文來源：華夏地理 作者：撰文：Achenbach 攝影：Ginter)

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