探索宇宙配方：粒子物理的新突破在哪里？

来源：赛先生

作者：玛雅蓝

撰文｜玛雅蓝

责编｜马修

关心物理学的朋友们最近都在关注同一件盛事：去年12月发射升空的韦布望远镜，传回一系列激动人心的照片。韦布望远镜能看到宇宙中最早的一批发光星体，窥见大爆炸之后1亿年到2.5亿年的景象，让我们离宇宙诞生的真相又近了一点。

韦布望远镜、LIGO/Virgo引力波天文台这样的大型科学项目总能令人感到心潮澎湃，它试图解答万物本源的终极问题，也令人类感受到彼此之间以及我们与世间万物的联系。知名天体物理学家卡尔·萨根曾说：“想要从头开始做一个苹果派，你必须先创造宇宙。”苹果派和享用苹果派的我们，归根结底都是原子或者更小粒子的排列组合，有着同一段遥远的起源历史。

• 追寻不可分割之物

卡尔·萨根这句话背后的思想，也是支撑了一百多年来整个粒子物理领域发展的基本范式，那就是还原论：我们可以通过将事物分解到最小的单位来认识其本质。

苹果派最小的组成单位是什么？在很长一段时间里，这个答案是原子。英语中的“atom”一词来自于希腊语，意为“不可分割之物”，但19世纪末的一些科学家已经意识到，答案并非如此。这其中就有俄国化学家、坚持一年只剪一次头发和胡子的德米特里·伊万诺维奇·门捷列夫（Dmitri Ivanovich Mendeleev），他在制作元素周期表的时候发现，依据原子量排列化学元素时，它们的化学性质会以一种特殊的规律重复出现，这说明原子的性质存在着某种更深层次的秩序。

第一块拼图来自于约瑟夫·约翰·汤姆孙（Joseph John Thompson，即J.J.汤姆孙）。X射线被发现后，汤姆孙想揭示与之相关的阴极射线的本质。自从19世纪60年代起，科学家们就知道了阴极射线的存在：将接近真空、装有电极的克鲁克斯放电管连接上高压电的时候，“阴极射线就会从负电极（阴极）流向正电极（阳极），并在管子末端产生一种诡异的绿色荧光。”X射线似乎就来自于阴极射线撞上玻璃的位置。

汤姆孙使用的阴极射线管（复制品），收藏于剑桥大学卡文迪许实验室。图片来源：Wikipedia, CC BY-SA 4.0

此时物理学家们还无法测量原子的大小，但汤姆孙设计了一个精巧的实验，就是阴极射线偏转实验，计算出阴极射线粒子的荷质比（电荷与质量之比），并与当时已知的粒子进行对比。汤姆孙由此证明，阴极射线是带负电的微小粒子，质量远远小于最小的原子。他猜想，这些微小的电子散乱地分布在原子中，这就是著名的葡萄干布丁模型。

有趣的是，汤姆孙虽然擅长设计实验，实际操作中却是出了名的笨手笨脚。这项著名的实验主要由助理埃比尼泽·埃弗雷特（Ebenezer Everett）完成，汤姆孙被要求保持安全距离，只能在读数的时候靠近。

• 苹果派的必要成分

汤姆孙的实验体现出早期物理学实验的各种特征：天才的想法加简单的设备，揭示出简洁的真理。但是在此后一百多年中，物理学实验变得越来越复杂。

克利夫曾经在欧洲核子研究中心（CERN）参与了大型强子对撞机（LHC）项目，这个团队集中了“来自70个国家数百名物理学家所付出的20年的努力，还有12个国家资助机构的6500万欧元的投资”。克利夫所在的剑桥大学团队花了十多年，设计、制造和测试了LHC内读取探测器数据的电子设备，而他要确保控制和监测这些设备的软件正常工作。

欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）。图片来源：CERN-PHOTO-202109-138-5

2012年6月，LHC迎来了它的高光时刻。CMS和ATLAS两个实验组的科学家们展示了一致的实验结果，宣布发现了希格斯在1964年预言的新粒子——希格斯玻色子。

用克利夫的话来说：“希格斯玻色子的发现标志着我们寻求苹果派的终极配方的一个转折点。”希格斯场不仅为弱力粒子赋予质量，也为基本物质粒子赋予质量；它还是我们所见过的第一个自旋为零的基本粒子，也是最简单的基本粒子，不带任何电荷，唯一的性质就是质量。

希格斯玻色子也被称为粒子物理标准模型的最后一块拼图。它的发现令物理学家们欢欣鼓舞，却也意味着我们从此进入了一片充满未知的新领域。甚至有人认为，等到LHC实验在2035年结束运行的时候，我们可能只发现了希格斯玻色子，那将是一个噩梦般的场景。

• 还原论出错了吗？

  
  

“基础物理学现在面临着一场百年不遇的危机。”克利夫写道。LHC没有回答我们暗物质是什么，大爆炸时期物质如何起源，以及希格斯场为何处在246GeV的理想值，恰好让原子和宇宙得以存在。根据还原论范式，如果我们让对撞实验达到越来越高的能量，或许就能找到解答这些问题的线索。但如果答案是否定的呢？

克利夫和他采访过的一些物理学家认为，如果LHC此后再也没有新的发现，或者干脆假设新一代对撞机什么也不会发现，或许反而会为理论物理带来意想不到的突破。普林斯顿高等研究院的物理学家尼马·阿尔卡尼-哈米德（Nima Arkani-Hamed）说：“我只想说说目前正在进行的一件非常酷的事情，那是一场悄无声息的知识革命，为未来50年或者更长时间的主题奠定了基础：我们知道还原论范式是错的。”

新一代对撞机将致力于大量产生希格斯玻色子，供物理学家们进行深入的研究。“如果在我们尝试理解希格斯玻色子时，还原论被证明是失败的，那将是对物理学根基的动摇。对尼马来说，将希格斯玻色子研究‘到底’是接下来半个世纪中粒子物理学面临的最重要任务。”克利夫在书中写道。

随着2035年一天天逼近，新一代对撞机项目规划早已被提上日程。LIGO/Virgo引力波天文台等观测项目也将为探索宇宙本源出一份力。这种规模的实验都要依靠全球科学家的集体努力，同时也会带来工程和技术的突破，比如万维网的发明。

克利夫和许多同行物理学家认为，最大的瓶颈不是如何弄到建造大对撞机或者望远镜的大规模预算，而是能否有足够的年轻人继续投身物理学。在这个领域，众多互不相识的人各自负责一个很小的问题，为解答同一个谜题而奋斗。

制版｜小圭月

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编辑：六块钱的鱼