利昂·萊德曼（Leon Max Lederman，1922－2018），前費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室主任，美國科學(xué)促進(jìn)會理事會主席。他主持設(shè)計了超導(dǎo)超級對撞機(jī)建造計劃，是“上帝粒子”一詞的提出者。1988年因發(fā)現(xiàn)μ子中微子獲得諾貝爾物理學(xué)獎。今日是利昂·萊德曼誕辰100周年，在此摘發(fā)萊德曼撰著的科普讀物《上帝粒子：諾獎大師寫給所有人的粒子物理趣史》，以表紀(jì)念。
利昂陷進(jìn)去了
我還是少年的時候就與分子結(jié)了緣。在高中和大學(xué)低年級階段，我非常喜歡化學(xué)，但是后來我逐漸轉(zhuǎn)向了物理學(xué)，因?yàn)樗坪醣容^干凈——實(shí)際上是沒有氣味。那些學(xué)物理學(xué)的小伙子不僅更加有趣，而且籃球也打得非常棒，他們深深地感染了我。我們中的巨人是哈爾彭（Isaac Halpern），他現(xiàn)在是華盛頓大學(xué)的物理學(xué)教授。他聲稱每次去看張貼出來的考試成績時，只是想確認(rèn)一下自己的那個A是“平頭還是尖頭”。很自然，我們大家都很喜歡他。他跳遠(yuǎn)的成績也比我們?nèi)魏稳硕家谩?/p>
利昂·萊德曼
我對物理學(xué)問題感興趣是因?yàn)樗鼈冇星逦倪壿嫼兔鞔_的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。在大學(xué)四年級的時候，我高中以來最好的朋友克萊因（Martin Klein）——現(xiàn)在是耶魯大學(xué)著名的愛因斯坦研究專家——有一次和我喝著啤酒徹夜長談，他高談闊論地給我講起了物理學(xué)的燦爛輝煌。這確實(shí)起了作用。加入美國軍隊(duì)前，我拿的是化學(xué)學(xué)士的學(xué)位，可是我決定如果能在日常訓(xùn)練和第二次世界大戰(zhàn)中活著回來的話，就去做一個物理學(xué)家。我是在1948年才最終進(jìn)入物理學(xué)領(lǐng)域的，這一年我利用當(dāng)時世界上最強(qiáng)大的粒子加速器——哥倫比亞大學(xué)的同步回旋加速器——開始做我的博士學(xué)位研究課題。哥倫比亞大學(xué)校長艾森豪威爾是在1950年6月為這臺加速器剪的彩。由于幫助艾克贏得了戰(zhàn)爭，哥倫比亞大學(xué)校方顯然非常樂于接受我，他們付給我一年4000美元左右的報酬，只是一星期需要工作90個小時。那真是一個令人瘋狂的時代！20世紀(jì)50年代，同步回旋加速器和其他強(qiáng)大的新設(shè)備一起開創(chuàng)了粒子物理學(xué)的新格局。
對外行來說，粒子物理學(xué)最顯著的特征也許就是儀器和設(shè)備。我正是在粒子加速器時代來臨時加入這個領(lǐng)域的。在隨后的40多年里，這些加速器統(tǒng)治著物理學(xué)領(lǐng)域，而且今后仍將如此。最早的“原子粉碎器”的直徑只有幾英寸。今天，世界上最強(qiáng)大的加速器坐落在伊利諾伊州巴達(dá)維亞的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室，這一機(jī)器被稱為太瓦質(zhì)子加速器，其周長約有4英里，能以前所未有的能量粉碎質(zhì)子和反質(zhì)子。到2000年左右，太瓦質(zhì)子加速器的能量之冠地位被打破。所有加速器之母——超導(dǎo)超級對撞機(jī)（SSC）——目前正在得克薩斯建設(shè)，其周長約有54英里。
有時我們會問自己：我們是否已在什么地方走錯了路？我們是否已被機(jī)器迷惑住了？粒子物理學(xué)是不是某種神秘的“計算科學(xué)”，花費(fèi)巨大的人力、使用龐大的機(jī)器研究如此深奧的現(xiàn)象，當(dāng)粒子在高能作用下發(fā)生碰撞時，甚至連上帝也無法確定會發(fā)生什么。當(dāng)然，把這一過程當(dāng)作一條歷史之路——這條路可能始于公元前650年的希臘殖民地米利都——的延續(xù)，我們可以獲得信心和鼓舞。這條路的終點(diǎn)是一座無所不知的自由之城，在那里，就連環(huán)衛(wèi)工人甚至市長都明白宇宙是怎樣運(yùn)行的。許許多多的科學(xué)家都走過這條路：德謨克利特、阿基米德、哥白尼、開普勒、伽利略、牛頓、法拉第，一直到愛因斯坦、費(fèi)米，以及與我同時代的人。
這條路時寬時窄：有時它經(jīng)過很長的一段空白（就像穿越內(nèi)布拉斯加州的80號公路），有時又會穿過有很多美景的彎道。在這條道路兩旁有許多標(biāo)著“電力工程”“化學(xué)”“無線通信”或者“凝聚態(tài)物質(zhì)”的誘人的支路。選擇支路的那些人已經(jīng)改變了這個星球上人類的生活方式；而那些還在這條路上行進(jìn)的人則會發(fā)現(xiàn)，一路上遇到的都是相同的標(biāo)牌，上面清晰地寫著：“宇宙是如何運(yùn)行的？”就是在這條路上，我們可以找到20世紀(jì)90年代的加速器。
我是在紐約的百老匯大街和120號大街踏上這條科學(xué)道路的。那個時候，所有的科學(xué)問題看起來都非常清晰和重要，這些問題都涉及所謂的強(qiáng)核力和一些理論上預(yù)言的粒子——π介子的特性。哥倫比亞大學(xué)的加速器就是專門用質(zhì)子轟擊目標(biāo)靶來產(chǎn)生介子的。當(dāng)時，這臺儀器的原理非常簡單，就連研究生也能夠理解。
20世紀(jì)50年代的哥倫比亞大學(xué)是物理學(xué)的溫床。湯斯不久就發(fā)現(xiàn)了激光并獲得了諾貝爾獎，雷恩沃特（Leo Rainwater）憑借他的原子核模型獲得了諾貝爾獎，蘭姆（Willis Lamb）則是因?yàn)闇y量了氫光譜中的微小位移而獲得諾貝爾獎的。曾經(jīng)給我們巨大鼓舞的諾貝爾獎獲得者拉比（I.I.Rabi）帶領(lǐng)了一個小組，其中的拉姆齊（Norman F.Ramsey）和庫什（Polykarp Kusch）都在適當(dāng)?shù)臅r候獲得了諾貝爾獎。李政道則因?yàn)橛罘Q不守恒理論分享了諾貝爾獎。有如此之多的教授受到過瑞典圣水的洗禮，真是一件令人既高興又沮喪的事：作為年輕的一代，我們的西服扣上都印著“仍未獲獎”。我的專業(yè)認(rèn)識的“大爆炸”出現(xiàn)在1959—1962年，當(dāng)時我和哥倫比亞大學(xué)的兩位同事正在進(jìn)行前所未有的高能中微子碰撞的測量工作。中微子是我喜歡的粒子。中微子幾乎沒有任何性質(zhì)：沒有質(zhì)量（或者極?。?，沒有電荷，沒有半徑，甚至也沒有強(qiáng)力作用于它。如果文雅一點(diǎn)描述中微子，可以用“難以捉摸”這個詞。這就是僅有的一點(diǎn)兒事實(shí)，而且它能夠穿過幾百萬英里的固體鉛，只有很低的概率會發(fā)生可以測量出來的碰撞。
我們1961年的實(shí)驗(yàn)為20世紀(jì)70年代逐漸為人所知的粒子物理學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)模型”奠定了基礎(chǔ)。1988年，這個實(shí)驗(yàn)被瑞典皇家科學(xué)院授予了諾貝爾獎。（每個人都會問，他們?yōu)槭裁匆?7年的時間？我真的不知道。我常對家人開玩笑說，瑞典皇家科學(xué)院把時間拖后是因?yàn)樗麄儾荒艽_定應(yīng)該獎勵我的哪一項(xiàng)偉大成果。）獲得諾貝爾獎當(dāng)然令人非常激動，但這種激動實(shí)在不能與我們意識到實(shí)驗(yàn)成功那一刻那種難以名狀的激動相比。
物理學(xué)家今天的感覺和幾個世紀(jì)前的科學(xué)家是一樣的。他們的生活充滿渴望、痛楚、困苦、緊張、絕望、沮喪和氣餒，但是中間也偶爾穿插著喜悅、興奮、笑聲和得意。這些感情都是在不經(jīng)意間產(chǎn)生的，緣由往往只是對由其他人揭示出來的新鮮的、重要的或者美麗的事物的頓悟。如果你是一個凡人，就像我所認(rèn)識的大多數(shù)科學(xué)家一樣，當(dāng)你自己發(fā)現(xiàn)了宇宙中的一些新奧秘時，以為美好的時刻就會到來。令人驚奇的是，這個時刻經(jīng)常發(fā)生在凌晨3點(diǎn)，此時你往往獨(dú)自在實(shí)驗(yàn)室里，發(fā)現(xiàn)了某種意義深遠(yuǎn)的事情，而且你意識到地球上的其他50億人都不知道你現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的東西。或者你希望如此。當(dāng)然，你也會急著想告訴那些不知道的人，這就是“發(fā)表”。
本書串接了過去2500年間科學(xué)家們經(jīng)歷的無窮的幸福時刻。這些幸福時刻加在一起，便構(gòu)成了目前我們關(guān)于宇宙及其運(yùn)行機(jī)制的知識。痛苦和失望也是故事的一部分。常常是固執(zhí)、保守甚至僅僅是性情問題阻礙了這些“尤里卡時刻”的出現(xiàn)。
實(shí)驗(yàn)室里的利昂·萊德曼
然而，科學(xué)家并不能依賴這些“尤里卡時刻”來充實(shí)自己的生活。在日常的活動中還應(yīng)該有一些樂趣。對于我來說，樂趣就是設(shè)計和制造能教我們認(rèn)識特別抽象之問題的儀器設(shè)備。當(dāng)我還是哥倫比亞大學(xué)的一名感情豐富的研究生時，我就幫助一位來自羅馬的舉世聞名的教授制作了一臺粒子計數(shù)器。當(dāng)時我是這方面的新手，而他是一位老手。我們一起在車床上加工黃銅管（那時已經(jīng)是下午5點(diǎn)以后，機(jī)械師們都回家了），然后在試管兩端焊上帶玻璃尾端的端蓋，并且在穿過玻璃的絕緣金屬短桿中間拉了一條金線。我們往計數(shù)器內(nèi)充入特殊氣體，一充就是幾個小時，同時把金線連在一個示波器上，使用1000伏電源供電，并且用一個特殊的電容進(jìn)行保護(hù)。我的教授朋友——我們可以稱他為吉爾貝托，因?yàn)檫@是他的名字——一邊仔細(xì)地盯著示波器上的綠色波形，一邊用十分蹩腳的英語給我講解粒子計數(shù)器的歷史和發(fā)展。突然吉爾貝托停了下來，并語無倫次地大喊起來：“Mamma mia！Regardo incredibilo！Primo secourso！”（或者類似的話。）他指著示波器大聲嚷著，并把我舉到了空中——盡管我比他高6英寸，重50磅——還拉著我滿屋子跳舞。
“發(fā)生什么事情了？”我結(jié)結(jié)巴巴地問。
“Mufileto！”他回答道，“Izza計數(shù)，Izza計數(shù)！”
他可能有意為我裝出這很重要的樣子，但通過我們自己的雙手、眼睛和大腦，我們改進(jìn)了一種儀器，能夠檢測到宇宙線粒子的通過，并通過示波器的掃描尖峰將其記錄下來，這確實(shí)讓他非常激動。雖然他可能數(shù)千次地觀察到這種現(xiàn)象，但他依然激動不已。這種宇宙線可能是從一個遙遠(yuǎn)的星系發(fā)出來的，經(jīng)過數(shù)光年的旅途到達(dá)了百老匯大街和120號大街的一間位于10層的房間里，這只是他興奮的一部分原因。吉爾貝托似乎從不衰竭的熱情是極富感染力的。
物質(zhì)圖書館
在解釋基本粒子的物理學(xué)時，我經(jīng)常會引用（還會修飾一番）古羅馬詩人和哲學(xué)家盧克萊修的一個可愛的比喻。假設(shè)我們的任務(wù)是尋找一座圖書館的最基本的組成單元，那該怎么辦呢？首先，我們會想到按不同主題分類的圖書：歷史、科學(xué)或是傳記?；蛘撸覀兛赡軙勒粘叽绶诸悾汉竦?、薄的、高的、矮的。在考慮過這樣一些分法后，我們會發(fā)現(xiàn)圖書是很容易就可以進(jìn)一步細(xì)分的復(fù)雜對象。所以我們要往深處看。章節(jié)、段落和句子等這些粗糙而又復(fù)雜的成分可以很快被排除。那就是單詞！想想在圖書館入口處桌子上放著的那本厚厚的所有單詞的分類目錄——詞典。我們可以通過遵循特定的規(guī)則，也就是語法，用詞典里的單詞組合出圖書館里所有的圖書。相同的單詞可以被一次又一次地重復(fù)使用，按照不同的方式組合起來。
但是單詞的數(shù)目也太多了！進(jìn)一步的思考會使我們想到字母，因?yàn)閱卧~也是“可分的”。現(xiàn)在我們終于找到了！26個字母可以組成成千上萬的單詞，這些單詞又可以組成數(shù)以百萬（抑或億萬？）計的圖書。現(xiàn)在我們必須引入一組限制字母組合的拼寫法則。如果不是非常年輕的批評家的干擾，我們可能就會發(fā)表這個不成熟的發(fā)現(xiàn)了。年輕的批評家們毫無疑問會揚(yáng)揚(yáng)自得地說：“你根本就不需要26個字母，老爺爺。你所需要的只是1和0?！苯裉斓暮⒆觽兌际峭嬷鴶?shù)字紙牌長大的，他們更為熟悉把0和1轉(zhuǎn)換成字母的計算機(jī)算法。如果你已經(jīng)老得對這些不太熟悉的話，那你可能還記得由“點(diǎn)”和“畫”組成的莫爾斯電碼。無論怎樣，現(xiàn)在我們已經(jīng)可以通過適當(dāng)?shù)木幋a使用0和1（或者點(diǎn)和畫）組成的序列來構(gòu)成26個字母，并且可以拼寫出詞典里的所有單詞；這些單詞按照一定的語法又可以構(gòu)成句子、段落、章節(jié)，最后是圖書；而圖書則構(gòu)成了圖書館。
現(xiàn)在，如果0和1已經(jīng)不能再拆分了，那么我們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了圖書館的最基本的“原子”構(gòu)成。打個不太恰當(dāng)?shù)谋扔?，宇宙就是這座圖書館，自然界的作用力就是語法、拼寫規(guī)則和算法，0和1就是我們所說的夸克和輕子，這些是目前最接近德謨克利特所說的“原子”的粒子。當(dāng)然，所有這些粒子都是看不見的。
夸克和教宗
聽眾中的那位女士很頑固?！澳憧吹竭^原子嗎？”她總是這樣問。對一個早已接受原子的客觀存在性的科學(xué)家來說，這是一個惱人的問題，但也是可以理解的。我可以把原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)形象化。我可以說出一個想象中的圖像：電子圍繞著微小的原子核，“形成”了一片有些模糊的云狀結(jié)構(gòu)，而原子核則對薄霧狀的電子云有吸附作用。由于大家都是根據(jù)方程來構(gòu)建模型的，所以對于不同的科學(xué)家來說，這種想象中的圖像不可能完全相同。這種書面描述雖然滿足了科學(xué)家們希望有一幅形象的圖像的需要，但它還算不上用戶友好?？墒俏覀兡軌颉翱匆姟痹雍唾|(zhì)子——對了，還有夸克。
我在回答這個棘手的問題時，總是先歸納一下“看見”這個詞的含義。如果你戴著眼鏡，是否“看見”了這頁紙？如果你看的是這本書的微縮膠卷版呢？如果你看的是影印版呢？（這樣你就侵犯了我的版權(quán)）如果你讀的是計算機(jī)屏幕上的文字呢？最后，我絕望地問：“你見到過教宗嗎？”
“嗯，當(dāng)然?！边@是常見的回答，“我在電視上看到過他?！边?，是這樣嗎？
她看到的不過是電子束打到涂在玻璃屏幕內(nèi)側(cè)的磷上發(fā)出的光。我對于原子和夸克的證據(jù)也是如此。
證據(jù)是什么呢？就是粒子在氣泡室中的軌跡。在費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器里，一臺三層樓高、價值6000萬美元的探測器采用電子方式檢測到了質(zhì)子和反質(zhì)子的碰撞“碎片”。這里的“證據(jù)”——“視覺”，就是這些傳感器，當(dāng)一個粒子經(jīng)過時就會發(fā)出一次電脈沖。所有這些電脈沖通過成千上萬根導(dǎo)線輸送到電子數(shù)據(jù)處理器上，最后用0和1編碼，記錄在磁帶上。磁帶記錄的是質(zhì)子和反質(zhì)子的熱碰撞，1次碰撞可以產(chǎn)生多達(dá)70個粒子，它們分別飛進(jìn)探測器的不同部分。
粒子物理
科學(xué)，尤其是粒子物理學(xué)，需要通過重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能得出可信的結(jié)論，也就是說，在加利福尼亞做的實(shí)驗(yàn)應(yīng)該可以被日內(nèi)瓦的不同類型的加速器驗(yàn)證出來。此外，還要通過在每次實(shí)驗(yàn)過程中設(shè)置測試和驗(yàn)證點(diǎn)，以確保儀器按照設(shè)計的方式運(yùn)行。這是一個長期而復(fù)雜的過程，是數(shù)十年實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。
但是，許多人對粒子物理學(xué)還是感到很神秘。那位固執(zhí)的女士并不是被那些整天尋找微小的不可見粒子的科學(xué)家弄糊涂的唯一聽眾。那么，就讓我們換個說法……
看不見的足球
讓我們想象一下從“特維洛”行星來的某種智能物種。他們看起來和我們很像，也像我們一樣交談，能像人類一樣做任何事情，只有一件事情例外——他們的視覺器官比較特殊，這樣就無法看到黑白對比鮮明的物體，比如斑馬、橄欖球裁判的襯衫或者足球。順便說一下，這并不是什么稀奇古怪的現(xiàn)象。地球人還有更奇怪的地方。如在我們視野的中間有兩個盲點(diǎn)，我們之所以察覺不到它們的存在，是因?yàn)榇竽X會通過視野中其他地方的信息進(jìn)行推斷，來猜測盲點(diǎn)處的信息應(yīng)該是什么，然后反饋給我們。盡管人們看到的部分信息充其量不過是很好的猜測，但他們還是能在高速公路上以時速100英里行駛，能操作腦外科手術(shù)，或者玩火把戲法。
一組“特維洛”使者肩負(fù)友好的使命來到了地球。為了讓他們感受一下我們的文化，我們就帶他們?nèi)タ催@個星球上最受歡迎的文化盛事之一：世界杯足球賽。當(dāng)然，我們并不知道他們看不見那個黑白相間的足球。所以，他們雖然很有禮貌地坐在那里觀看比賽，但是臉上的表情卻很困惑。他們看到的不過是一群穿著短褲的人在場地上跑來跑去，在空中毫無目的地踢腿，相互撞在一起，人仰馬翻。有時一位官員會吹一聲哨，一個運(yùn)動員就跑到邊線上，在其他運(yùn)動員的注視下將雙手舉過頭頂。有時守門員會莫名其妙地倒在地上，觀眾中就爆發(fā)出一陣歡呼，而另一方就會加上一分。
特維洛人大概在前15分鐘都是非常困惑的。隨著時間的推移，他們開始嘗試著去理解這種游戲。有些人采用了分類技術(shù)。部分是由于服裝的緣故，他們推斷出是兩個隊(duì)在互相爭斗。他們還根據(jù)場上隊(duì)員的跑動繪制出圖表，發(fā)現(xiàn)每個運(yùn)動員看起來都或多或少在場地的某一區(qū)域活動。這樣，特維洛人為了闡明他們所發(fā)現(xiàn)的世界杯足球賽的含義，就像地球人一樣，給場上每個運(yùn)動員的位置都起了名字。他們還對這些位置進(jìn)行了分類、比較和對照，并把每個位置的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都標(biāo)在一幅巨型圖表上。當(dāng)特維洛人發(fā)現(xiàn)了足球比賽中存在的對稱性時，他們就取得了一個重大突破。也就是對于A隊(duì)中的任何一個位置，在B隊(duì)中也有相應(yīng)的位置。
離比賽結(jié)束還有兩分鐘，特維洛人已經(jīng)畫了幾十張圖表，繪制或總結(jié)出數(shù)百個表格和公式，還有許多足球比賽的復(fù)雜規(guī)則。雖然這些規(guī)則在一定程度上可能都是正確的，但是沒有一條真正把握住了這種比賽的實(shí)質(zhì)。這時，一個一直保持沉默的不起眼的年輕特維洛人說出了他的想法?！拔覀兛梢约僭O(shè)，”他有點(diǎn)戰(zhàn)戰(zhàn)兢兢，“有一個看不見的球?！?/p>
“你說什么？”年長的特維洛人問道。
當(dāng)那些年長者還在檢查什么才有可能是這場比賽的核心，想弄清是各個運(yùn)動員的來來往往還是場地的劃分時，那個不起眼的小人物卻擦亮了眼睛，去注意那些很少出現(xiàn)的事件。而他確實(shí)發(fā)現(xiàn)了一點(diǎn)。就在裁判宣布得分之前的一瞬間，以及人群開始沸騰之前那一刻，這位年輕的特維洛人注意到球網(wǎng)后面在一剎那間凸起了一塊。足球是一種低比分的比賽，所以只能觀察到很少幾次凸起，而且每次持續(xù)的時間都很短。即使這樣，也有足夠的事例能使那位小人物注意到那個凸起的形狀是半圓形。所以他就得出了一個瘋狂的結(jié)論，認(rèn)為足球比賽需要有一個看不見的球（至少對于特維洛人是看不見的）。
使團(tuán)中的其他特維洛人聽了這個理論，經(jīng)過激烈的爭論，他們認(rèn)為，盡管經(jīng)驗(yàn)證據(jù)不足，但這個年輕人說的還是有點(diǎn)道理。其中一位年長的政治家——他其實(shí)是一位物理學(xué)家——指出，為數(shù)不多的稀有事件有時會比那些出現(xiàn)了上千次的尋常事件有意義得多。而這種比賽的一個無可辯駁的結(jié)論就是肯定有一個球這一簡單的事實(shí)。假設(shè)確實(shí)有一個球存在，雖然由于某種原因特維洛人看不到這個球，但所有的問題一下子都迎刃而解。這場游戲是合乎情理的。不僅如此，他們在那個下午得出的所有理論、圖表和公式仍然是正確的，而球則解釋了這些規(guī)則的合理性。
這個故事對于許多物理學(xué)難題都有啟發(fā)，尤其是與粒子物理學(xué)密切相關(guān)。要是不知道對象（球），也沒有一套合乎邏輯的規(guī)律可以遵循，我們就不可能理解規(guī)則（自然規(guī)律），也無法推斷出所有粒子的存在。
《上帝粒子：諾獎大師寫給所有人的粒子物理趣史》（[美]利昂·萊德曼 [美]迪克·泰雷西 著，米緒軍 古宏偉 趙建輝 陳宏偉 譯，四川科學(xué)技術(shù)出版社2022年6月版）。
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