第十一章　馬斯特·馬克的夸克

1911年，一位名叫c.t.r.威爾遜的英國科學家經(jīng)常爬到本尼維斯山頂去研究云層的構(gòu)造。這座山位于蘇格蘭，以潮濕聞名。他突然想到，肯定還有一種比較簡單的辦法?；氐絼虼髮W的卡文迪許實驗室以后，他建起了一個人工云室——一種簡單的裝置，他在里面可以冷卻和濕潤空氣，在實驗室現(xiàn)有的條件下創(chuàng)建一個說得過去的云層模型。

那個裝置運轉(zhuǎn)良好，而且還有個意料之外的好處。當威爾遜使一個α粒子加速通過云室制造人工云團 的時候，它留下一條明顯的軌跡——很像一架飛過的飛機留下的凝跡。他剛剛發(fā)明了粒子探測儀，提供了令人信服的證據(jù)，證明亞原子粒子確實存在。

最后，卡文迪許實驗室的另外兩位科學家發(fā)明了功率更大的質(zhì)子束裝置，歐內(nèi)斯特·勞倫斯在加州大學伯克利分校造出了著名的回旋加速器，或稱原子粉碎器，這類設(shè)備在很長時間里就是這么稱呼的。所有這些新發(fā)明的原理大體相同，無論是過去還是現(xiàn)在，即，將一個質(zhì)子或別的帶電粒子沿著一條軌道（有時是環(huán)形的，有時是直線的）加速到極快的速度，然后砰地撞向另一粒子，看看撞飛了什么。所以，它被稱之為原子粉碎器。嚴格來說，這算不上是科學，但一般來說是很管用的。

隨著物理學家建造越來越大、越來越雄心勃勃的機器，他們開始或推斷出似乎永無窮盡的粒子或粒子族：π介子、μ介子、超子、介子、k介子、希格斯玻色子、中間矢量玻色子、重子、超光速粒子。連物理學家都開始覺得不大舒服。"年輕人，"當有個學生問恩里科·費米某個粒子的名字的時候，他回答說，"要是我記得清這些粒子的名字，那我就成了植物學家了。"

今天，加速器的名字聽上去有點像是弗萊什·戈登用于打仗的武器：超級質(zhì)子同步加速器呀，大型正負電子對撞機呀，大型強子對撞機呀，相對論性重離子對撞機呀。使用的能量是如此之大（有的只能在夜間操作，這樣，設(shè)備點火時鄰近城鎮(zhèn)的居民才不至于注意到自己的燈光暗淡下去），它們可以把粒子激活到這樣的狀態(tài)：一個電子在不到1秒的時間里能沿著7公里長的隧道擊打47000圈。人們擔心，科學家們在頭腦發(fā)熱的時候會在無意之中創(chuàng)建一個黑洞，甚至所謂的"奇異夸克"。從理論上說，這些粒子可以與別的亞原子粒子相互作用，產(chǎn)生連鎖反應(yīng)，完全失去控制。要是你現(xiàn)在還活著在看這本書的話，說明那種情況沒有發(fā)生。

尋找粒子需要集中一定精力。粒子不但個兒很小，速度很快，而且轉(zhuǎn)瞬即逝。粒子可以在短達0.000000000000000000000001秒(10－24秒)時間里出現(xiàn)和消失。連最缺乏活力的不穩(wěn)定的粒子，存在的時間也不超過0.0000001秒(10－7秒)。

有的粒子幾乎捕捉不到。每一秒鐘，就有1萬億億億個微小的、幾乎沒有質(zhì)量的中微子抵達地球（大多數(shù)是太陽的熱核反應(yīng)輻射出的），實際上徑直穿過這顆行星以及上面的一切東西，包括你和我，就仿佛地球并不存在。為了捕捉幾個粒子，科學家們需要在地下室（通常是廢礦井里），用容器盛放多達57000立方米重水（即含氘相對豐富的水），因為這種地方受不到其他類型輻射的干擾。

在非常偶然的情況下，一個經(jīng)過的中微子會砰地撞擊水里的一個原子核，產(chǎn)生一丁點兒能量?？茖W家們通過統(tǒng)計有幾個一丁點兒而逐步了解宇宙的基本性質(zhì)。1998年，日本觀察人員報告說，中微子確有質(zhì)量，但是不大——大約是電子的一千萬分之一。

如今，尋找粒子真正要花的是錢，而且是大量的錢。在現(xiàn)代物理學中，尋找的東西的大小，與所需設(shè)備的大小，往往有意思地成反比關(guān)系。歐洲核研究組織簡直像個小城市。它地跨法國和瑞士邊境，有3000名雇員，占地幾平方公里。歐洲核研究組織有一排比埃菲爾鐵塔還要重的磁鐵，周圍有一條大約26公里長的地下坑道。

詹姆斯·特雷菲爾說，擊碎原子倒還容易，每次只要把日光燈一開。然而，擊碎原子核就需要大量的金錢和大量的電力。把粒子變成夸克——即構(gòu)成粒子的粒子——就需要更多的電和更多的錢：幾萬億瓦電和相當于一個中美洲小國的預(yù)算。歐洲核研究組織的一臺新的大強子對撞機定于2005年開始運轉(zhuǎn)，它將產(chǎn)生14萬億瓦能量，建設(shè)費超過15億美元。然而，這兩個數(shù)字與那臺超級超導(dǎo)對撞機本來所能產(chǎn)生的能量和所需的建設(shè)費用相比，那簡直是小巫見大巫。20世紀80年代，得克薩斯州附近開始建設(shè)一臺超級超導(dǎo)對撞機，然后本身與美國國會發(fā)生了超級對撞，結(jié)果很不幸，現(xiàn)在永遠建不成了。這臺對撞機的意圖是：讓科學家們重建盡可能接近于宇宙最初十萬億分之一秒里的情況，以探索"物質(zhì)的最終性質(zhì)"（老是這么說的）。該計劃要把粒子甩進一條84公里長的隧道，獲得實在令人吃驚的99萬億瓦能量。這是個宏偉的計劃，但建設(shè)費用高達80億美元（最后增加到100億美元），每年的運行費還要花上幾億美元。

這也許是歷史上把錢倒進地洞的最好例子。美國國會為此花掉了22億美元，然后在建成一條22公里長的隧道以后取消了這項工程?，F(xiàn)在，得克薩斯人可以為擁有一個全宇宙代價最高的地洞而感到自豪。我的朋友、《價值連城的堡壘》的作者杰夫·吉恩對我說："那實際上是一大片空地，周圍布滿了一連串失望的小城鎮(zhèn)。"

超級對撞機化為泡影以后，粒子物理學家們的眼界放低了點。但是，即使是比較一般的項目的成本也可能相當驚人，要是與，哎呀，幾乎任何項目相比的話。有人建議在南達科他州萊德的一座廢礦——霍姆斯特克礦——建個中微子觀察站，其成本就高達5億美元，還不算每年的運轉(zhuǎn)費用。而且，還要花2.81億美元的"一般改建費"。與此同時，伊利諾伊州費爾米萊布的一個粒子加速器僅更新材料就要花費2.6億美元。

總之，粒子物理學是個花錢很多的事業(yè)——但又是個收獲巨大的事業(yè)。今天，粒子的數(shù)量已經(jīng)大大超過150種，還有100種左右被懷疑存在。但不幸的是，用理查德·費曼的話來說："很難搞清所有這些粒子的關(guān)系，大自然要它們干什么，彼此有什么聯(lián)系。"每打開一個盒子的時候，我們總是發(fā)現(xiàn)里面還有一個緊閉的盒子。有的人認為存在超光速粒子，其運動速度超過光速。有的渴望找到引力子——引力的根子。我們刨根問底兒已經(jīng)刨到什么程度，現(xiàn)在還很難說?？枴に_根在《宇宙》一書中說，要是你鉆進一個電子深處，你會發(fā)現(xiàn)它本身就是一個宇宙，使你回想起20世紀50年代的那些科幻故事。"里面，大量小得多的別的粒子組成了相當于當?shù)氐男窍岛洼^小的結(jié)構(gòu)，它們本身就是下一層次的宇宙，如此永遠下去——一個逐步往里推進的過程，宇宙中的宇宙，永無盡頭——往上也是一個樣。"

對于我們大多數(shù)人來說，這是個不可想像的世界。如今，即使看一本有關(guān)粒子物理學的初級指南，你也必須克服語言方面的重重障礙，比如："帶電的π介子和反π介子分別衰變成一個μ介子加上反中微子和一個反μ介子加上中微子，平均壽命為2.603×10－8秒；中性π介子衰變成2個光子，平均壽命大約為0.8×10－16秒；μ介子和反μ介子分別衰變成"如此等等——而且，這段話還是從（通常）文筆淺顯的作家斯蒂芬·溫 伯格為普通讀者寫的一本書里引來的。

20世紀60年代，加州理工學院物理學家默里·蓋爾曼試圖把事情簡化一下，發(fā)明了一種新的粒子分類法，用斯蒂芬·溫 伯格的話來說，實際上"在一定程度上使大量的強子重新變得一目了然"——強子是個集體名詞，物理學家用來指受強核力支配的質(zhì)子、中子和其他粒子．蓋爾曼的理論認為，所有強子都是由更小的，甚至更基本的粒子組成的。他的同事理查德·費曼想跟多利那樣把這些新的基本粒子叫做部分子，但是沒有獲得通過。它們最后被稱做夸克。

蓋爾曼從小說《芬內(nèi)根的覺醒》的一句話中取了這個名字："給馬斯特·馬克來三夸克(quarks)！"（敏銳的物理學家把storks或larks作為該詞的韻腳，盡管喬伊斯腦子里想的幾乎顯然是后者的發(fā)音。1）夸克的這種基本的簡潔性并沒有持續(xù)很久。隨著人們對夸克的進一步了解，需要更細的分類。盡管夸克太小，不可能有顏色、味道或任何別的可以識別的化學特性，它們還是被分成六類——上、下、奇、粲、頂和底，物理學家們奇怪地把這些統(tǒng)稱為它們的"味"；它們又進一步被分成紅、綠和藍三種顏色。（人們懷疑，這些名稱原先在迷幻藥 時代在加利福尼亞州使用過。這不完全是一種巧合。）最后，出現(xiàn)了所謂的標準模型。對亞原子世界來說，它實際上是一個元件箱。標準模型的組成成分是：6種夸克、6種輕子、5種已知的玻色子和1種假設(shè)的玻色子(即希格斯玻色子，以蘇格蘭科學家彼得·希格斯的名字命名），加上4種物理力中的3種：強核力、弱核力和電磁力。

這種安排其實說明，在物質(zhì)的基本材料中有夸克；夸克由名叫膠子的粒子黏合在一起；夸克和膠子一起形成了原子核的材料，即質(zhì)子和中子。輕子是電子和中微子的來源?？淇撕洼p子統(tǒng)稱為費密子。玻色子（以印度物理學家s.n.玻色的名字命名）是產(chǎn)生和攜帶力的粒子，包括光子和膠子。希格斯玻色子也許存在，也許不存在；這完全是為了賦予粒子質(zhì)量而發(fā)明出來的。

你看得出，這個模型真是有點兒笨拙，但這是可以用來解釋粒子世界全部情況的最簡單的模式。大多數(shù)粒子物理學家覺得，正如利昂·萊德曼在1985年的一部電視片里說的，標準模型不大優(yōu)美，不大簡明。"它過于復(fù)雜，有許多過于武斷的參數(shù)。"萊德曼說，"我們其實不明白，為了創(chuàng)造我們都知道的宇宙，造物主干嗎要轉(zhuǎn)動20個門把來設(shè)定20條參數(shù)。"實際上，物理學的任務(wù)是探索最終的簡潔性，而迄今為止的一切都亂成了美麗的一團 ——或者就像萊德曼說的："我們深深地感到，這幅圖畫并不美麗。"

標準模型不但很笨拙，而且不完整。一方面，它根本沒有談到引力。找遍整個標準模型，你找不出任何解釋，為什么放在桌上的帽子不會飛上天花板。為了賦予粒子以質(zhì)量，你不得不引入假設(shè)的希格斯玻色子，它是否真的存在，要靠21世紀的物理學來解決。正如費曼所由衷地認為的那樣："因此，我們對這個理論處于進退兩難的境地，不知道它是對的還是錯的，但我們確實知道它是有點兒錯的，或者至少是不完整的。"

物理學家試圖把什么都扯到一起，結(jié)果想出來一種所謂的超弦理論。這種理論假設(shè)，以前我們認為是粒子的夸克和輕子，實際上都是"弦"——振動的能弦，它們在11維中擺動，包括我們已知的3個，維度再加上時間，以及7個別的維度，它們，哎呀，我們現(xiàn)在還無法知道。這種弦非常微小——小得可以被看成是點粒子。

通過引入額外的維度，超弦理論使科學家能把量子定律和引力定律相對比較融洽地合在一起，但是，這也意味著，科學家關(guān)于這個理論的任何解釋，聽上去都會令人惴惴不安，猶如公園凳子上的陌生人告訴你某個想法，你聽了會慢慢走開一樣。比如，物理學家米奇奧·卡庫是這樣從超弦理論的角度來解釋宇宙的結(jié)構(gòu)的：雜化弦由一根閉合的弦組成，它有兩種振動模式，順時針方向的和逆時針方向的，要以不同的方式來對待。順時針方向的振動存在于一個10維空間。逆時針方向的振動存在于一個26維的空間，其中有16維已經(jīng)被壓實了。（我們知道，在卡魯扎原先的5維空間里，第5維被卷成一個圈，已經(jīng)給壓實了。）如此等等，洋洋灑灑350頁左右。

弦理論又進一步產(chǎn)生了所謂的m理論。該理論把所謂"膜"的面，納入了物理學世界的靈魂。說到這里，我們恐怕到了知識公路的站點，大多數(shù)人該下車了。下面引了《紐約時報》上的一句話，它以盡可能簡單的語言向普通讀者解釋了這種理論：

在那遙遠遙遠的過去，火成過程以一對又平又空的膜開始；它們互相平行地處于一個卷曲的5維空間里兩張膜構(gòu)成了第5維的壁，很可能在更遙遠的過去作為一個量子漲落產(chǎn)生于無，然后又飄散了。

無法與之爭辯，也無法理解。順便說一句，"火成"源自希臘文，意為"燃燒"。

現(xiàn)在，物理學的問題已經(jīng)達到這樣的一種高度，正如保羅·戴維斯在《自然》雜志里說的，"非物理學家?guī)缀醪豢赡軈^(qū)分你是合乎常情的怪人，還是徹頭徹尾的瘋子"。有意思的是，2002年秋，這個問題到了關(guān)鍵時刻。兩位法國物理學家——孿生兄弟伊戈爾·波格丹諾夫和格里?？āげǜ竦ぶZ夫——提出了一種關(guān)于極高密度的理論，包括"想像的時間"和"庫珀-施溫 格-馬丁條件"這樣的概念，旨在描述無，即大爆炸以前的宇宙——這段時間一直被認為是無法知道的（因為它發(fā)生在物理現(xiàn)象及其特性誕生之前）。

波格丹諾夫理論幾乎立即在物理學家中間引起爭論：它到底是胡說八道，一項天才的成就，還是一個騙局？"從科學的角度來看，顯而易見，它多少是徹頭徹尾的胡說八道。"哥倫比亞大學的物理學家彼得·沃伊特對《紐約時報》記者說，"不過，近來，它跟許多別的文獻沒有多大區(qū)別。"

卡爾·波普爾被斯蒂芬·溫 伯格稱之為"現(xiàn)代科學哲學家的泰斗"。有一次，他提出，物理學很可能沒有一種終極理論——每一種解釋都需要進一步的解釋，形成"永無窮盡的一連串越來越基本的原理"。與之相對的可能性是，這種知識也許是我們完全無法理解的。"幸虧，迄今為止，"溫 伯格在《終極理論之夢》中寫道，"我們的理智資源似乎尚未耗盡。

"

幾乎可以肯定的是，這個領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)更多的見解；幾乎同樣可以肯定的是，這些見解將是我們大多數(shù)人所無法理解的。

正當20世紀中葉的物理學家在迷惑不解地觀測小世界的時候，天文學家發(fā)現(xiàn)，同樣引人注目的是，對大宇宙的理解也是不完整的。

上次談到，埃德溫 ·哈勃已經(jīng)確認，我們視野里的幾乎所有星系都在離我們遠去，這種退行的速度和距離是成正比的：星系離得越遠，運動的速度越快。哈勃發(fā)現(xiàn)，這可以用個簡單的等式來加以表示：ho=v/d（ho是常數(shù)，v是星系飛離的速度，d是它離開我們的距離）。

自那以后，ho一直被稱之為哈勃常數(shù)，整個等式被稱之為哈勃定律。哈勃利用自己的等式，計算出宇宙的年齡大約為20億年。這個數(shù)字有點兒別扭，因為即使到20世紀20年代末，情況已經(jīng)越來越明顯，宇宙里的許多東西——很可能包括地球本身——的年齡都要比它大。完善這個數(shù)字是宇宙學界一直關(guān)心的事情。

關(guān)于哈勃常數(shù)，惟一常年不變的是對它的評價意見不一。1956年，天文學家們發(fā)現(xiàn)，造父變星比他們認為的還要變化多端；造父變星可以分為兩類，而不是一類。于是，他們重新進行計算，得出宇宙新的年齡大約為70億年到200億年——不是特別精確，但至少相當古老，終于可以把地球的形成涵蓋其中。

在此后的幾年里，爆發(fā)了一場曠日持久的爭論，一方是哈勃在威爾遜山天文臺的繼承人阿倫·桑德奇，另一方是法國出生的、得克薩斯大學的天文學家熱拉爾·德·沃庫勒。桑德奇經(jīng)過幾年的精心計算以后，得出哈勃常數(shù)的值為50，宇宙的年齡為200億年。沃庫勒同樣很有把握，哈勃常數(shù)為100。1這意味著，宇宙的大小和年齡只有桑德奇認為的一半——100億年。1994年，情況突然變得更不確定，加利福利亞州卡內(nèi)基天文臺的一個小組根據(jù)哈勃天文望遠鏡的測量結(jié)果，提出宇宙的年齡只有80億年——連他們也承認，這個年齡比宇宙里某些恒星的年齡還要小。2003年2月，一個來自美國國家航空和航天局及馬里蘭州高達德太空飛行中心的小組，利用一種名叫威爾金森微波各向異性探測器的新型衛(wèi)星，信心十足地宣布，宇宙的年齡為137億年，誤差1000萬年左右。事情被擱置下來，至少在一段時間里。

若要作出最后的定論，難度確實很大，因為往往有很大的解釋余地。想像一下，你夜間站在一片空地上，想要確定遠處兩盞電燈之間的距離。如果使用比較簡單的天文學工具，你很容易確定兩個燈泡的亮度一樣，以及一個燈泡要比另一個燈泡遠50％的距離。但是，你無法確定的是，較近的那盞燈，比如是37米以外的那個58瓦的燈泡，還是36.5米外的那個61瓦的燈泡。此外，你還必須考慮到由幾個原因造成的失真：地球大氣的變化，星際塵埃，背景恒星對光的污染，以及許多別的因素。因此，你的計算結(jié)果勢必是以一系列嵌套的假設(shè)為基礎(chǔ)的，其中任何一個都可能引起爭議。還有一個問題：使用天文望遠鏡總是代價很高，在歷史上，測量紅移要長時間使用天文望遠鏡，令人注目地花錢很多。很可能要花上整整一個夜晚才能獲得一張底片。結(jié)果，天文學家不得不（或者愿意）根據(jù)少得可憐的證據(jù)就下了結(jié)論。在宇宙學方面，正如記者杰弗里·卡爾指出的，我們"在鼴鼠丘似的證據(jù)上建立起大山似的理論"。或者像馬丁·里斯說的："我們目前的滿足（于我們的認識狀態(tài)）也許反映了數(shù)據(jù)的匱乏，而不是理論的高超。"

順便說一句，這種不確定狀態(tài)適用于比較近的東西，也適用于遙遠的宇宙邊緣。當天文學家說m87星系在6000萬光年以外的時候，正如唐納德·戈德史密斯說的，他們其實是在說它大約在4000萬-9000萬光年之間——二者不完全是一碼事。大宇宙里的事情自然是被夸大的。有鑒于此，我們目前有關(guān)宇宙最好的估計似乎是120億-135億年之間，但距離意見一致還差得很遠。

近來有人提出了一種很有意思的理論，認為宇宙根本沒有我們原來以為的那么大；我們凝望遠方所看到的有些星系，也許只是映像，是反射的光產(chǎn)生的重像。

實際上，還有很多東西我們不知道，甚至在很基本的層面上——至少不知道宇宙是怎么構(gòu)成的。當科學家們計算使東西保持在一起所需的物質(zhì)的量的時候，結(jié)果總是發(fā)現(xiàn)遠遠不夠。宇宙的至少90％，也許多達99％，似乎是由弗里茨·茲維基認為的"暗物質(zhì)"組成的——那種生性我們看不見的東西。我們生活在一個多半連看都看不見的宇宙里，而卻毫無辦法，想到這一點真讓人覺得有點兒不是滋味。至少有兩個主要嫌疑的名字受到注意：據(jù)說，它們不是"wimp"（"弱互相作用大質(zhì)量粒子"，即大爆炸留下的看不見的微小物質(zhì)），就是"macho"（"暈狀大質(zhì)量致密天體"，實際上只是黑洞、棕色矮星和其他光線很暗的恒星的另一種說法）。

粒子物理學家往往贊成解釋為粒子，即wimp；天體物理學家贊成解釋為星體，即macho。macho一度占了上風，但根本找不到足夠的數(shù)量，所以風向又轉(zhuǎn)向wimp——問題是wimp從來沒有發(fā)現(xiàn)過。由于它們的相互作用很弱，因此很難識別它們（即使假設(shè)它們的存在）。宇宙射線會造成太多干擾。因此，科學家們必須鉆到地下深處。在地下一公里的地方，宇宙射線的轟擊強度只有地面的百萬分之一。但是，即使把這一切都加上去，正如有一位評論家說的："宇宙在決算表上還相差三分之二。"眼下，我不妨把它們稱之為"dunnos"（某處未知非反射不可測物體）。

近來有跡象表明，宇宙的星系不僅在離我們遠去，而且離去的速度越來越快。這與人們的期望是背道而馳的?？磥碛钪娌粌H充滿暗物質(zhì)，而且充滿暗能量。科學家們有時將這稱之為真空能或第五元素。無論如何，宇宙似乎在不斷膨脹，誰也說不清這是什么道理。有理論認為，空空蕩蕩的太空其實并不空空蕩蕩——物質(zhì)和反物質(zhì)的粒子在不停地產(chǎn)生和消失——是它們在把宇宙以越來越快的速度往外推移。令人不可思議的是，解決這一切的恰恰是愛因斯坦的宇宙常數(shù)——他為了駁斥關(guān)于宇宙在不斷膨脹的假設(shè)而在廣義相對論里順便引入的，也是他自稱是"我一生中最大的失誤"的那個小小的算式?，F(xiàn)在看來，他畢竟還是對的。

歸根結(jié)底，我們生活在一個宇宙里，它的年齡我們算不大清楚；我們的四周都是恒星，它們到我們的距離以及它們彼此之間的距離我們并不完全知道；宇宙里充滿著我們無法識別的物質(zhì)；宇宙在按照物理學定律運行，這些定律的性質(zhì)我們并不真的理解。

以這樣的一種很不確定的基調(diào)，讓我們再回到地球，考慮一下我們確實理解的東西——雖然到目前為止，要是你聽到我們并沒有完全理解它這類話，你也許不會再感到吃驚——以及我們長期以來不理解而現(xiàn)在理解了的東西。