第十一章 馬斯特・馬克的夸克(1)

1911年，一位名叫威爾遜的英國科學家經常爬到本尼維斯山頂去研究雲層的構造。這座山位於蘇格蘭，以潮濕聞名。他突然想到，肯定還有一種比較簡單的辦法。回到劍橋大學的卡文迪許實驗室以後，他建起了一個人工雲室--一種簡單的裝置，他在裡面可以冷卻和濕潤空氣，在實驗室現有的條件下創建一個說得過去的雲層模型。那個裝置運轉良好，而且還有個意料之外的好處。當威爾遜使一個α粒子加速通過雲室製造人工雲團的時候，它留下一條明顯的軌跡--很像一架飛過的飛機留下的凝跡。他剛剛發明了粒子探測儀，提供了令人信服的證據，證明亞原子粒子確實存在。最後，卡文迪許實驗室的另外兩位科學家發明了功率更大的質子束裝置，歐內斯特·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，這類設備在很長時間裡就是這麼稱呼的。所有這些新發明的原理大體相同，無論是過去還是現在，即，將一個質子或別的帶電粒子沿著一條軌道（有時是環形的，有時是直線的）加速到極快的速度，然後砰地撞向另一粒子，看看撞飛了什麼。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·戈登用於打仗的武器：超級質子同步加速器呀，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，設備點火時鄰近城鎮的居民才不至於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：一個電子在不到1秒的時間裡能沿著7公里長的隧道擊打47000圈。人們擔心，科學家們在頭腦發熱的時候會在無意之中創建一個黑洞，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，產生連鎖反應，完全失去控制。要是你現在還活著在看這本書的話，說明那種情況沒有發生。尋找粒子需要集中一定精力。粒子不但個兒很小，速度很快，而且轉瞬即逝。粒子可以在短達秒(10－24秒)時間裡出現和消失。連最缺乏活力的不穩定的粒子，存在的時間也不超過秒(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、幾乎沒有質量的中微子抵達地球（大多數是太陽的熱核反應輻射出的），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，就彷彿地球並不存在。為了捕捉幾個粒子，科學家們需要在地下室（通常是廢礦井裡），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，一個經過的中微子會砰地撞擊水裡的一個原子核，產生一丁點兒能量。科學家們通過統計有幾個一丁點兒而逐步了解宇宙的基本性質。1998年，日本觀察人員報告說，中微子確有質量，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。在現代物理學中，尋找的東西的大小，與所需設備的大小，往往有意思地成反比關係。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名僱員，佔地幾平方公里。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：幾萬億瓦電和相當於一個中美洲小國的預算。歐洲核研究組織的一台新的大強子對撞機定於2005年開始運轉，它將產生14萬億瓦能量，建設費超過15億美元。1然而，這兩個數字與那台超級超導對撞機本來所能產生的能量和所需的建設費用相比，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一台超級超導對撞機，然後本身與美國國會發生了超級對撞，結果很不幸，現在永遠建不成了。這台對撞機的意圖是：讓科學家們重建儘可能接近於宇宙最初十萬億分之一秒里的情況，以探索"物質的最終性質"（老是這麼說的）。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，但建設費用高達80億美元（最後增加到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，然後在建成一條22公里長的隧道以後取消了這項工程。現在，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》的作者傑夫·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。"