蘇格蘭有一座本尼維斯山，以多云而聞名。有一個叫威爾遜（C.T.R. Wilson）的英國科學家常常爬到山頂去看云。在 1911 年的某一天，他看著看著，突然有一個念頭冒了出來：為什么不找一個更簡單的方法看云呢？他馬上返回劍橋的卡文迪許實驗室，建造了一個人工云室。這是一個不復雜的裝置，在一個密閉的玻璃容器中，輸入純凈的乙醇或者甲醇蒸氣，通過降低溫度使蒸汽達到過飽和狀態(tài)，就可以制造出挺像那么回事的人工云來。就是這個發(fā)明，讓威爾遜獲得了諾貝爾獎。你還別不信。

這個裝置讓威爾遜得到了一個意想不到的額外收獲。當他加速一束 α 粒子流穿過云室時，就留下了一條肉眼可見的痕跡，就好像是飛機的航跡。當時正值發(fā)明粒子探測器沒多久，兩者結合，就提供了足以令人信服的證據(jù)證明亞原子粒子確實存在。

后來，卡文迪許實驗室的另外兩個科學家發(fā)明了更強大的質子加速器。而在大洋彼岸的加州大學伯克利分校，厄內斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）在差不多同一時間造出了著名的回旋加速器，這種令人印象深刻的機器在很長一段時期內也被激動地叫做原子粉碎器。這類奇異的機器不論過去還是現(xiàn)在，它們的工作原理基本上都差不多。首先把一個質子或者其他帶電粒子沿著環(huán)形或者線形的軌道加速到極高的速度，然后引導它去撞擊另一個粒子，人們再觀察撞擊后飛出的碎片，所以人們會叫它原子粉碎器。

物理學家們的雄心壯志和他們建造的機器一同成長，他們直接發(fā)現(xiàn)或是推測出的粒子家族也越來越大，似乎沒有止盡：夸克、μ 子、τ 子、π 介子、W 玻色子、膠子等等，多得連物理學家自己也感到有點兒不安。有一次，一個學生問物理學家費米一個粒子的名稱時，他是這么回答的：“年輕人，如果我能把這么多粒子的名稱都記住的話，我早就成為一名植物學家了?！?/span>

今天，加速器的名字聽起來就像是戰(zhàn)場上的新武器：超級質子同步加速器、大型正負電子對撞機、大型強子對撞機、相對論性重離子對撞機，消耗的能量巨大（以至于它們中的有些機器只能在深夜啟動，因為只有這樣才能讓周邊城市的居民不會注意到家里的電燈在機器“開火”時變暗淡了）。例如，讓一個電子在不到 1 秒的時間內，沿著一根 7 千米的管道跑 47000 圈。甚至有人開始感到了恐懼、害怕，他們害怕這些激情的科學家們無意中制造出一個微黑洞而吞噬整個地球，或是制造一種叫“奇異夸克”的東西，有人認為這種東西會與其他粒子相互作用，產(chǎn)生難以控制的連鎖反應，帶來災難性的后果。當然，這些都是以訛傳訛的瞎擔心，沒有任何真實的理論依據(jù)的。

尋找粒子需要大大的集中精神，因為這些粒子不但又小又快，而且常常轉瞬即逝。很多粒子從出現(xiàn)到消失，僅僅只有 10^-24 秒。即便是壽命最長的不穩(wěn)定粒子，也只能存在 10^-7 秒而已。

有些粒子極難捕捉。例如，每一秒鐘，就會有 1 萬億億億個幾乎沒有質量的中微子抵達地球（絕大多數(shù)來自太陽的熱核反應）。它們幾乎全部穿過地球上的一切東西，也包括你我的身體，就像什么都不存在一般。為了能捕捉到它們，科學家們需要在地下深處，通常是廢礦井里面建一個巨大的水池，這樣才能不受別的輻射干擾。然后在里面注入相當于 30 個標準泳池的重水，也就是含大量氫的同位素氘的水，你才能偶爾觀察到一次中微子和氫原子核相撞產(chǎn)生出的閃光。

科學家們則耐心地計算著每一丁點兒的能量，以此來逐步增進我們對宇宙基本性質的了解。1998 年，日本的觀測人員報告了中微子確實有質量，但非常非常小，只有電子的一千萬分之一。不知道大家是否看過電影《2012》，一開場就是在印度的拏迪伽銅礦，那個地底深處的實驗室就是這樣一個中微子探測器，電影中說太陽大爆發(fā)，導致中微子似乎變成了一種新的粒子，把地核加熱了。為了表現(xiàn)這個情節(jié)，科學家打開了深達 180 米的一大鍋水的蓋子，然后驚訝地看到，那鍋水燒開了。只是中微子的質量實在太小，如果要靠他們攜帶的動能來加熱地核那差的太遠了，除非這些中微子都轉變成了某種反物質那還差不多，但如果是反物質粒子的話，那沒有抵達地核之前也早就和其他物質作用而湮滅掉了。所以，電影中的情節(jié)是不可能發(fā)生的。增加看科幻電影的樂趣也是聽我這個節(jié)目的好處之一。

如今，尋找粒子真正要花費的東西就是錢，而且是大量的錢。有意思的是，在現(xiàn)代物理學中，你要尋找的東西越是微小，用于尋找它的設備就越是大。歐洲核子研究中心，簡稱 CERN，是歐洲最大的核研究組織，就像一座城市，位于法國和瑞士的邊界處，占地一平方公里，有 3000 多名全職雇員，還有 6500 名兼職的科學家和工程師。全世界粒子物理學家有一半都在這里工作。CERN 最值得自夸的是它那條周長 27 公里的地下隧道，還有一根比埃爾菲鐵塔還重的磁鐵。

要敲開一個原子其實并不難，每次打開日光燈就可以了。但是，想要敲開原子核，可就不易了，需要大量的資金和巨大的電力供應。如果想要再深入到夸克的級別，也就是構成質子、中子的基本粒子級別，你需要的是數(shù)以萬億瓦特的電力和相當于中美洲一個小國家年度預算的資金量。CERN 2005 年啟用的一臺大型強子對撞機，建設花費超過 15 億美元，每次開機需要 14 萬億瓦的能量。

不過，上面這些數(shù)字與美國原本計劃建造的一臺機器相比，那又是小巫見大巫了。美國在上世紀 80 年代決定在德州的沃克西哈奇建造一臺超級超導對撞機。但不幸的是，它在建造過程中便與美國國會發(fā)生了激烈“對撞”，項目黃掉了。這臺機器原本可以讓科學家們自豪地發(fā)現(xiàn)“物質的終極屬性”（這話聽著耳熟，科學家們經(jīng)常用尋找終極 XX 來籌集資金），并且盡可能重建宇宙在最初的 10 萬億分之一秒時的條件。原計劃是讓粒子在一條周長 84 千米長的隧道中飛馳，消耗的能量達到了驚人的 99 萬億瓦。這真是一個宏偉的計劃，光是建造費用就達到 80 億美金（后來又提高到 100 億美金），每年的運行費用也高達數(shù)億美元。

歷史上恐怕找不出更好的例子來詮釋“把錢埋地下”這句話了。1987 年到 1993 年，國會在花費了 20 億美金挖空了一條 22 公里長的隧道之后，終于受不了了，取消了這個項目。因此，直到今天德州還總是自夸擁有一個宇宙中最昂貴的地洞。不過，從照片來看，那個地方其實就是一片巨大的空地，環(huán)形散落著一串失望的小鎮(zhèn)。

建造粒子加速器最大的一個特點就是貴，超級花錢。去年，在中國的科學界曾經(jīng)掀起過一輪激烈的爭議。起因是中科院計劃建造一臺超級對撞機，結果遭到了德高望重的楊振寧先生的反對。反對的一個重要原因就是花錢太多，不值得。中科院高能物理研究所的計劃是分成二個階段，每個階段的花費是 400 億和 1000 億人民幣，這個世界恐怕沒有什么單個工程需要花的錢比這個多了。作為對比，貴州的那個全世界最大的單口徑射電望遠鏡 FAST 的造價僅僅是 10 多億人民幣。武廣高鐵的總投資是 1166 億人民幣。而一架全新的 C919 客機的售價大約是 3.5 億人民幣左右。

總之，粒子物理學是一項昂貴的事業(yè)，同時也是一項多產(chǎn)的事業(yè)。隨著 2013 年希格斯玻色子被找到，所有標準粒子模型中的 61 種粒子全部被找到。問題是，標準粒子模型只能解釋電磁力、弱核力和強核力的產(chǎn)生和作用機制，但無法解釋引力。為了解釋引力，物理學家們又提出了很多其他理論模型，在這些模型中還有更多的粒子種類。粒子雖然找到了一大堆，可是用費曼的話來說，“我們很難理解這些粒子之間的關系，大自然為什么需要它們，又是什么聯(lián)結著這個粒子和那個粒子？”每當我們盡力打開一個盒子，必然又會在里面發(fā)現(xiàn)另一個鎖著的盒子。有人認為存在一種叫“快子”的粒子，運動速度超過光速。有人渴望找到“引力子”——一切引力產(chǎn)生的根源。我們究竟已經(jīng)到達了多深處，現(xiàn)在很難說?？?薩根在他的名作《宇宙》中提出了一個假設，如果你鉆進一個電子中，你可能會發(fā)現(xiàn)電子本身又是一個宇宙。上世紀 50 年代出現(xiàn)了大量的科幻小說描述這種結構，科幻小說家門幻想“數(shù)量巨大的更小的基本粒子構成了相當于星系一樣的結構；而每一個這樣的基本粒子又是一個更小級別的宇宙，宇宙中又嵌套著宇宙，如此一級一級往下沒有盡頭；往上是一樣無窮無盡?！敝皇菦]有幾個粒子物理學家會同意這樣的幻想，因為正如我們之前說過的，微觀世界與宏觀世界的運行規(guī)則似乎大不相同。而且根據(jù)我們的量子理論，物質最小也只能小到 10^-35 米這樣的一個級別，不可能再小下去了，這就是普朗克尺度。這是整個量子理論的根基。

這樣的世界超出了大多數(shù)人的理解能力?，F(xiàn)如今，即便是閱讀最基礎的粒子物理學指南，你也必須穿過一條布滿專業(yè)詞匯的荊棘之路。比如說，“帶電的 π 介子和反 π 介子分別裂變?yōu)橐粋€ μ 介子加一個反中微子和一個反 μ 介子加一個中微子，平均壽命約 2.063X10^-8 秒。中性 π 介子衰變?yōu)?nbsp;2 個光子，平均壽命約 0.8X10-¹⁶ 秒。μ 介子和反 μ 介子衰變?yōu)椤！?/span>

我引用的還是一本專門為普通讀者撰寫的書。作者是那個最能深入淺出講解的物理學家史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）。

到了上世紀60年代，加州理工的物理學家蓋爾曼（Murrary Gell-Mann）嘗試著把雜亂的粒子整理一番，他發(fā)明了一種新的粒子分類的方法。這種方法用溫伯格的話來說，就是“再次減少強子的復雜性使它們更清晰”，“強子”這個術語是物理學家給質子、中子這些由強核力支配的粒子的總稱。蓋爾曼的理論主要是說強子也是由一種更小、更基本的粒子組成的。他的同事想給這些最基本的粒子起名為“部分子”（patrons），但被否決了，最后定的名字就是現(xiàn)已知名的“夸克”（quarks）了。

蓋爾曼起的“夸克”這個名字來源于一部小說《芬尼根守靈夜》（Finnegans Wake）中的一句話“向麥克老大三呼夸克”但是夸克的簡潔性也沒保持多久，因為物理學家們對夸克的理解稍一深入，就發(fā)現(xiàn)夸克也得繼續(xù)細分下去。雖然如此微小的夸克不可能有顏色、味道或是其他我們能感知的物理性質，但物理學家們把它們分成六類，分別起了 6 個有趣的名字：上、下、奇、粲、頂、底，奇怪地把它們統(tǒng)統(tǒng)稱為“味”，然后又進一步地分為紅、綠、藍三種顏色（這些術語產(chǎn)生的年代正是在加州流行迷幻藥的時代，有人懷疑這并不是一種巧合）。

最后，所有這一切被稱作“標準粒子模型”。它實際上是整個微觀世界的“零件箱”。標準模型總共由 36 種夸克、12 種輕子、8 種膠子、2 種 W 粒子，1 種 Z 粒子，再加上光子和希格斯粒子，一共是 61 種粒子組成，另外還要加上三種基本的力：弱核力、強核力和電磁力。（目前物理學中總共有四種力，還有一種是引力）。

在這個模型中，夸克是最基本的“建筑材料”。又有一種叫做“膠子”的基本粒子作為夸克之間的“粘合劑”?？淇撕湍z子組成質子和中子，它們又結合在一起構成了原子核。電子和中微子又是由輕子構成的。夸克和輕子又統(tǒng)稱為費米子。攜帶或產(chǎn)生“力”的基本粒子，例如光子和膠子統(tǒng)稱為玻色子。希格斯粒子則產(chǎn)生質量。完全聽暈了對吧，那幾乎是肯定的，就算換了一個專業(yè)對口的粒子物理學家，也很難把這些粒子的名稱都給記全了。不過，我覺得作為我們普通的科學愛好者，最重要的是知道，原子、中子、質子這些我們經(jīng)常聽到的“子”，其實都不是基本粒子，因為它們不夠基本，它們也都是由更小的粒子組成的。但是電子是一個基本粒子，它沒辦法再分下去了，至少在我們目前的科學理論中，它無法再分下去了。

其實，大多數(shù)物理學家都覺得標準模型不夠簡潔。在 1985 年播放的一部電視紀錄片中，萊德曼（Leon Lederman）評論道，“確實太復雜了些，并且充滿了太多臆想的參數(shù)。我實在不明白為什么造物主為了創(chuàng)造我們已知的這個宇宙要不厭其煩地轉動二十個旋鈕來設定二十個參數(shù)?！睂ξ锢韺W而言，沒什么比尋找終極簡潔性更重要的了，然而我們現(xiàn)在離得還很遠，手里有的只是貌似優(yōu)雅的一團混亂。正如萊德曼所指出，“有一種深深的感覺，現(xiàn)在這幅圖景并不美麗?！?/span>

標準模型不但笨拙，而且也不完整。有一樣重要的東西該理論沒有納入，就是引力。把一頂帽子放在桌子上，為什么它不會自己飛到天花板上？這個道理，你搜遍標準模型，也找不到合理的解釋。費曼為此苦笑道，“我們現(xiàn)在陷在這樣的一個理論中。這個理論真的不知道是對還是錯，但我們能肯定它現(xiàn)在不是完全正確的，至少是不完善的?！睘榱税阉械奈锢硪?guī)律統(tǒng)一到一個理論中，物理學家又發(fā)明了一種理論，稱之為超弦理論。咱們下期接著聊。