第十一章 马斯特·马克的夸克(2)

第十一章 马斯特·马克的夸克(2)

超级对撞机化为泡影以后,粒子物理学家们的眼界放低了点。但是,即使是比较一般的项目的成本也可能相当惊人,要是与,哎呀,几乎任何项目相比的话。有人建议在南达科他州莱德的一座废矿--霍姆斯特克矿--建个中微子观察站,其成本就高达5亿美元, 还 不算每年的运转费用。而且, 还 要花2.81亿美元的"一般改建费"。与此同时,伊利诺伊州费尔米莱布的一个粒子加速器仅更新材料就要花费2.6亿美元。

总之,粒子物理学是个花钱很多的事业--但又是个收获巨大的事业。今天,粒子的数量已经大大超过150种, 还 有100种左右被怀疑存在。但不幸的是,用理查德·费曼的话来说:"很难搞清所有这些粒子的关系,大自然要它们干什么,彼此有什么联系。"每打开一个盒子的时候,我们总是发现里面 还 有一个紧闭的盒子。有的人认为存在超光速粒子,其运动速度超过光速。有的渴望找到引力子--引力的根子。我们刨根问底儿已经刨到什么程度,现在 还 很难说。卡尔·萨根在《宇宙》一书中说,要是你钻进一个电子深处,你会发现它本身就是一个宇宙,使你回想起20世纪50年代的那些科幻故事。"里面,大量小得多的别的粒子组成了相当于当地的星系和较小的结构,它们本身就是下一层次的宇宙,如此永远下去--一个逐步往里推进的过程,宇宙中的宇宙,永无尽头--往上也是一个样。"

对于我们大多数人来说,这是个不可想像的世界。如今,即使看一本有关粒子物理学的初级指南,你也必须克服语言方面的重重障碍,比如:"带电的π介子和反π介子分别衰变成一个μ介子加上反中微子和一个反μ介子加上中微子,平均寿命为2.603×10-8秒;中性π介子衰变成2个光子,平均寿命大约为0.8×10-16秒;μ介子和反μ介子分别衰变成......"如此等等--而且,这段话 还 是从(通常)文笔浅显的作家斯蒂芬·温伯格为普通读者写的一本书里引来的。

20世纪60年代,加州理工学院物理学家默里·盖尔曼试图把事情简化一下,发明了一种新的粒子分类法,用斯蒂芬·温伯格的话来说,实际上"在一定程度上使大量的强子重新变得一目了然"--强子是个集体名词,物理学家用来指受强核力支配的质子、中子和其他粒子.盖尔曼的理论认为,所有强子都是由更小的,甚至更基本的粒子组成的。他的同事理查德·费曼想跟多利那样把这些新的基本粒子叫做部分子,但是没有获得通过。它们最后被称做夸克。

盖尔曼从小说《芬内根的觉醒》的一句话中取了这个名字:"给马斯特·马克来三夸克(quarks)!"(敏锐的物理学家把storks或larks作为该词的韵脚,尽管乔伊斯脑子里想的几乎显然是后者的发音。1)夸克的这种基本的简洁性并没有持续很久。随着人们对夸克的进一步了解,需要更细的分类。尽管夸克太小,不可能有颜色、味道或任何别的可以识别的化学特性,它们 还 是被分成六类--上、下、奇、粲、顶和底,物理学家们奇怪地把这些统称为它们的"味";它们又进一步被分成红、绿和蓝三种颜色。(人们怀疑,这些名称原先在迷幻药时代在加利福尼亚州使用过。这不完全是一种巧合。)最后,出现了所谓的标准模型。对亚原子世界来说,它实际上是一个元件箱。标准模型的组成成分是:6种夸克、6种轻子、5种已知的玻色子和1种假设的玻色子(即希格斯玻色子,以苏格兰科学家彼得·希格斯的名字命名),加上4种物理力中的3种:强核力、弱核力和电磁力。

这种安排其实说明,在物质的基本材料中有夸克;夸克由名叫胶子的粒子黏合在一起;夸克和胶子一起形成了原子核的材料,即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费密子。玻色子(以印度物理学家S.N.玻色的名字命名)是产生和携带力的粒子,包括光子和胶子。希格斯玻色子也许存在,也许不存在;这完全是为了赋予粒子质量而发明出来的。

你看得出,这个模型真是有点儿笨拙,但这是可以用来解释粒子世界全部情况的最简单的模式。大多数粒子物理学家觉得,正如利昂·莱德曼在1985年的一部电视片里说的,标准模型不大优美,不大简明。"它过于复杂,有许多过于武断的参数。"莱德曼说,"我们其实不明白,为了创造我们都知道的宇宙,造物主干吗要转动20个门把来设定20条参数。"实际上,物理学的任务是探索最终的简洁性,而迄今为止的一切都乱成了美丽的一团--或者就像莱德曼说的:"我们深深地感到,这幅图画并不美丽。"

标准模型不但很笨拙,而且不完整。一方面,它根本没有谈到引力。找遍整个标准模型,你找不出任何解释,为什么放在桌上的帽子不会飞上天花板。为了赋予粒子以质量,你不得不引入假设的希格斯玻色子,它是否真的存在,要靠21世纪的物理学来解决。正如费曼所由衷地认为的那样:"因此,我们对这个理论处于进退两难的境地,不知道它是对的 还 是错的,但我们确实知道它是有点儿错的,或者至少是不完整的。"

物理学家试图把什么都扯到一起,结果想出来一种所谓的超弦理论。这种理论假设,以前我们认为是粒子的夸克和轻子,实际上都是"弦"--振动的能弦,它们在11维中摆动,包括我们已知的3个,维度再加上时间,以及7个别的维度,它们,哎呀,我们现在 还 无法知道。这种弦非常微小--小得可以被看成是点粒子。