利昂·萊德曼（Leon Max Lederman，1922－2018），前費米國家加速器實驗室主任，美國科學促進會理事會主席。他主持設計了超導超級對撞機建造計劃，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》，以表紀念。
利昂陷進去了
我還是少年的時候就與分子結了緣。在高中和大學低年級階段，我非常喜歡化學，但是后來我逐漸轉向了物理學，因為它似乎比較干凈——實際上是沒有氣味。那些學物理學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)在是華盛頓大學的物理學教授。他聲稱每次去看張貼出來的考試成績時，只是想確認一下自己的那個A是“平頭還是尖頭”。很自然，我們大家都很喜歡他。他跳遠的成績也比我們任何人都要好。
利昂·萊德曼
我對物理學問題感興趣是因為它們有清晰的邏輯和明確的實驗結果。在大學四年級的時候，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的燦爛輝煌。這確實起了作用。加入美國軍隊前，我拿的是化學學士的學位，可是我決定如果能在日常訓練和第二次世界大戰(zhàn)中活著回來的話，就去做一個物理學家。我是在1948年才最終進入物理學領域的，這一年我利用當時世界上最強大的粒子加速器——哥倫比亞大學的同步回旋加速器——開始做我的博士學位研究課題。哥倫比亞大學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50年代，同步回旋加速器和其他強大的新設備一起開創(chuàng)了粒子物理學的新格局。
對外行來說，粒子物理學最顯著的特征也許就是儀器和設備。我正是在粒子加速器時代來臨時加入這個領域的。在隨后的40多年里，這些加速器統(tǒng)治著物理學領域，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，世界上最強大的加速器坐落在伊利諾伊州巴達維亞的費米國家加速器實驗室，這一機器被稱為太瓦質子加速器，其周長約有4英里，能以前所未有的能量粉碎質子和反質子。到2000年左右，太瓦質子加速器的能量之冠地位被打破。所有加速器之母——超導超級對撞機（SSC）——目前正在得克薩斯建設，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？我們是否已被機器迷惑住了？粒子物理學是不是某種神秘的“計算科學”，花費巨大的人力、使用龐大的機器研究如此深奧的現(xiàn)象，當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。當然，把這一過程當作一條歷史之路——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行的。許許多多的科學家都走過這條路：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著“電力工程”“化學”“無線通信”或者“凝聚態(tài)物質”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的人則會發(fā)現(xiàn)，一路上遇到的都是相同的標牌，上面清晰地寫著：“宇宙是如何運行的？”就是在這條路上，我們可以找到20世紀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道路的。那個時候，所有的科學問題看起來都非常清晰和重要，這些問題都涉及所謂的強核力和一些理論上預言的粒子——π介子的特性。哥倫比亞大學的加速器就是專門用質子轟擊目標靶來產生介子的。當時，這臺儀器的原理非常簡單，就連研究生也能夠理解。
20世紀50年代的哥倫比亞大學是物理學的溫床。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）則是因為測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）帶領了一個小組，其中的拉姆齊（Norman F.Ramsey）和庫什（Polykarp Kusch）都在適當?shù)臅r候獲得了諾貝爾獎。李政道則因為宇稱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)認識的“大爆炸”出現(xiàn)在1959—1962年，當時我和哥倫比亞大學的兩位同事正在進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：沒有質量（或者極?。?，沒有電荷，沒有半徑，甚至也沒有強力作用于它。如果文雅一點描述中微子，可以用“難以捉摸”這個詞。這就是僅有的一點兒事實，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年的實驗為20世紀70年代逐漸為人所知的粒子物理學“標準模型”奠定了基礎。1988年，這個實驗被瑞典皇家科學院授予了諾貝爾獎。（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，瑞典皇家科學院把時間拖后是因為他們不能確定應該獎勵我的哪一項偉大成果。）獲得諾貝爾獎當然令人非常激動，但這種激動實在不能與我們意識到實驗成功那一刻那種難以名狀的激動相比。
物理學家今天的感覺和幾個世紀前的科學家是一樣的。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，就像我所認識的大多數(shù)科學家一樣，當你自己發(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，此時你往往獨自在實驗室里，發(fā)現(xiàn)了某種意義深遠的事情，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?；蛘吣阆Ｍ绱?。當然，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，便構成了目前我們關于宇宙及其運行機制的知識。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)。
實驗室里的利昂·萊德曼
然而，科學家并不能依賴這些“尤里卡時刻”來充實自己的生活。在日常的活動中還應該有一些樂趣。對于我來說，樂趣就是設計和制造能教我們認識特別抽象之問題的儀器設備。當我還是哥倫比亞大學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點以后，機械師們都回家了），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行保護。我的教授朋友——我們可以稱他為吉爾貝托，因為這是他的名字——一邊仔細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？”我結結巴巴地問。
“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的星系發(fā)出來的，經(jīng)過數(shù)光年的旅途到達了百老匯大街和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。
物質圖書館
在解釋基本粒子的物理學時，我經(jīng)常會引用（還會修飾一番）古羅馬詩人和哲學家盧克萊修的一個可愛的比喻。假設我們的任務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、科學或是傳記?；蛘?，我們可能會依照尺寸分類：厚的、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一步細分的復雜對象。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！進一步的思考會使我們想到字母，因為單詞也是“可分的”?，F(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?，F(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揚自得地說：“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轉換成字母的計算機算法。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”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?shù)木幋a使用0和1（或者點和畫）組成的序列來構成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成句子、段落、章節(jié)，最后是圖書；而圖書則構成了圖書館。
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”構成。打個不太恰當?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。“你看到過原子嗎？”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。我可以把原子的內部結構形象化。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構，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)方程來構建模型的，所以對于不同的科學家來說，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|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）如果你讀的是計算機屏幕上的文字呢？最后，我絕望地問：“你見到過教宗嗎？”
“嗯，當然。”這是常見的回答，“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側的磷上發(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。在費米實驗室的加速器里，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子和反質子的碰撞“碎片”。這里的“證據(jù)”——“視覺”，就是這些傳感器，當一個粒子經(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。磁帶記錄的是質子和反質子的熱碰撞，1次碰撞可以產生多達70個粒子，它們分別飛進探測器的不同部分。
粒子物理
科學，尤其是粒子物理學，需要通過重復實驗才能得出可信的結論，也就是說，在加利福尼亞做的實驗應該可以被日內瓦的不同類型的加速器驗證出來。此外，還要通過在每次實驗過程中設置測試和驗證點，以確保儀器按照設計的方式運行。這是一個長期而復雜的過程，是數(shù)十年實驗的結果。
但是，許多人對粒子物理學還是感到很神秘。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，我們之所以察覺不到它們的存在，是因為大腦會通過視野中其他地方的信息進行推斷，來猜測盲點處的信息應該是什么，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，或者玩火把戲法。
一組“特維洛”使者肩負友好的使命來到了地球。為了讓他們感受一下我們的文化，我們就帶他們去看這個星球上最受歡迎的文化盛事之一：世界杯足球賽。當然，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，一個運動員就跑到邊線上，在其他運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。部分是由于服裝的緣故，他們推斷出是兩個隊在互相爭斗。他們還根據(jù)場上隊員的跑動繪制出圖表，發(fā)現(xiàn)每個運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，給場上每個運動員的位置都起了名字。他們還對這些位置進行了分類、比較和對照，并把每個位置的優(yōu)點和缺點都標在一幅巨型圖表上。當特維洛人發(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隊中的任何一個位置，在B隊中也有相應的位置。
離比賽結束還有兩分鐘，特維洛人已經(jīng)畫了幾十張圖表，繪制或總結出數(shù)百個表格和公式，還有許多足球比賽的復雜規(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質。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，”他有點戰(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。而他確實發(fā)現(xiàn)了一點。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論，認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，他們認為，盡管經(jīng)驗證據(jù)不足，但這個年輕人說的還是有點道理。其中一位年長的政治家——他其實是一位物理學家——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論就是肯定有一個球這一簡單的事實。假設確實有一個球存在，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難題都有啟發(fā)，尤其是與粒子物理學密切相關。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，四川科學技術出版社2022年6月版）。
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