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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03×10-8秒;中性π介子衰变成2个光子,平均寿命大约为×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。

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