1 敲响新物理之门的赌注（第1页）

1敲响新物理之门的赌注

伏尔泰的微笑

费内-伏尔泰镇，2011年11月28日

我早上6点30分就起床了。今天是个特殊的日子。决定性的时刻将在上午9点到来，那时我将站在欧洲核子研究组织（）总干事法比奥拉的面前。我们是希格斯玻色子的猎人，它是物理学史上最难以捉摸的粒子之一。媒体称它为“上帝粒子”，其他人则将其重新命名为物理学的“圣杯”，因为几代科学家进行的所有研究都未搜寻到希格斯玻色子的踪影。我相信，我们已经把它圈住了。

现在我只需要一杯咖啡，而且是特浓咖啡。我从意大利带来的老摩卡咖啡机已经开始发出一连串我熟悉的嘶嘶声和喃喃声。和往常一样，我醒来第一件事就是在电脑上查看“宝宝”的状态。这是我们给紧凑渺子线圈（CMS）[3]取的昵称，这个由14000吨钢铁和电子设备组成的“野兽”由我负责，它在地下100m深、距这里10km远的地方，安静地采集着数据。

我是紧凑渺子线圈的发言人，这个实验项目的发言人，在大型国际合作中协调集体工作、组织研究。成千上万从事研究和校验工作的科学家们来自地球各个角落，跨越了所有时区，他们长期以来都在担心，一场愚蠢的事故可能会浪费多年的工作成果。

法比奥拉领导着另一项实验—超环面仪器（ATLAS）[4]，我们之间的竞争非常激烈。我们已经好几个月没睡好觉了。图表中的小信号、指示、异常会在我们的电脑上持续出现几天，它们会经受一周的检验，或是两周。然后，正当我们要开始相信结果的时候，它们却无情地消失在了背景噪声的波动中。这是一项令人沮丧的工作，充斥着不间断的检查和验证、没完没了的紧张和波动的情绪。

当我五年前加入这个实验的管理时，卢恰娜和我从比萨搬到了这里。我们一起决定住在费内-伏尔泰镇，这是一个围绕着伟大哲学家的房产而建的法国小镇。从卧室的露台上，我们可以看到伏尔泰书房的窗户，书房位于山中的城堡里。就是在那间屋子里，伏尔泰创作了《老实人》[5]。在那里，他接待了亚当·斯密和贾科莫·卡萨诺瓦等客人。一条林荫大道从城堡直接通往莱芒湖。每当法国的审查制度变得更加激进时，伏尔泰就坐上马车沿着林荫大道驶去—他要搬到日内瓦住几个月，一旦事情平息下来，他就回来。

费内-伏尔泰镇战略性地坐落在一个三角形的中心，这个三角形的顶点定义了我在这里的大部分生活。其中一个顶点是欧洲核子研究组织的所在地，我的办公室和紧凑渺子线圈的总部也在此处。另一个顶点是五处，也就是P5，探测器就在这里，位于侏罗山脉斜坡上的一个小镇—赛西。最后一个顶点是日内瓦这个国际化小城市，居住着来自180个不同民族的20万居民，有极其丰富的文化生活。

大型强子对撞机（LargeHadronCollider）就在这下面。大型强子对撞机是世界上最强大的粒子加速器，它在日内瓦附近的法国和瑞士交界处地下27千米的地方运行。它在地下画了一个巨大的圆圈，穿过侏罗山脉的斜坡到达湖岸。在这里，在我们的脚下，数千亿的质子被加速到与光速无异的速度，然后与相反方向运行的其他质子碰撞。质子是构成原子核的微小粒子，与我们的日常生活相比，它们碰撞产生的能量微不足道，但在那里，集中在这些碰撞发生的无穷小的空间里，它们创造了自大爆炸[6]（ilBigBang）以来从未出现过的极端条件。

现在我得出发了。像往常一样，我急急忙忙地出门了。天朗气清，勃朗峰在天空的映衬下显得格外醒目，峰顶被一缕缕云雾环绕着。我处于一种奇怪的状态，既疲惫又兴奋。

在车里，经过镇中心时，我看到了伏尔泰的雕像。这位古老的哲学家，在费内镇仍被称为“族长”，他被描绘成一个对历史事件持怀疑态度的见证者。今天，我无法抑制我的激动之情，我觉得伏尔泰在看着我，冲着我微笑。从费内镇到欧洲核子研究组织，这段路上的风景一一飞速掠过，我的脑海里只有一个想法：我们成功了！

我不禁想起了法比奥拉。我们的实验项目，超环面仪器和紧凑渺子线圈，从一开始就被认为是独立的。两个项目均获得了批准，所以每个人都尽最大的努力以期率先取得成果。这两个实验项目使用不同的技术，以确保测量数据的完全独立性：如果其中一项实验发现了新粒子，另一项实验必须能够确认结果。两个项目都是汇集了3000多名科学家的国际合作项目。但是“负责超环面仪器项目的人”，从一开始，就比我们更强大、数量更多、资源更丰富。超环面仪器一直是班上的第一名。施工期间，他们总是按时完成进度，而我们却始终滞后。当我们还在疯狂地安装最新的探测器时，他们收集数据的准备工作早已就绪，等待好几个月了。超环面仪器的控制室美观、大方、宽敞，配备了最先进的显示技术；反观我们简朴的控制室，几乎像修道院一样，总是挤满了人，而且很杂乱。要抵达紧凑渺子线圈，你必须在乡间开车10km，而超环面仪器就在欧洲核子研究组织的正门前。超环面仪器位于去机场的必经之路上，无论谁路过都会看到一幅巨大的壁画，它装饰着这座建筑的一整面墙壁。路过的部长、总统和国家元首经常决定去参观超环面仪器，而不是我们那里。

对此，我们的反应是尝试更快地分析数据并得到结果。我们可以指望使用一种更简单、性能更卓越的检测器。在运营的第一年，我们把对手击溃了。我们狂喜地发表了几十篇文章，而他们在苦苦挣扎，每个人都在想班里的尖子生发生了什么。随后他们进行了反击，而现在我们发现，我们在争夺希格斯玻色子的最后一场竞赛中并肩作战。

法比奥拉是一位杰出的物理学家，也是一位天生的领导者。她也是意大利人，我们是多年的好朋友。有时我们和共同的朋友一起聚餐，度过非常愉快的晚上。我们什么都谈，除了一个例外—那件事。在某些方面，我们是完全相反的。她出生在首都，来自一个中产阶级家庭：父亲是地质学家，母亲是文人，她在米兰最好的学校上学。我出生在阿普安阿尔卑斯山的一个偏远村庄—埃奎泰尔梅，有287名居民，是卡索拉—因卢尼贾纳镇的一小部分。我这个铁路工人和农民的儿子是整个工人和工匠家庭中第一个获得文凭的人，更不用说学位了。法比奥拉是软件和分析专家，而我是探测器专家。她非常认真，很有自控力，但从她的眼神里你可以看出她的紧张。我能更好地掩饰紧张：我总是看起来很冷静，即使在最困难的情况下我也会试着微笑。她细致而有条理，她经常担心我忽略的细节，因为我对大框架更感兴趣。我们很不一样，但我们很快就能互相理解。有时候，一个眼神就足够了，我们之间有一种深厚的信赖。我们对知识有炽烈的热情，在竞争中诚实正直。无须提醒，我们都会为了率先完成任务而竭尽全力。赌注实在太高了。两个项目中的每个人都想赢得比赛，但这是一场没有花招的比赛，谁跑得更快谁就是赢家。

当我按下500号楼的电梯按钮时，我有点激动。总干事的办公室在五楼。我进门的时候是早上8点58分。法比奥拉已经在那里了。现在已经是最终局，我们要摊牌了。我们已经收集到了一些线索，但还没有确凿的证据。他们处在什么阶段呢？我们之中谁能抓住这个世纪性的发现？而谁将不得不投降或屈居第二，责备自己的实验被遗忘？但我们真的抓住了希格斯玻色子吗？为什么这个该死的“上帝粒子”如此重要呢？

夸克、胶子、大爆炸和茶匙

我们是现代探险者中一支奇特的侦察队。我们的目标是了解物质宇宙的奇迹来自何处，物质宇宙包围着我们，而我们是组成它的一部分。我们是人们所称的科学家，是人类派出了解自然运作的前线特种知识部队。我们头脑灵活，充满好奇心，不带偏见，随时准备迎接任何意外，我们能意识到—要把世界划分到我们的精神范畴—需要摆脱一切常识的桎梏，并向未知领域冒险前进。在知识的边缘，你会发现自己独自一人，在一个只有诗人的直觉和疯子的声音回**的世界里。他们是唯一的，像我们一样的人类，不怕探索未知的地方。因此，我觉得他们很亲近。在某种程度上，他们陪伴着我，因为他们勇敢，他们喜欢冒险，他们不害怕让思想接近那个边界，为了真正了解我们和我们周围的世界，探索边界是必要的。我们，和他们一样，也是走钢丝的人，在没有安全钩的情况下在钢丝上奔跑。

我总是从上课的第一天开始，就向我的学生解释这一点。我试图从他们那里夺走他们所拥有的为数不多的确定性。现代物理学告诉我们的、让我们理解的一切，都只是现实的一小部分。物质，所有的物质—羊角面包和大海，树木和星星，所有的星系和星际气体，黑洞和宇宙背景辐射的残留物，总之，我们能够假设的一切或直接用功能最强大的望远镜和最现代的科学仪器所观察到的，只占整个宇宙的5%。剩下的95%对于我们来说是完全未知的。

这就是所有现代科学的归结：几个世纪的学习和研究，诸如量子力学和广义相对论等概念革命，一种源于对日益复杂的技术控制而产生的广泛的全能感……但最终，充其量只是几滴知识散落在茫茫无知的海洋中。

这是我们职业的美。有趣的是，每个人都以为我们很博学，而我，每一次都在内心偷笑。我尽我所能地解释，唯一让我们有所不同的是一种微妙的意识。我们只是更清晰地意识到我们的无知有多么巨大。我们发表声明时更加谨慎。我们知道自己可能会犯错，即使是与总体框架不一致的最小细节，我们也会给予重视。

当我试图说明，对于一个科学家来说，我们通常所说的“现实”是一个虚假的概念，很难去严格定义的时候，看到那些听我讲话的人眼中露出的惊奇时常让我感到有趣。即使是我们充满信心前进的日常现实，也比乍一看上去复杂得多。我们在喝咖啡时搅拌糖所用的茶匙是我们熟悉的东西。如果我说我是一个物理学家，但仍然不太明白我们称之为茶匙的东西是什么，每个人都会认为我疯了。如果我试图准确地描述它，那不可避免地会遇到严峻的困难。一个茶匙是由大量的原子组成的，这些原子交换着电磁相互作用的剩余化学键，并将其自身组织成穿过无数个单独微观层的宏观结构。持续不断的夸克和胶子，也就是我们在加速器中创造的粒子，沉浸在连续而混乱的电子流中。然后原子振动，旋转变化，分子蒸发，杂质沉积，不同波长的光被吸收再重新发出，与宇宙其他的部分进行电磁和引力相互作用。这个描述与常识下的短语很难调和，诸如：“一茶匙就是一茶匙”，“这是一块金属，其造型便于将少量的饮料送到嘴里”等。这很难让人们信服，即使你动作非常快，你拿起的茶匙也永远不一样，仅仅将视线挪开一瞬间，你也不能确保，你看到的这个在杯碟边缘的茶匙和刚刚浸入咖啡的那个恰好是相同的。

更不用说繁星点点的天空了。每个人都在抬头仰望的那个星空，即便只是为了寻找圣劳伦斯之夜的英仙座流星。恋人和孩子们仰着头，对着银河系的星群，一代又一代，重复地向他们的父亲或祖父询问同样的问题，就像我的孙女埃莱娜一样，她四岁时问我：这些在天空中的小灯是什么？

这是一个好问题，星空的现实。我们所看到的仅仅是简单的东西—它是光信号的叠加，同时到达我们眼睛的光信号来自分布各处且距离各不相同的星星。量子物理学告诉我们，光是由不可分割的微小能量粒组成的，我们称之为光子。它们的速度，也就是光速，尽管速度很大，但不是无限大。当我们观察这些遥远的星星时，那些撞击并激活了分布在我们视网膜上的光敏细胞的光子，其实已经传播了很多年；有些来自最遥远的星系，已经传播了数千年。我们的大脑重建的图像是星星发出光的那一刻（也许是几千年前）的图像。在此期间，没有人能保证这颗星星没有移动数十亿千米，或者没有死亡，这使超新星的爆炸成为天空中的壮阔景象。每天晚上，在我们的头顶，都有同步的现象呈现，这些现象彼此之间相隔数千年。因此突然间我们意识到所看到的东西并不存在，至少不以在我们看来的形式存在。我们的大脑重建了一个主观臆断的“现实”图像，我们知道这取决于我们观察的地点、时刻和观察所用的仪器。

当罗马帝国在野蛮人入侵的打击下开始摇摇欲坠时，来自遥远星星（如天鹅座的萨德尔）的光子开始了它们的旅程。V762是仙后座中的一颗超巨星，它是在第四纪冰川形成时释放出来的，当时覆盖欧洲的冰层有数百米厚。甚至仙女座星云（肉眼可见的为数不多的星系之一）发出的微弱光线，也开始了它的旅程，当时在非洲的奥杜瓦伊峡谷，一种新的非常奇怪的猿类在大草原上的居住范围开始越来越广阔。

更不用说那些肉眼无法看到的东西了，比如宇宙背景辐射[7]—大爆炸的残留物—弥漫整个宇宙，或者暗物质弥漫了一切，并通过紧紧拥抱，一起形成巨大的星系团。我们用来扫描天空的电子眼、大型地面望远镜或卫星上的望远镜，给我们提供了同一片天空非常不同的图像。这些图像基于其他波长，比我们肉眼在受限的灵敏度下所能重建的图像更为丰富、细致。虹膜的频谱，可以让人分辨彩虹，而事实上，它只覆盖通常电磁波频率范围内一个很小的波段。电磁波（随着频率的增加，波长相应减小）可以分解为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。

在我们看来，天穹就是一台巨大的时间机器。没有人会对此感到惊讶，没有人会睁着眼睛观赏每天晚上都在重复而且肯定会发生的景象。如果走在多罗米蒂山脉的一个小山谷，我们会看到：左边有一群放牧的奶牛；中间，赫鲁利人部落的首领奥多亚塞在拉文纳将西罗马帝国灭亡；右边，在一个巨大的冰川上，我们的一群祖先穿着毛皮，在狩猎最古老的标本之一—一头猛犸象。

现实与它所表现出来的非常不同，比我们所能感知到的要复杂得多。科学已经在努力回答最简单的问题，也就是人类从自身的婴儿期以来就一直在自问的问题：这一切从何而来？第一个困难源于这样一个事实—我们今天生活的宇宙与产生万物的宇宙大不相同。我们很幸运地发现自己身处宇宙中一个温暖宜人的角落，而宇宙总体上非常寒冷。它的平均温度约为－270?C，比绝对零度[8]高出几度，这是人们可以设想的最低温度水平。相反，宇宙刚诞生的时候，它是你能想象到的最炽热的物体，如此炽热而动**，甚至给它的温度下定义都会带来很多困难。

我们也知道宇宙非常古老。最近的研究表明它有138亿年的历史。那么，我们怎么能仅仅通过观察我们周围寒冷而古老的物质来理解它的起源呢？早期宇宙的条件太不一样了，起源时在极端温度条件下物质的行为也太不一样了，以至于我们无法理解最初发生了什么。

另一方面，我们别无选择。如果想要掌握物质的起源并充分理解其特性，我们必须试着回到最初的时刻。虽然概念上的赌博是巨大的，但收获的是对世界的理解。

一切都始于真空的微小波动。这是一种平淡无奇的、难以察觉的量子涨落，是在微观世界中不可避免地发生的涨落之一，原则上是众多涨落之一。这种特殊的涨落有一些特点，它让位于一些非常特殊的事物：它不是像其他无限的东西那样立即闭合，而是以惊人的速度立即膨胀，一个具有巨大规模的物质—宇宙诞生了，并随即开始了它的演化。如果我们理解了婴儿宇宙生命的最初时刻，与现在古老、冰冷的宇宙如此不同，也许我们也能了解宇宙将来会发生什么。

这就是要建造大型强子对撞机的原因，类似于人类能够创造宇宙生命的第一刻，为了探寻周围仍然存在的问题以及我们知之甚少的问题的答案。

于是便有了光[9]

从最新的研究中得到的图片绝对是惊人的。在生命的最初时刻，宇宙经历了一个我们称之为“宇宙暴胀”的阶段，这是一种至今仍无法解释的现象，它在非常短的时间内，10－35s，即0。00000…001s（其中包含35个0），将一个微小的异常变成了一个巨大的东西。

膨胀是一个众所周知的术语，用来描述经济中价格的增长，让人想起某种事物膨胀的概念，但这里它描述的是一种以惊人的速度呈指数增长的现象。它发生在大爆炸后的最初时刻，那时我们的宇宙在大小上仍然微不足道。这是一件非同寻常的事情。

突然间，一种非常特殊的粒子，按惯例我们称之为“暴胀子”（in?atone），占据了舞台中心。从那一刻起，一个强大的进程被触发。在微观奇点中，这个奇异的物质产生负能量压力，也就是说，它把一切猛烈地推向外部。膨胀涉及一切，甚至空间：真空的结构开始扩张，慢慢滑向一个势能真空（局部能量最小）—就像一个球在下陷中滚动以寻找平衡的条件—宇宙在每一点都以膨胀的形式释放多余的能量。这是一种非常高的能量，在膨胀过程中基本上保持不变，因此进一步膨胀的动力持续存在，并且规模的增长呈指数级。在几分钟内，从无到有。然后，突然间，以一种仍待澄清的方式，这个系统离开了它所在的真空，并迅速下降到另一个更稳定的低能量处，在那里它依然存在。这种突发性增长会消退。在极短的瞬间，在找到合适的最小值并稳定下来的时候，那个一开始微不足道的微观物体就变成了一个巨大的东西。在超高速膨胀时，它会冷却；当它平静下来，它会再次变热，在这个阶段，它会充满新的粒子，与我们今天所知的粒子大体相似。动**的诞生时刻让位于一个更加缓慢的演化过程，一个将持续数十亿年的渐进膨胀的过程。

宇宙的起源已经经历了暴胀阶段，这仍然是一个在热烈讨论的问题。这一理论在20世纪80年代早期提出，而决定性证据还未被发现，一个确凿的，能毫无疑问地证明该理论正确性的证据。然而，推动这一解释的证据有多种多样。事实上，这种爆炸式的增长一下子解决了所有影响旧理论的矛盾。它解释了为什么宇宙在任何方向上都那么均匀和统一；为什么我们生活在一个没有磁垄断的世界里；那些电磁北极或南极各自隔离开来，这使电磁方程完全对称，并且大爆炸理论预测它们在我们周围的某个地方。