更新时间：作者：小小条
物理学的目的是研究探索自然界万物的结构及运动规律。万物运行的规律是什么？物质由哪些基本成分构成？物质的结构是否无限可分？物质之间如何相互作用？物含妙理总堪寻，物理学家希望能建立一个统一的理论框架，最好可以囊括所有的基本现象，解释自然界的本质规律。从古希腊的“原子说”、道尔顿的原子模型，到元素周期律的发现，再到基本粒子的标准模型，都是基于追求“统一”的愿望。追求统一也就是追求完美，这种愿望促使人们努力奋斗，孜孜以求，推动科学革命，产生新理论，从而造福社会、造福人类。
100 多年前，19 世纪的最后一天，英国著名物理学家威廉·汤姆生向科学界发表新年祝词，展望牛顿的经典物理学成就时说：“大厦已经落成，剩下只是一些修饰工作……。然而，在物理学晴朗的天空下，还有两朵令人不安的乌云……。”之后，正是为了解决这“两朵乌云”，建立了量子力学和相对论，激发了物理学的重大革命[1]。如今的物理学中，有宏伟大厦，也有片片疑云，科学家们也仍然在不断地艰苦奋斗，拨云弄雾，尽力消除完美中的不完美，以达到新的统一[2]。
从粒子加速器到LHC
物理学是一门基于实验的科学。在探究物质结构秘密的过程中，利用高速的粒子产生碰撞，是基本的实验手段之一。原子中有些什么？就像孩子们看着一颗核桃，不知道里面是什么东西，于是，他们用一颗石头来轰击它，或者用两颗核桃，让它们快速地相撞，敲开之后便知道了其中的奥秘。当年卢瑟福和他的学生盖革所进行的α散射实验，就是一个著名的例子，他们用α射线轰击微米级厚度的金箔，确定了原子的“行星模型”。
卢瑟福的实验给人启发：α射线是从天然放射性元素放射出来的，速度无法控制。为什么不人为地将粒子加速呢？1932 年，两位英国物理学家约翰·考克饶夫（John Cockcroft，1897—1967 年）和华顿（E.T. Walton）建造了第一个粒子加速器，用交流电产生的磁场来加速带电粒子，如此获得高能量的粒子后，用它们来冲击原子核。之后，加速器不断改进，尺寸不断增大，能量不断提高。人们利用粒子加速器发现了绝大部分新的超铀元素，合成了上千种新的人工放射性核素，还发现了包括重子、介子、轻子和各种共振态粒子在内的几百种新粒子。之后，人们又采取将两束粒子对撞的方法。显而易见，这样比只加速一束粒子能够得到更大的能量。
目前世界上最大的对撞机是位于瑞士日内瓦西北部郊区的欧洲核子中心（CERN）的大型强子碰撞机，一般将它称之为LHC，那是一个巨大的科学工程（图1），已经和当年的第一个粒子加速器不可同日而语。
图1 CERN 的强子加速器LHC
欧洲核子中心可以说是当今世界上科学研究最前沿的地方。20 多年之前，万维网在这儿悄然诞生，之后的发展有目共睹。2013 年，这个组织宣告找到了“上帝粒子”（希格斯粒子），接着，诺贝尔奖委员会将2013 年的物理奖授予了与此相关的两位理论物理学家：弗朗索瓦·恩格勒和彼得·希格斯。
大型强子对撞机LHC 隐藏在100 m深的地下，位于一个周长27 km 的巨大环形隧道内。世界各国合作的总耗资达到130 亿美元，上万人为此日夜辛勤工作，目的就为了追踪一个平均寿命只有1.56×10-22 s 的基本粒子（图2），科学家让LHC 隧道中的两束质子，以每秒11245 圈的速度（接近光速）狂奔后相撞，在极小的空间内爆发出等于十万倍太阳温度的超级高温，并释放出大量的能量和粒子，希格斯粒子就产生在其中。不过，质子碰撞产生希格斯粒子的几率很小，每1012 次的对撞，才可能产生1 次。并且，希格斯粒子一旦产生后转瞬即逝，在10 亿分之一秒的时间内就会衰变成其他的粒子。这就是LHC 耗资如此巨大的原因，要想捕捉到希格斯粒子太不容易了。
图2 希格斯玻色子
什么是希格斯玻色子？为什么要花费巨资寻找它？这种动力正是来自于物理学家追求统一的梦想。如今，物理学家们已经将物质结构的基本“砖块”和3种相互作用，统一于62 种基本粒子构成的标准模型中。标准模型理论所预言的数种粒子在实验中均被陆续发现，希格斯粒子是最后发现的一个，它为“标准模型”画上了一个完美的句点。
标准模型
20 世纪40 年代开始，有了高能的回旋加速器之后，科学家发现的新粒子的种类和数量越来越多。到了20 世纪60年代，观察到的不同粒子已高达200 多种。难道“粒子动物园”中这两三百种粒子都是“基本”的吗？这个可笑的结论太不令人满意了，完全不符合“统一”的要求。
所幸在理论物理学家们的努力下建立了标准模型（图3），它囊括了实验中发现的所有基本粒子，是迄今为止最成功地描述微观世界的理论框架。
图3 标准模型
除了我们还知之甚少的暗物质和暗能量之外，科学家认为物质间有4 种基本的相互作用力：电磁力、弱力、强力、引力。如果暂时不考虑那个顽固的“
引力”，标准模型可以将所有的物质及其相互作用统一在一个62 种粒子的框架中，基本上能精确地解释与这3 种力有关的所有实验事实。
标准模型是建立在杨振宁与其同事建立的“杨-米尔斯规范场”理论的基础上，如图3左图所示。其中的“基本粒子”分为3 类：费米子、玻色子、希格斯粒子。费米子包括夸克和轻子，是组成可见物质的基本“砖块”；玻色子是3 种相互作用的传播粒子。比如说，电磁力的传播粒子是光子；弱作用的传播子为W 粒子和Z粒子；强作用的传播子叫做胶子。为什么又有一个希格斯粒子呢？那是因为规范场理论只能处理无静止质量的粒子，但实际上很多粒子都具有静止质量，质量从何而来呢？标准模型使用对称破缺的概念，引进希格斯粒子，解决了这个问题。
12 类费米子按4 个1 组，分别成为夸克和轻子的3代家族。只有第一代家族的4 个粒子——上夸克、下夸克、电子以及电子中微子是构成通常可见物质的基本砖块，其他两代家族，都与常见物质无关，并且它们算是第一代家族衍生出来的更重的版本，所以除了专门的粒子学家之外，我们可以暂时不去了解它们，也没有必要记住它们。
因此，粒子物理的标准模型简化了世界本源的图景：物质由分子构成，分子由原子组成，原子由原子核和电子组成，原子核中有质子和中子。但是，质子和中子不是物质的基本单元，它们属于复合粒子，由更小更为基本的夸克和反夸克构成，每个质子由2 个上夸克和1 个下夸克组成；每个中子则由1 个上夸克和2个下夸克组成。
光子（photon）在图3中用符号γ表示，是电磁相互作用的传播粒子。胶子（gluon）用符号g 表示，是夸克之间强相互作用的传播粒子。弱相互作用是使原子衰变的相互作用，对应于3 个场传播子：带单位正电荷的W+、带单位负电荷的W- 以及电中性的Z0。希格斯粒子（Higgs boson）在图3中用H 表示。
没有终点的旅程
粒子物理学家们早已不满足于标准模型的束缚，因为它无法解释引力，也未曾包括暗物质和暗能量。
人们已经设想出了更大的统一理论，诸如超对称、弦论、大统一、万有理论等。然而，因为缺乏实验的支持，这些理论都还停留在假说和猜想的阶段。
如果想继续使用“碰撞”的办法来验证这些假说和猜想，粒子需要被加速到越来越高的能量。这点用敲核桃的比喻不难理解：核桃越小，需要用越大的能量来碰撞它们才能敲开。
到底需要多大的能量呢？我们现在的LHC 又具有了多大的能量？可以将我们的“统一之路”，直观地用能量级别画出来，如图4所示。图4的左边，看起来像一条高速公路，或可称之为粒子物理要走向统一的“高能”公路。那么，这条统一之路通向何方？人类当前走到了什么地方？
图4 统一之路漫长无止境
首先，如图4所见，能量如果一直高上去，便到了大爆炸模型中宇宙的起点，这便是为什么人们有时会说，LHC 能够模拟大爆炸。但那只是一个方向而已，能量还差几十个数量级。
图4中下方最低的那条水平红线，是现代加速器技术所具有的能量级别，大约是（104~105）GeV 左右，比发现希格斯粒子的位置稍高一点。比如说，CERN 的LHC 能够将每个质子加速到能量为6.5TeV（1 TeV=1000 GeV）左右。“大统一论”的位置，大约是在1018 GeV 左右的那条红线；再上面的一条是所谓包括了引力的“万有理论”，能量级别是1021 GeV，已经大于普朗克能量。
图4中的右图罗列了标准模型中基本粒子的质量（与能量相对应），它们当然都在下方标识了“现在”的红线之下，离上面标识“大统一论”的红线还差13 个数量级。也就是说，从1932 年的第一台粒子回旋加速器算起，80 多年的时间，加速器的能量级别不过提高了4~5 个数量级而已，并且，要想继续提高加速器能量，会越来越困难。就理论的角度而言，人类也许自以为发现了很多大自然的奥秘，现代科技如此发达，统一理论应该指日可待了吧。看了这张图之后，可能才恍然大悟，原来我们还差得很远很远啊！
通向统一之路不会只有一条，利用高能粒子“碰撞”的办法也不是达到统一的唯一途径。况且加速器的能量越高，造价越高。实际上，没有任何人造的粒子加速器能比得过大自然的力量。我们所追求的目标-能量极大的统一高能公路的终点，就是宇宙之初，时间的起点。根据大爆炸模型，宇宙是由一个密度极大、温度极高的太初状态演变而来的，那种极高能量的状态恐怕很难从地球上模拟。如果宇宙大爆炸真正发生过的话，必定在当今世界中留下蛛丝马迹，研究和观测宇宙中的各种现象，统一理论也将会受益匪浅。此外，其他物理领域的研究成果，比如凝聚态物理、量子光学等，也对粒子物理的发展有帮助。
人类对自然的认识永无止境，不可能存在任何一劳永逸的“终极理论”，物理学的统一之路，是一条没有终点的旅程。
参考文献
[1] 郭奕玲, 沈慧君. 物理学史[M]. 北京: 清华大学出版社, 1993.
[2] 张天蓉. 爱因斯坦与万物之理: 统一路上人和事[M]. 北京: 清华大学出版社,2016: 173-212.
（责任编辑 王丽娜）
作者简介：张天蓉，美国德克萨斯州大学奥斯汀分校理论物理博士，科普作家。
注：本文发表在《科技导报》2016年第19期，欢迎关注。
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