上帝粒子：諾獎大師寫給所有人的粒子物理趣史（簡體書）

構成宇宙萬物的最基本成分是什麼？

本書從古希臘哲學家德謨克利特的“原子”理論開始講起，追述了從伽利略到牛頓、再到麥克斯韋和法拉第等一代代經典物理學家對基本粒子的探索過程。其後量子理論的誕生，在物理學領域掀起了一場革命；而大型粒子加速器的出現，又使得粒子物理學的研究進入了一個新的時代。驚人的成果不斷涌現，人類向著宇宙終極粒子和萬物理論不斷邁進，若能成功找到希格斯玻色子，即“上帝粒子”，則無疑意味著這條探索之路上的一次前所未有的巨大飛躍……

作者利昂·萊德曼自20世紀中葉起，一直身處粒子物理研究領域的中心，親眼見證、親身參與甚至親自主導了當代粒子物理學的許多重大進展，其本人也因相關研究而榮獲諾貝爾物理學獎，在這本書中，萊德曼不但把宇稱不守恒、標準模型等深刻理論闡釋得清晰明白，而且將多種夸克、中微子等的發現歷程講述得曲折生動。此外，無論是費米用“曼哈頓工程”中撞死的狼來計算沙漠中的狼群總數，還是李政道在中餐館點菜時顯出的派頭，物理學家們的風彩被作者描摹得極為生動，趣味盎然。

利昂·萊德曼：著名物理學家，1922年生於紐約，1951年博士畢業於哥倫比亞大學物理系，1958年後任該校教授，1979—1989年任費米國家加速器實驗室主任，並主持設計了超導超級對撞機建造計劃。他在粒子物理實驗領域成果卓著，於1988年獲得諾貝爾物理學獎。

萊德曼熱衷於科學教育事業，曾任美國科學促進會理事會主席。2018年10月，萊德曼在愛達荷州去世，享年96歲。

迪克·泰雷西：著名作家，《集萃》（Omni）雜志前任編輯。

序

在前往沃克西哈奇的路上，一種奇特的想法向我襲來……

這本1993 年寫的書原本就基於一個錯誤的假定，現在再版，重寫一篇序言就顯得更為別扭了。雖然那個假定不關鍵，但仍是假定無疑。再說“上帝粒子”這一書名，本身有問題不說，它也基於那個錯誤的認識。

1993 年，我認為科學世界面臨著一系列激動人心的新發現，這些發現將帶我們更加接近宇宙運行的規則，也讓我們更加了解宇宙運行基石的特性。我們在期待一種全新的儀器，即當時正在得州沃克西哈奇建設的超導超級對撞機（SSC），帶給我們豁然開朗的頓悟。那將是迄今為解答我們最深刻的問題而設計建造的最強大的粒子加速器，或者稱為“原子粉碎機”。但意想不到的事情發生了。

在講述這件事之前，讓我再說一下寫本書的動力，一種當時有效現在仍然有效的動力。《上帝粒子》是起始於公元前600 年前後希臘殖民地米利都哲學家泰勒斯的粒子物理學史。泰勒斯自問，世間萬物是否能夠極本窮源到某種簡單的基本物質和包羅萬象的簡潔原理呢？今天，我們依然堅持泰勒斯及其追隨者的思路：相信終極簡潔。盡管2 600 年來的研究表明我們的宇宙表面上是非常複雜的，但我們仍堅持這一信仰。我們的歷史在創造“原子”（“小得看不見且不可分”）這一術語的德謨克利特那裡短暫停留後，繼續穿越一個又一個世紀，

進入對現代成就的探究中。進行探究的主角包括愛因斯坦、費米、費曼、蓋爾曼（Murray Gell-Mann）、格拉肖（Sheldon Glashow）、李政道、溫伯格（Steven Weinberg）、楊振寧以及其他許多粒子物理學家。盡管這裡我只列了一些理論家的名字，但真正肩挑重擔的還是我的那些實驗家同行。

我認為，1993 年我們有理由對有機會建立“終極理論”——我的同行溫伯格這樣稱它——持樂觀態度。19 世紀末還只有一種可以稱作“原子”的基本粒子——電子——被發現並得到實驗證實，但在隨後的一個世紀裡我們捕捉了其他的粒子：另外5 種輕子（電子的“兄弟”），6 種夸克，光子、W 子、Z 子等基本玻色子以及所有傳遞力的粒子——膠子。然而，還有一種重要粒子“逍遙法外”，那就是希格斯玻色子，一種將最終解釋許多物質謎團的粒子。SSC 的主要任務就是找到希格斯玻色子。

面對未來，我們充滿希望。SSC 的建設已完成了20％。這項工程的申請始於裡根時期，建設始於1990 年。當時我們都以為萬事大吉了，直到1993 年國會終止了這項計劃。愛因斯坦說物理學家的工作是“讀懂上帝的思想”，但你怎樣才能讀懂美國議員的思想呢？阿爾伯特，你當時幹活多麼容易！停止SSC 將省下來110 億美元，用這筆錢可以支持一大堆其他物理實驗，可以消減貧困、治癒粉刺，並將帶給我們和平。（順便問一聲，結果怎麼樣了？）可我離題了。

也有好消息。《上帝粒子》只是超前了。一種嶄新的機器即將誕生，那就是大型強子對撞機（LHC）。它的第一束粒子將在2007 年到2008 年射出，據宣傳它將找到希格斯粒子、發現超對稱（資料是這麼說的！），並將探索1993 年那個黑色日期以來提出的不說是瘋狂也稱得上驚世駭俗的一些概念。這樣看來我還是比原來自認的聰明一些，畢竟只是在錯誤的時間出了書而已。這臺新機器的周圍將不再是友善的沃克西哈奇居民，它位於瑞士日內瓦，那裡沒有這麼多美味的牛排店，但多了芝士火鍋，而且名字也容易拼寫了。LHC 要探索的目標之

一就是“多維度空間”，一個讓通常冷漠的理論物理學家興奮得不能自已的概念。在我們上下、左右、前後的三維空間（x-y-z）基礎上加入隱藏的更多維度將揭示我們置身和遊樂其中的一種新宇宙。這不僅非常有助於支撐激動人心的萬物理論（TOE），而且還將如實驗家亨利·弗裡希（Henry Frisch）所言，“幫我們找到所有那些丟失的襪子”。

至於本書的題目“上帝粒子”，我的合作者迪克·泰雷西同意擔當其咎（算我“賄賂”他吧）。有一次在演講過程中我開玩笑提了這個詞，結果他給記住了，而且還用它做了暫定書名。“別擔心，”他說，“沒有哪家出版社在最終定稿時會採用暫定名的。”余下的就是歷史了。結果書名得罪了兩種人：那些信奉上帝的人，以及那些不信上帝的人。處於中間的人倒是樂於接受。

但我們堅持用這個名字。物理學界一些人也已經開始使用這個詞了，《洛杉磯時報》和《基督教科學箴言報》都將希格斯玻色子稱作“上帝粒子”。這些讓我們想入非非，覺得快要出影視版了。這次我們終於就要發現希格斯粒子了，迄今在我們眼皮底下深藏不露的更加簡潔、更為美麗的宇宙也將露出端倪了。有關這些描述盡見於書中。

我跟您撒謊了嗎？

利昂·萊德曼

序

“人物”表

第1 章　看不見的足球

第2 章　第一位粒子物理學家

第3 章　尋找原子：力學

第4 章　仍在尋找原子：化學家和電學家

第5 章　裸原子

第6 章　加速器：它們粉碎原子，不是嗎？

第7 章　“原子”！

第8 章　最後的上帝粒子

第9 章　內空間、外空間和時間前的時間

致謝

歷史注解及參考文獻

譯後記

校譯後記

第1 章

看不見的足球

除了原子和真空是實際存在的，其他一切都只在意念之中。

——阿布德拉的德謨克利特

宇宙的最開始是一片虛空——一個奇特的真空世界——沒有空間，沒有時間，沒有物質，沒有光，沒有聲音。但是在自然法則的作用下，這個神奇的真空世界中潛在的能量正等待釋放，就像高聳的懸崖邊上搖搖欲墜的巨石一般。

等一等。

在“巨石”落下之前，我要解釋一下，其實我真的不明白我在談論什麼。從邏輯上說，一個故事應該從開始講起。但這是一個關於宇宙的故事，很遺憾，我們沒有任何證據表明什麼是最開始。沒有，一無所有。我們了解的只是已經到達成熟期的宇宙，而對於最初千千萬萬億分之一秒的時間，也就是在“大爆炸”後非常短的一段時間內的情況我們一無所知。如果你讀到或聽說了關於宇宙創生時的一些事情，那肯定是虛構的。這一領域屬於哲學的範疇。只有上帝才知道宇宙創生時發生了什麼（但是他從來沒透露過一點）。

好，我們講到哪兒了？哦，對了——

就像高聳的懸崖邊上搖搖欲墜的巨石一樣，虛空中的平衡是非常敏感的，只要要一點點衝動就會發生變化，而這種變化就產生了宇宙。事實上也確實這樣發生了，那一片虛空爆炸了，時間和空間就在爆炸之初的炙熱中創生。

物質則從這些能量中脫穎而出：一堆密集的粒子在輻射中消失了，重新歸於物質（現在我們至少是在基於一些事實和理論推理來進行研究）。粒子的碰撞產生了新的粒子。在黑洞形成與解體的同時，時間和空間攪在一起翻滾沸騰著。

這是多麼奇妙的景象啊！隨著宇宙的膨脹、冷卻、變得稀薄，粒子開始結合，不同的力也開始出現。質子和中子產生了，接著出現了原子核和原子。然後就是至今仍在膨脹的巨大的塵埃云，它們在某些地方聚集起來，形成了恒星、星系和行星。在一個標準星系的旋臂上，一顆最為普通的行星在圍繞著一顆普通的恒星運行。在這個星球上，綿延的大陸和澎湃的海洋經歷著自組織的過程，海洋裡冒出的一些有機分子開始發生反應，並產生了蛋白質，生命就這樣開始了。植物和動物從簡單的有機體中進化出來，並最終產生了人類。

人類與其他生物的不同之處，主要在於他們是對自己的周圍環境極富好奇心的唯一物種。隨著物種變異的出現，一小撮與眾不同的人開始在大陸上活動。他們非常傲慢。他們並不滿足於欣賞宇宙的燦爛，而總是在問“怎樣”：宇宙是怎樣產生的；那些宇宙“原料”怎樣造就了我們這個令人難以置信的多樣的世界——恒星、行星、水獺、海洋、珊瑚、陽光以及人類的大腦。這些異類也提出過一個人類可以回答的問題，但只有經歷從老師到學生，數百代人幾千年的努力和獻身後才有可能找到問題的答案。在找到正確答案之前，這個問題也產生了許多錯誤百出、令人為難的答案。幸運的是，這些異類天生不知道什麼是為難。他們的名字叫物理學家。

現在，在審視過這一探討了2 000 多年——這段時間只相當於宇宙時間長河中微不足道的一滴水珠——的問題以後，我們開始瞥見宇宙創生的整個過程了。在望遠鏡和顯微鏡中，在天文臺和實驗室裡，甚至在便箋簿上，我們開始覺察到在宇宙產生的第一時刻起支配作用的原始的對稱和美的輪廓。我們幾乎能夠看到這些了。但是這些圖景還不是很清晰，而且我們也感覺到有什麼東西在使我們的視野變得更為模糊——有一種黑暗的勢力在使宇宙固有的簡單本質變得模糊、隱秘和令人困惑。