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第三章 朝夕与永恒 6 粒子的一生（第1页）

第三章朝夕与永恒6粒子的一生

我们正渐渐习惯宇宙大尺度上的时间怪象，现在却要勇敢掉头，朝另一个方向走去。我们要从人类所能想象的最大物体转向物质基本组成的极小尺度。这种感觉是惊人的，因为我们一下子跨越了50多个数量级：这个跳跃令人眩晕，心都要跳到嗓子眼儿了。

病毒（比如引起全球疫情的新型冠状病毒）非常小，小到肉眼不可见，它们的尺寸通常在60~140纳米之间（1纳米为十亿分之一米）。1000个病毒一个挨一个紧贴起来，也就一根头发丝的厚度。如此微小的病原体只有借助专门的设备才能看见，比如能将物体放大几万倍的电子显微镜。但对基本粒子来说，病毒依然是庞然大物，病毒之于夸克就像地球之于足球，可谓天差地别。

质量方面，基本粒子也都很轻，光子甚至都没有静止质量。就算是顶夸克（1）等较重的基本粒子，相对于宏观物体也不值一提——不只是相对于恒星或行星如此，相对于一粒尘埃亦然。当进入无限小的世界时，我们就进入了由量子力学和狭义相对论统治的国度，这会让我们仅剩的一点儿传统时间概念也分崩离析。

千奇百怪的世界

物质由粒子构成，这些粒子通过交换粒子相互作用。这句话可用于总结玫瑰的香味是怎么来的，以及恒星内部的熊熊火焰如何燃烧。

对物质基本组成的研究已有上千年的历史。公元前600年前后，第一批古希腊哲学家开始为世界寻找科学的解释时就曾考虑过这个问题。今天，我们用奇怪的名字称呼基本粒子，但本质与阿那克西曼德等人将一切归结于土、火、水、气四元素也无甚差别。21世纪的科学家也是在寻找基本成分，通过它们的组合去解释周围物质的多样性。

“标准模型”是对这古老问题的现代回答。这是诞生于20世纪60年代末的一种理论，是经过一个世纪的观测和实验才得出的。自从这种理论被采纳，就有人对其争相质疑，力图证伪其中的某些预测，但迄今为止没有一个人成功。

我们知道，这是一个不完整的理论，原因很多，首先就是它没有考虑引力。宇宙中最常见的力却未被包括在标准模型描述的相互作用中，这着实奇怪。但其实也可以理解，因为在微观尺度上，引力的作用可以忽略不计。在宇宙空间中，当相互作用的物体质量巨大并相距遥远时，引力主导一切，但在描述物质基本成分的运动时它却变得无关紧要。至少在我们至今探索过的能量级上，基本粒子之间的相互作用是以引力之外的其他力为主的，它们超过引力许多数量级。

标准模型对其他许多现象也没能做出任何解释，比如它没有解释宇宙中为什么有那么多暗能量和暗物质，没有解释反物质都到哪里去了，没有包含导致宇宙暴胀的粒子，等等。总之，它在很多方面并不令人满意，不过它还是有着惊人的预测能力：它让我们准确地计算出了极短暂现象的最细微特征，并且将它们一个接一个系统性地观察到了；它预言了某些基本参数的微小偏离，这些也得到了极精巧的实验验证。然而我们迟早会需要一个更完整、更全面的理论来解释现在依然成谜的许多现象，它会包含“标准模型”作为在低能情况下的特例。当我们能做能量级很高的实验——高到我们引以为傲的理论也会被彻底动摇时，我们就会发现新的未知粒子或相互作用，这将让我们建立起更广泛的理论。但到目前为止，“标准模型”经受住了所有考验，是我们目前能掌握的可以用来解释世界的最佳理论。

在标准模型中，一切都归结于粒子。组成物质的粒子分为两大类，一类是六种夸克，另一类是六种轻子，每大类有三“代”，每“代”又有两种。夸克的三代两种为：上夸克和下夸克、粲夸克和奇夸克、顶夸克和美夸克（2），都带电荷。轻子的三代两种包括带电荷的电子、缈子、陶子及各自对应的不带电荷的中微子。

夸克和轻子原本互不往来，不会主动相互混合，就像莎士比亚的《罗密欧与朱丽叶》中互为世仇的凯普莱特家族和蒙太古家族。它们需要拥有某种力量的另一个“家族”从中调和——第三家族的成员与二者的全部或部分成员有互动，如此二者之间才会产生运动和混合。这样的“调和者”包括：光子，传递对所有带电粒子起作用的电磁力；胶子，传递强力，与夸克作用而不与轻子作用，因为夸克带电荷而轻子不带；媒介向量玻色子W和Z，它们传递弱力，既与夸克作用又与轻子作用，因为二者都有弱同位旋；最后是有点儿落单的希格斯玻色子，它与其他粒子相互作用，定义其质量。

标准模型中的粒子非常小，使用通常的度量单位是没有意义的，因为那会让数字小到十分不便。这些物体很小，以至我们都还不能确定它们究竟是点状还是有一定的维度。例如，如果夸克和轻子有内在结构，那它应该在10-19米以下。

质量也一样。以千克为单位去描述电子的质量就得写成9。1×10-31千克，为了方便起见，我们一般以千兆电子伏特（GeV）（3）为单位来描述电子的质量。最重的基本粒子顶夸克的质量大约相当于173GeV，其他粒子都比它轻，中微子等粒子更是轻中之轻。

基本粒子运动在极微小的世界中，这里是狭义相对论和量子力学统治的国度。把电子加速到接近光速就像小孩玩游戏一样，因为它带电荷，所以加速起来非常容易，只要将其放在真空中并加上强电场，就能让它获得很高的速度。实现这一目标也不需要高精尖设备，医院里的X光机就能让电子以12光速射出从而产生X射线。

无穷小尺度上的物理规则控制着这些又小又轻的粒子，从中所产生的行为与我们习惯的行为大相径庭，显得十分怪异。不管是系统状态、时空，还是质量、能量，在基本粒子的世界中，一切都变得古怪起来。

暴增的质量和极度拉伸的时间

把很轻的电子加速到接近光速只需要一个强电场。这就是现代粒子加速器的原理，它能产生速度接近光速的粒子。理论上，光速不可超越但可无限接近，所以，如果我们能克服一些并非微不足道的技术困难，就可以让粒子达到99%的光速，然后是99。99%、99。9999%……

电子带有负电荷，因此会被电压高的一边吸引。当然，让它们获得速度的同时，也必须避免它们与物质的其他任何组成相撞，因为撞击会让它们失去能量并且速度大大降低，这就是为什么要让它们在抽成高度真空的管子中运动。

为避免使用太高的电势差，我们用环形机器让电子多次通过同一个加速区。适当分布的强磁场会弯折它们的轨道，让它们在圆环中运动并发生碰撞。

相对论的质量增长是需要解决的问题之一。越接近光速，电子受到的“加速”导致的速度增加的幅度越小，而质量增加得越多。加速时电磁场给电子的能量会让它变成“大胖子”。这又是一个让我们惊诧的狭义相对论效应，因为我们对此从未有过直观感受。在我们的世界中，持续给某个东西加速的话，增长的永远是速度而不是质量，比如，在高速公路上一直踩油门就能从仪表盘上看到速度在增加。这是因为我们开车达到的130千米时相对于光速而言实在小得可怜，在接近光速时，输入系统中的能量无法再提高速度，因为光速不可超越，于是只能增加质量。这再次体现了相对论提出的质能等价。在日常生活的经验中，加速时物体的质量不会变，但如果接近不可超越的光速，质量就会不断增加而速度基本保持不变。

现代粒子加速器中的粒子束几乎都以接近光速的速度运动，并获得比静止质量大得多的质量。当碰撞发生时，蕴藏在其巨大质量中的能量冲击真空并激发出新粒子，能量又被重新转化为质量，在那一刹那，大爆炸之后迅疾消失的物质形式再现于世间。于是，大型研究机构就成了生产灭绝粒子的工厂，也可说是时间机器让我们可以再现并研究百十亿年前宇宙诞生时的现象。

注意：当粒子逐渐接近光速时，其质量只是相对于我们这些看着它们在真空管道中飞驰的人才有巨大的增长。如果有一个观察者和它们同行，就会看到它们是静止的，在这个运动着的参照系中，粒子质量一点儿都不会变。和运动方向上的空间收缩、时间拉伸一样，近光速粒子的质量暴增也是只有外部观察者才能看到的现象。

2000年夏天，在欧洲核子研究中心（）的大型正负电子对撞机（LEP）中转圈的电子是物质原子中普通电子的20万倍重。当然，这会带来相当大的问题，比如同步和加速器参数调控，这些参数要随加速导致的质量猛增而调整。

质子被加速时，这种效果也很显著。质子不算基本粒子，是由两个上夸克和一个下夸克组成的，还有许多个胶子，有了这些胶子，才能把一切聚于强力的约束中。质子带正电，质量大约相当于1GeV，对质子的加速方法类似电子，只是要将电场两极的电势差反转。由于质子是复合粒子，质量是电子的2000倍，因此必须耗费大量能量才能将它们加速到接近光速。但质量大也给了它们一个很大的优势。电子在粒子加速中使用受限的主要原因之一就是它们太轻了。和所有做圆周运动的带电粒子一样，电子也会释放光子而失去能量。轨道上的粒子越轻，辐射越大，并且辐射随着能量的增长而猛增。对于比电子重得多的质子而言，辐射导致的能量损失则小得多，所以质子更容易被提高到更高能级。

目前最强大的加速器是大型强子对撞机（LHC），两束质子流在周长27千米的圆形真空管中相向运动，碰撞的能量达到13TeV（千GeV），也就是说两边的质子都具有相当于6。5TeV的质量，是其静止质量的6500倍。因为质子是由夸克和胶子组成的，所以其碰撞比较复杂，只有一部分可用能量（大概几个TeV）能转化为重粒子。现在，人们正讨论着要研发新的磁体，新建一个100千米的管道以达到100TeV的能量级，以产生质量相当于几十TeV的新粒子——如果存在的话。

电子加速器可以起到补充作用。因为电子是点粒子，所以电子碰撞简单得多，电子加速器也就成了进行精确测量并通过微小异常探索新物理学的理想机器。电子加速器的劣势在于不能达到很高的能量级。环形电子加速器的设计能级在250~500GeV之间，现在也有能达到几TeV的设计，但仅限于直线型加速器。

总之，涉及的都是相对论性物体，即加速到接近光速而质量变得巨大的粒子。大型正负电子对撞机中的电子是这样，大型强子对撞机中的质子亦然，这些粒子的时间都显著减慢了。

我们以大型强子对撞机为例：质子被加速并碰撞之后还要继续运动数小时，在此期间又碰撞无数次，实验物理学家记录下最神奇的碰撞及其产生的粒子。数小时后，强度减弱，要从加速器中取出剩余的质子束并放入新的质子束。特别走运的时候，这个周期会持续一整天。