發(fā)現(xiàn) \"上帝粒子\"對(duì)科學(xué)家意味著什么？

斯蒂芬·沃爾夫勒姆（Stephen Wolfram）多樣化的研究涉及了數(shù)學(xué)、物理和計(jì)算機(jī)等領(lǐng)域。在事業(yè)的早期，他研究的是粒子物理學(xué)，后來他又建立了名為Mathematica的計(jì)算機(jī)代數(shù)系統(tǒng)和名為Wolfram Alpha的搜索引擎，并得到了廣泛的使用。他是《一種新科學(xué)》（一本對(duì)諸如粒子自動(dòng)機(jī)這樣的簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的研究著作）的作者，也是沃爾夫勒姆研究公司的現(xiàn)任CEO。

美國當(dāng)?shù)貢r(shí)間7月2日清晨，美國能源部下屬的費(fèi)米國家加速器實(shí)驗(yàn)室宣布，該實(shí)驗(yàn)室最新數(shù)據(jù)接近證明被稱為“上帝粒子”——希格斯粒子的存在，至此沃爾夫勒姆關(guān)注甚至是參與了將近40年的一項(xiàng)粒子實(shí)驗(yàn)也終于可以接近尾聲。在某種程度上，對(duì)沃爾夫勒姆來說就好像自己是回到了少年時(shí)代，再一次見證了新粒子的發(fā)現(xiàn)。

當(dāng)沃爾夫勒姆15歲的時(shí)候，他曾問過自己這么一些問題：“希格斯粒子的質(zhì)量是多少？”“它有著怎樣的衰變通道？”“它的總寬度是多少？”“它有多少∑介子？”“發(fā)生多少原子核變化？”直到現(xiàn)在，他也仍然會(huì)問自己這些問題。

1974年圣誕節(jié)期間，剛滿15歲的沃爾夫勒姆對(duì)希格斯粒子開始了狂熱的研究，發(fā)表了第一篇論文，推斷電子還存在子結(jié)構(gòu)，以及與之相關(guān)、令人激動(dòng)的一些現(xiàn)象。不過，無論一個(gè)理論看起來多么完美多么有趣，自然并不一定按照理論的腳步進(jìn)行，他研究的理論同樣如此。事實(shí)上，研究中觀察到的結(jié)果證明：這些物質(zhì)只不過是一種新夸克（組成強(qiáng)子的一種基本單元）的標(biāo)志，是再普通不過的。

在接下來的幾年里，更多的驚奇隨之而來。越來越多的證據(jù)表明世界上的確存在著一種更重的電子和μ介子——也就是T輕子。1977年7月，費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室又意外地發(fā)現(xiàn)了底夸克粒子。1977年夏，沃爾夫勒姆碰巧在離費(fèi)米國立加速器實(shí)驗(yàn)室不遠(yuǎn)的阿貢國家實(shí)驗(yàn)室研究粒子物理學(xué)。很有意思的是，在當(dāng)時(shí)人們對(duì)這個(gè)發(fā)現(xiàn)毫無興趣，人們只是淡淡地說“科學(xué)家又獲得了一個(gè)意外的粒子物理學(xué)發(fā)現(xiàn)，但是還有更多他們還沒發(fā)現(xiàn)的東西。”

事實(shí)證明事情并不是這樣的。35年來，當(dāng)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了新粒子時(shí)，人們根本沒有一點(diǎn)驚喜的感覺。（但是與宇宙學(xué)的眾多發(fā)現(xiàn)相比，微中子的發(fā)現(xiàn)是一個(gè)反例）。科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)確實(shí)發(fā)現(xiàn)了許多東西，比如W和Z玻色子、量子色動(dòng)力學(xué)的有效性和頂夸克。但是所有這些發(fā)現(xiàn)都在標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測之中，因此并沒有引起人們的驚訝。

毫無疑問，驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)測不是件容易的事情。碰巧有幾次，沃爾夫勒姆參與到了一線的驗(yàn)證工作中。1977年，他計(jì)算了質(zhì)子與質(zhì)子對(duì)撞中，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的粲粒子（基本粒子之一）產(chǎn)生的速率。但是根據(jù)一個(gè)關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際的速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于預(yù)測的速率。沃爾夫勒姆花了很長時(shí)間試圖找出出錯(cuò)的地方——到底是自己的計(jì)算出錯(cuò)了，還是基本理論有問題。但是最后，當(dāng)沃爾夫勒姆理解了應(yīng)用科學(xué)的方法后，他才發(fā)現(xiàn)出錯(cuò)的是實(shí)驗(yàn)，而不是理論。

1979年，當(dāng)沃爾夫勒姆在努力尋找膠子的時(shí)候，情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變。人們對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型太信任了，以至于計(jì)算還未完成，科學(xué)家就早早通過實(shí)驗(yàn)肯定了模型的預(yù)測。盡管過程又出現(xiàn)了小插曲，但是結(jié)果還是令人滿意的。由沃爾夫勒姆創(chuàng)立，用于分析實(shí)驗(yàn)的方法直至今天仍經(jīng)常得到使用。

到了1981年，沃爾夫勒姆的研究開始偏離粒子物理學(xué)，因?yàn)樗X得之前的研究工作過于基礎(chǔ)。即便如此，他還是常常關(guān)注粒子物理學(xué)界的動(dòng)態(tài)。因此，每當(dāng)沃爾夫勒姆聽到一些無法根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行解釋或者意外的發(fā)現(xiàn)時(shí)——無論這些發(fā)現(xiàn)是謠言或是機(jī)構(gòu)宣布的消息——他都會(huì)感到很興奮。但是，最后的結(jié)果都是令人失望。人們對(duì)每一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)都存在著疑問，甚至到了后來，人們認(rèn)為不同投資決策的期限之間都有著令人懷疑的相互關(guān)系。所謂的這些發(fā)現(xiàn)，在經(jīng)過一段時(shí)間后就會(huì)消散不見。最后只剩下了標(biāo)準(zhǔn)模型，人們自然也就沒有了驚訝。

經(jīng)歷了所有這些后，只剩下一個(gè)懸而未決的問題——希格斯粒子。當(dāng)時(shí)沃爾夫勒姆還不清楚用什么方法才能尋找看到它，不過只要標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，希格斯粒子就一定存在。

對(duì)沃爾夫勒姆來說，希格斯粒子和相關(guān)的希格斯機(jī)制就像一個(gè)不幸的黑客。在標(biāo)準(zhǔn)模型建立時(shí)，科學(xué)家采取了一個(gè)從數(shù)學(xué)角度看上去十分原始的理論，這種理論認(rèn)為每一種粒子是完全沒有重量的。但是事實(shí)卻是幾乎所有的粒子（光子除外）都是有重量的。希格斯機(jī)制就是為了在不打破原始數(shù)學(xué)理論所需特征的前提下解釋這一點(diǎn)。

究竟希格斯機(jī)制是如何進(jìn)行基本運(yùn)作的？標(biāo)準(zhǔn)模型中的每一種粒子都與一種波聯(lián)系在一起，而每一種波都在某種場內(nèi)傳播——就像光子與電磁場中傳播的波聯(lián)系在一起。一般而言，所有粒子的基本場平均振幅值為0。但是對(duì)希格斯場，科學(xué)家卻有著不同的設(shè)想。有科學(xué)家認(rèn)為，適用于希格斯場的數(shù)學(xué)方程式存在著非線性不穩(wěn)定性，正是這種非線性不穩(wěn)定性造就了存在于宇宙各處、有著非零平均場值的希格斯場。

于是科學(xué)家產(chǎn)生了這么一種假設(shè)：所有的粒子都與它的背景場保持著不斷的交互作用，正是通過這種交互作用，粒子才產(chǎn)生了質(zhì)量。但是這是一種什么樣的質(zhì)量？其實(shí)這種質(zhì)量是由粒子與其背景場交互作用的強(qiáng)度決定。推算下去，沃爾夫勒姆可以得出質(zhì)量是由科學(xué)家寫入模型中的參數(shù)決定。所以，為了獲取觀察到的粒子質(zhì)量，科學(xué)家必須為每一種粒子寫入?yún)?shù)，然后并將這些參數(shù)進(jìn)行整理，獲得粒子的質(zhì)量。

這種機(jī)制看起來是人為設(shè)計(jì)的，但是在某種程度上它卻行得通。另外，如果這個(gè)理論能預(yù)測粒子的質(zhì)量，那就更完美了。雖然在現(xiàn)實(shí)中它還不能預(yù)測粒子的質(zhì)量，但是將粒子與背景場之間交互作用的強(qiáng)度當(dāng)成它的質(zhì)量寫入模型，卻是十分合理的。

不過，還存在另外一個(gè)問題。為了獲得觀察到的粒子質(zhì)量，宇宙中無所不在的希格斯背景場必須有著極高密度的能量和質(zhì)量。希格斯場有著巨大的重力效應(yīng)——事實(shí)上，這種重力效應(yīng)大到足以將宇宙卷成一個(gè)小球。為了回避這個(gè)問題，科學(xué)家又假設(shè)基本重力方程中有一個(gè)參數(shù)（一種宇宙常數(shù)），能夠以極高的精度抵消希格斯場的能量與質(zhì)量效應(yīng)。

如果這種解釋看起來還說得過去的話，那么讓我們回頭看看沃爾夫勒姆在1980年關(guān)注到的事情：這種高精度的抵消無法經(jīng)受住宇宙大爆炸早期的高溫，帶來的結(jié)果就是宇宙膨脹的過程中必定會(huì)產(chǎn)生自轉(zhuǎn)突快的情況。他通過計(jì)算得出這種自轉(zhuǎn)突快不會(huì)太強(qiáng)烈，但是如果這個(gè)理論使用過了頭，就可能導(dǎo)致巨大的干擾和早期宇宙膨脹的場景。

回到1980年，人們似乎覺得除非是標(biāo)準(zhǔn)模型是不正確的，否則人們很快就可以觀察到希格斯粒子。

科學(xué)猜想希格斯粒子的質(zhì)量可能是10Gev（大約是10個(gè)質(zhì)子的質(zhì)量），按照這種猜想，現(xiàn)行的或者新一代的粒子加速器能夠觀察到希格斯粒子的蹤跡。但是科學(xué)家始終都沒有發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。每當(dāng)建立一個(gè)新的粒子加速器，科學(xué)家就會(huì)討論這個(gè)加速器最后會(huì)怎樣發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。不過這種情況從未發(fā)生過。

早在1979年，沃爾夫勒姆就研究過標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子可能含有的質(zhì)量。由希格斯場不穩(wěn)定性產(chǎn)生的質(zhì)量有可能讓整個(gè)宇宙陷入不穩(wěn)定中。另外沃爾夫勒姆發(fā)現(xiàn)，如果有質(zhì)量在300Gev以上的粒子存在，那么上述的情況是有可能發(fā)生的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)讓他對(duì)頂夸克感到十分好奇——因?yàn)楫?dāng)時(shí)幾乎已經(jīng)確定頂夸克是存在的，可是卻一直沒有發(fā)現(xiàn)它。直到1995年，質(zhì)量為173GeV的頂夸克才出現(xiàn)在人們視野中——這也告訴了沃爾夫勒姆，在宇宙總體的不穩(wěn)定之外還存在著驚人稀少的穩(wěn)定狀態(tài)。

希格斯粒子的質(zhì)量也有界限范圍。一開始，這些范圍比較大（低于1000GeV），但是慢慢地，范圍越來越小。經(jīng)過了大量的實(shí)驗(yàn)和理論工作后，去年科學(xué)家基本可以確定希格斯粒子的質(zhì)量范圍是110到130GeV之間。所以，某種意義上，當(dāng)人們今天聽到科學(xué)家發(fā)現(xiàn)質(zhì)量為126GeV的希格斯粒子時(shí)，就不會(huì)感到意外了。不過，科學(xué)家清楚地看到希格斯粒子的一瞬間是一個(gè)重要的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻象征著持續(xù)了40年的希格斯粒子研究終于畫上了句號(hào)。

當(dāng)然，在過去30年里，粒子物理學(xué)經(jīng)歷了一段很長很艱難的過程。上世紀(jì)50年代，當(dāng)科學(xué)家鄭重開始粒子物理學(xué)研究時(shí)，人們覺得這只是對(duì)之前研究的一種延續(xù)，對(duì)“曼哈頓計(jì)劃”也只持一種無所謂的態(tài)度。到了六、七十年代，科學(xué)家取得的新發(fā)現(xiàn)越來越多，粒子物理學(xué)的道路也越來越光明。直到八十年代，粒子物理學(xué)才真正成為一門獨(dú)立的學(xué)科，開始吸引越來越多的人才進(jìn)入該領(lǐng)域的研究。不過，在1993年，當(dāng)取消超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)項(xiàng)目時(shí)，粒子物理學(xué)很顯然已經(jīng)失去了在世界基本研究領(lǐng)域中的一席之地。

如果標(biāo)準(zhǔn)模型是正確的，那么7月4日的消息似乎是我們這一代人在粒子物理學(xué)中能夠?qū)ふ业降淖詈笠粋€(gè)重大發(fā)現(xiàn)。當(dāng)然，人們現(xiàn)在對(duì)此仍然感到驚喜，但是究竟人們應(yīng)將多少希望寄托在這些驚喜上還不甚明朗。

照這樣看來，建立粒子加速器是否值得呢？不論發(fā)生何事，把握現(xiàn)今的知識(shí)主線和如何運(yùn)用這些知識(shí)顯然有著巨大的價(jià)值。掌握粒子能是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)，在粒子能領(lǐng)域，人們無疑可以觀察到新的現(xiàn)象。沃爾夫勒姆有很長一段時(shí)間都認(rèn)為投資在粒子加速（比如讓更少的粒子具備更大的質(zhì)量）上的新想法上也許是最好的辦法——盡管這種投資無疑是有風(fēng)險(xiǎn)的。

未來，在粒子物理學(xué)上的新發(fā)現(xiàn)能夠給我們馬上帶來新發(fā)明或者新技術(shù)嗎？就在幾年前，像“夸克爆炸”這樣的概念看起來都是可能的。

但是將來，這種情況就不會(huì)發(fā)生了。的確，科學(xué)家可以將粒子束應(yīng)用于輻射效應(yīng)中，但是沃爾夫勒姆卻不太期待可以在短時(shí)間內(nèi)看到像μ介子電腦、反質(zhì)子引擎或者中微子斷層攝影系統(tǒng)這樣的發(fā)明。不過當(dāng)科學(xué)家尋找到（但是顯然是不可能的）將粒子加速器微型化的方法時(shí)，情況又不一樣了。

經(jīng)過足夠長的一段時(shí)期后，人們從歷史的角度發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)研究是最好的投資項(xiàng)目，粒子物理學(xué)也不例外。而沃爾夫勒姆希望粒子物理學(xué)取得的偉大技術(shù)成果更多是依賴?yán)碚摰陌l(fā)展，而不是實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。如果有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)如何從真空創(chuàng)造出能量或者如何超光速地傳輸信息，可以確定的是與其通過使用實(shí)驗(yàn)結(jié)果，倒不如用一種全新、意想不到的方法應(yīng)用理論，去驗(yàn)證他的發(fā)現(xiàn)。

標(biāo)準(zhǔn)模型一定不會(huì)是物理學(xué)的終點(diǎn)，人們對(duì)它還存在一些明顯的知識(shí)缺口，比如我們?nèi)匀徊幻靼紫窳Ｗ淤|(zhì)量這樣的參數(shù)為何是這樣的。我們不明白重力是如何發(fā)揮作用，更不明白宇宙學(xué)中觀察到的種種現(xiàn)象。即使我們能解答所有這些問題，接下來又會(huì)怎么樣呢？我們又將面臨新一輪的知識(shí)缺口和問題。所以，從某種意義上說，前方總有著新的物理發(fā)現(xiàn)等待著我們?nèi)ヌ綄ぁ?/p>

沃爾夫勒姆過去也常常都是這樣假定的，但是從他有關(guān)《新科學(xué)》的工作中，又產(chǎn)生了不同的看法，我們所看到的豐富多樣的宇宙可能是源自于某種相當(dāng)簡單的基本規(guī)則或者基本理論。

有很多東西都在討論這兩個(gè)問題：這種基本規(guī)則到底是什么樣的？科學(xué)家們又是怎么發(fā)現(xiàn)它的？但重要的是，如果規(guī)則真的很簡單，那么人們原則上不需要了解太多信息，不需要確定這到底是一種什么規(guī)則。

在沃爾夫勒姆研究的一些特定類型的低級(jí)模型中，他已經(jīng)可以推斷出狹義和廣義相對(duì)論，并得到一些關(guān)于量子力學(xué)的線索。但是在物理學(xué)中，存在更多我們了解但卻無法復(fù)制的東西。

從目前得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，我們知道的東西足以使我們確定這到底是一個(gè)怎樣正確的終極理論——前提是假設(shè)這是一種非常簡單的理論。但是如果這種理論像下面所描述的，我們就無法弄清這到底是一種怎樣的理論：它弄清了空間維數(shù)和渺子與電子質(zhì)量比，但卻搞錯(cuò)了希格斯質(zhì)量或者一些尚未發(fā)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

當(dāng)然，現(xiàn)在只有通過那些新的發(fā)現(xiàn)，才可以弄清楚這種終極理論到底是什么樣子，但是沃爾夫勒姆卻認(rèn)為我們根本不需要更多的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，只需要在已掌握的知識(shí)基礎(chǔ)上投入更多的精力去探索。在探索這個(gè)理論的過程中，有可能出現(xiàn)這么一種狀況，那就是人力和計(jì)算機(jī)資源的花費(fèi)可能比粒子加速器實(shí)驗(yàn)的花費(fèi)要少得多。

最后，我們也許會(huì)發(fā)現(xiàn)，在弄清終極理論過程中，我們需要的數(shù)據(jù)早在50年前就有了，但是我們現(xiàn)在仍不確定終極理論是什么。一旦出現(xiàn)了一個(gè)比較可靠的終極理論，就意味著需要做新一輪的粒子加速器實(shí)驗(yàn)。那時(shí)，最尷尬的情況應(yīng)該是我們還沒有研制出我們需要用來試驗(yàn)的粒子加速器。

（編輯：楊磊）