從無窮小到無窮大：宇宙新視覺

近年來，科學家已經展開了對粒子物理、天體物理和宇宙學交叉領域的探索，所有這些努力都在逐步模糊粒子物理學或天體粒子物理學的界線。

向規模要效益

在阿根廷西部安第斯山脈附近，一個蔓延數百千米的大草原被灌木和草場所覆蓋，它或許是喂養牛羊的最佳地方，或許是拍攝西部電影的理想寶地，又或許是在一個風清月明的夜晚凝視滿天繁星、暢想宇宙奧妙之地。然而．1980年諾貝爾物理學獎獲得者、美國芝加哥大學的粒子物理學家詹姆斯·克羅寧，為了捕獲來自深空的粒子(這些粒子攜帶了比地球粒子加速器大幾百萬倍的能量)卻選擇了這里．以圖解決天體物理學中一個長期懸而未決的問題。

克羅寧及其同事在草場上鋪設了1600個探測器(探測器之間相距1.5千米)，當宇宙射線沖入大氣時，這些探測器便可以探測由此產生的雪崩粒子。如果像預計的那樣，幾年后他們就將發現宇宙射線的源頭。“目前還無法做到這一點。如果能做到的話那將是一個巨大的突破。”，克羅寧說。他因發現在物質和反物質之間的細微不對稱性而分享了1980年的諾貝爾物理學獎，也就是眾所周知的CP破缺。忠實于物理學家所受的訓練，克羅寧信奉一個簡單的信條：“向規模要效益。”

粒子天體物理學的進步不僅完善了粒子物理學，而且也改變了天體物理學和天文學。粒子物理學家已經習慣了在對撞機前從事大量的實驗，他們把許多技術和實驗方法引入了這個領域，從而使得該領域的實驗無論在尺度上還是復雜度上都取得了長足的進步。“你正在為這個領域(天文學和天體物理學)引入所需的新文化和新方法。”美國芝加哥大學粒子物理學家布魯斯·溫斯坦說，目前他從事大爆炸的余輝(宇宙微波背景輻射)的相關研究。

然而，粒子天體物理學能否持續繁榮則依賴于計劃中的實驗是否能得出有希望的發現。事實上，一些人指出，這個領域的未來可能部分依賴于大型強子對撞機的新發現。

宇宙之關聯

就天體物理學而言．在某種程度上粒子物理學正在重返過去。1932年。物理學家通過宇宙射線首次發現了反物質——反電子，或稱為“正電子”。幾年之后，他們發現了超出組成我們日常生活物質的第一種粒子——d介子(粒子天體物理學從空間上已經超出了粒子的研究范疇)，把粒子物理學的研究領域變成了宇宙學和天文學的領域。在這個領域中，盡管粒子物理學家有時看不到任何粒子，但他們卻正在追逐宇宙中最神奇的畫卷。

大多數物理學家認為．這一領域的發展可以追溯到20世紀七八十年代的宇宙學和粒子物理學概念的連接。如理論物理學家們意識到了宇宙中氦的豐度給中微子種類設定了限制(現在發現有3種中微子)；而當觸及大爆炸理論時，一些物理學家則注意到CP破缺大概解釋了為什么宇宙包含了如此多的正物質和如此少的反物質。

如此的聯系使得粒子物理學和宇宙學變得無法區分，以至于歐洲核子中心的理論物理學家喬納森·埃利斯發現，很難區分什么時候他寫的是有關粒子物理方面的文章，什么時候又是有關宇宙學的文章。而受到近些年重大發現的影響，很多原先從事實驗的科學家已經加入到了粒子天體物理學的行列中。

另一個領域是通過研究遠距離恒星爆發來追溯宇宙膨脹的歷史。1998年，兩個小組分別獨立地報告了最遠的超新星要比所預計的還遙遠，從而顯示了宇宙的膨脹是加速的。這一驚人的發現表明了某種神奇的“暗能量”充滿了整個宇宙空間。2003年，根據NASA的威爾金森探測器的觀測數據，科學家支持了上述革命性的觀點——通過分析宇宙微波背景輻射的微小溫度變化，發現宇宙中有7％的暗能量、24％的暗物質和僅僅5％的普通物質。

伯克利國家實驗室的粒子物理學家納塔利·羅說，暗能量和暗物質的概念已經點燃了科學家想象的火種，“既然已經意識到夸克僅占宇宙的5％，我想他們很自然地要問余下的95％是什么。所以對于粒子物理學家而言，暗能量和暗物質是進一步探尋的目標”。

開始行動

當科學家解釋“轉行”到粒子天體物理學時，絕大多數人表示，他們是被這一領域的誘人前景所驅使。“在標準模型被最終敲定和論證以前，粒子物理學領域是最令人興奮的。”美國理論物理學家史蒂文·溫伯格說。其1979年因在標準模型上的貢獻而獲得了諾貝爾獎，目前正在從事宇宙學的研究。“在宇宙學里，許多問題更加開放。”

納塔利曾花費10年時間研究夸克的性質。她認為，當研究者不知道從實驗中能期望得到什么的時候，就需要拓展新的領域了。還有其他科學家表示，他們轉向粒子天體物理學是為了尋求一個更加適宜的工作環境。華盛頓天主教大學的粒子物理學家丹尼爾·阿克里波說，他之所以離開了對撞機研究，是想在新的領域中有更多親身實踐的機會。現在他加入了低溫暗物質搜尋計劃的研究中。

美國的大衛·西納博曾在費米國家加速器實驗室工作，但2005年美國能源部突然終止了這個項目，使他面臨著進退兩難的境地。西納博本可以參加LHC的研究，然而他卻加入了斯隆數字巡天這一全新的天文學嘗試(使用2.5米光學望遠鏡繪制1／4天區中的所有天體)。西納博現在正從事超新星和暗能量的研究。“好像又回到了大學時代，就像剛進入大學的學生一樣無知。”盡管如此，他還是為他的決定感到高興。

而少數幾個科學家表示，他們從事粒子天體物理學的研究純粹是為了好奇。“對我而言，這是一個不花錢就能去南極探險的機會。”美國的大衛·貝森開玩笑說，他目前正在南極從事中微子探測器原型機的研究。在南極麥克默多考察站的電話采訪中貝森說，探測宇宙中粒子撞擊冰面所產生的射電信號是一件浪漫的事情，“這就像把你帶回到了5歲大的時候，充滿了好奇，但是在我成長的新澤西州是無法做到這一點的”。重組設備

隨著對粒子天體物理學研究的深入，經費也注入到了相關的研究領域。如2000年美國國家自然科學基金會設立了一個粒子和天體物理學項目，現在每年有1600萬美元的預算。從1994年至今，英國在為粒子物理和天文研究委員會正常撥款的同時，還另外為粒子物理學、粒子天體物理學和天文學提供了經費。然而，正如粒子天體物理學的發展擴充了粒子物理學的研究范圍一樣，也由此改變了天文學和天體物理學。

顯然，粒子物理學家還帶來了通往新的探尋之路所必需的技術。如NASA發射的γ射線大視角空間望遠鏡，給天文學家打開了一扇能窺視宇宙甚高能量光子的窗口。或許更為重要的是，粒子物理學家對把技術、管理和資金推向極限的大項目喜愛有加。“他們是那些習慣于對大事毫不懼怕的人。”在2003年10月～2006年4月間任美國國家自然科學基金會數學和物理學理事會副主任的芝加哥大學宇宙學家邁克爾·特納說。隨著粒子物理學家進入了天體物理學和宇宙學的領域，他們“向規模要效益”的風格正在加速項目規模的增長。

然而當粒子天體物理學發展之時，一些研究者對未來憂心忡忡。NASA的粒子物理學家、GLAST項目科學家史蒂文·里茨擔心，粒子天體物理學的興起會沖擊地面加速器計劃。“有時候，一些項目所傳達的意思是沒必要建造地面加速器，因為這在太空中就能做到，但是這并不正確。”受此影響，有些對撞機項目被喊停了，尤其是在美國。

最糟糕的是，粒子天體物理學的未來依賴于目前計劃中的實驗發現。斯坦福大學理論天體物理學家羅杰·布蘭德福認為，首要的大型實驗將來自于對暗物質的探測。“我們預先設想了暗物質是由超對稱粒子組成的，但是我們可能完全錯了。”如果假設是正確的，發現了超對稱粒子，粒子天體物理學的研究前景將日漸光明，反之，則會暗淡無光。

而目前，從事粒子天體物理學的科學家正為置身于如此年輕、充滿活力的領域而樂此不疲，其間充滿了重大發現的期望。