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叩响天堂之门：宇宙探索的历程 [:1700950060]
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叩响天堂之门：宇宙探索的历程
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只有在可以“看到”物质内部结构的工具被发明出来之后，科学家才得以解读物质的构造。“看到”这个词并非指直接观察，而是人们用以观测肉眼所不能见的尺度的间接测量技术。
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这往往很复杂。尽管实验结果往往充满挑战而且不直观，其实在性却毋庸置疑。物理定律（即便是在小尺度下）可以指出可测量的结果，而这些结果最终将被更高级的研究所发现。现在有关物质及其相互作用的知识是多年来的灵感、创新和理论发展的顶峰，使我们可以始终如一地解释各种实验结果。通过由伽利略在数个世纪前提出的间接测量方法，现在的物理学家们已经推断出了物质的核心是什么。
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我们接下来将要探索粒子物理学的现状以及引导我们至今日之态的理论洞见与实验现象。无疑，当我罗列出组成物质的要素及其发现方式时，这种描述看上去会像一张清单。当我们注意到不同尺度上这些不同要素行为之间的差异时，这张清单就变得更加有趣了。你所坐的椅子最终可以被还原成这些元素，但这个过程本身却复杂无比 。
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正如理查德·费曼俏皮地描述他的一个理论时所述[1] ：
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如果你不喜欢它，那么就去别处——也许其他宇宙的规则会更加简单……我将要告诉你的理论是适用于人类的，他们为了理解这些理论付出了无比艰辛的努力。如果你不喜欢它们，那这真是糟透了。
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也许你认为一些我们相信是事实的东西太过冗杂或者疯狂，以至于你不愿意接受它们。然而你的这种想法并不会改变自然界的确如此运作这一事实。
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我们需要更小的波长
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小尺度似乎很奇怪，因为它是人类所不熟悉的。我们需要探测器以观测小尺度上发生的事情。你正在阅读的这一页书（或者电子屏幕，如果你看的是电子版）的样子与真实存在于物质核心的事物极为不同。这是因为人类的“观看”这一特定动作需要依赖可见光。这些光由围绕着居于原子中央原子核在其轨道上旋转的电子发出。在图5-2中，可见光的波长是不足以让我们看到原子核内部样子的。
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我们需要更高级的手段（或者变得更冷漠，这取决于你如何看待这件事）来探测核子在小尺度上所发生的事情。我们需要更小的波长。要相信这一点并不难。我们来想象一种虚构的光波，它的波长与宇宙等长，这种波的任何作用都不可能提供任何足以确定事物空间位置的信息。除非这种波之中有能决定宇宙结构的更小的振动，否则我们就完全无法以这种波长的波为媒介来确定特定位置上的任何事物。这有点像用一张网覆盖一堆东西，然后试图在一团杂乱中找到被藏于其下的钱包的准确位置。你不可能找到钱包，除非你在更小的尺度看向内部，在更高的分辨率下去找它 。
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使用光波，你需要其有着正确间隔的波峰与波谷，即我们试图决定的不论什么事物尺度的变化，以确定某个事物的位置或者它的大小与形状可能的样子。你可以认为波长就是这张网的大小。如果除了它里面有一些东西之外我们一无所知，那么我就可以确定，只有当我们试图寻找的东西的大小与这张网同样大时，我们才能确定它。如果想要获得更多的信息，你需要一张更小的网，或者其他在更灵敏的尺度上搜寻更多变化的手段。
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量子力学告诉我们，波函数描述了在任何给定位置找到某个粒子的概率。这种波函数可能与光相关，或者是量子力学告诉我们的被单个粒子秘密携带的那种波。那些波的波长告诉我们使用粒子或者辐射探测小尺度时可能获得的结果。
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量子力学还告诉我们，波长越短，需要的能量就越高。这是因为它与频率相关，而这直接决定能量[24] ，所以频率最高、波长最短的波携带的能量最高。因此，量子力学把高能标与小尺度联系在一起，只有在高能标下运作的实验才能探测到物质的内部运作机理。如果我们希望探测物质的基本核心，那么这就是我们需要把粒子加速到极高能标探测器的最基本理由。
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量子力学的波函数关系式告诉我们，足够高的能量可以让我们探测到小尺度上的事物，以及相应尺度上发生的相互作用。只有使用更高的能标（因此必须有更短的波长），我们才能研究那些更小的尺度。量子力学中的不确定性原理告诉我们，小尺度与大动量相联系，而狭义相对论为我们提供了能量、质量与动量之间的关系，它们一起使得这些联系变得精确起来。
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在这些的基础上，爱因斯坦告诉我们，质量与能量是可以相互转化的。当粒子之间碰撞时，它们的质量可以转变为能量。所以在更高的能标上，根据E=mc2 ，更重的物质可以产生出来。这个方程意味着，更高的能量E允许具有更高质量m的更重粒子产生，而这种能量是普遍存在的，它可以产生任何在运动学上可以理解（或者说足够轻）类型的粒子。
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我们目前能达到的能标越高，能达到的尺度就越小，而那些创造出来的粒子是理解在那些尺度上所适用的基本物理定律的关键。任何在小尺度上突现的新高能粒子与相互作用都保留着解码所谓粒子物理学标准模型的线索，这描述了我们目前对物质最基本元素及其相互作用的理解。我们现在要考虑一些标准模型中的关键发现，以及目前应用的一些把已有知识向前推进一步的方法。
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把电子“扯开”
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每一次原子内部之旅的目标——绕核旋转的电子、质子与中子中被胶子“黏”在一起的夸克，都成功地在高能标与伴随的小尺度上被实验探测到了。我们已经知道，通过因为带有相异电性而存在的吸引力，原子中的电子被束缚在原子核附近。这种吸引力赋予这个束缚态系统（原子）的能量比那些带电的组分在孤立状态时的能量之和要低。因此，为了把电子孤立出来以供研究，我们必须提供足够的能量以把它们电离（ionize），这意味着把电子“扯开”以获得自由。一旦电子被孤立，物理学家们就可以研究它更多的性质，比如它的质量与它带有的电荷。
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原子核（原子中除去电子之外的部分）的发现更加奇妙。在一个粒子物理学实验中，欧内斯特·卢瑟福（Ernest Rutherford）与他的学生通过往薄如蝉翼的金箔上发射氦原子核，而发现了原子核的存在。那些α粒子[25] 拥有足够的能量，以让卢瑟福辨认出原子核中的内部结构。卢瑟福与他的同事们发现，他们发射到金箔上α粒子的散射角有时比理论值要大很多（见图6-1）。他们本期待α粒子应该如被发射到一张薄纸上一样被散射，然而实际情况却是，这些薄纸的内部好像有一些坚硬无比的石头。用卢瑟福自己的话来说就是：[2]
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这是我一生中最难以置信的发现。这就像你向一张薄如蝉翼的纸上发射了一个4.5米口径的炮弹，而它反弹回来并且打到了你身上一样不可思议。经过仔细考量，我意识到这种反弹的散射一定是单次碰撞的结果，而当我试图计算时，我发现不可能在那样巨大的数量级上产生任何有意义的结果。除非认为系统是这个样子的：大部分原子的质量都被集中在一个很小的原子核里。就是那时，我产生了‘原子具有一个载荷、微小而质量极大的原子核’的想法。
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图6-1 卢瑟福实验中在金箔上散射的α粒子（我们现在知道它就是氦原子核）。某些α粒子散射角预期之外的偏差说明，在原子的中心存在着一些集中的质量——这就是原子核。
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发现质子与中子中夸克的实验手段在某些方面与卢瑟福的方法非常类似，然而它需要比卢瑟福用过的α粒子还要高的能标。这种更高的能标需要粒子加速器，以把电子与质子加速到足够高的能标并发射出去。