第11章 物质的深层结构
刘慈欣在《三体》中不止一次提到粒子加速器，在他的作品全集中提到的次数就更多了。下面我们引用几处。
在《三体I》第一章第7页有这样的对话：
“你应该知道她的，”主任说，用手画了一大圈，“这个投资二百亿的加速器建成后，第一次运行的可能就是验证她提出的一个超弦模型。要说在论资排辈的理论研究圈子，本来轮不到她的，可那些老家伙不敢先来，怕丢人，就让她捡了个便宜。”
“什么？杨冬是……女的？！”
“是的，我们也是在前天见到她时才知道。”主任说。
这里不仅提到中国新建的加速器，还提到了超弦理论，这是我从研究生开始就进入并持续到今天的研究方向。不过，投资200亿这个数字不可靠，为什么？因为欧洲核子中心的大型强子对撞机就投人了90亿美元，至今连超对称的影子也没有看到。而比大型强子对撞机早一代的美国费米国立实验室只花费了不到3亿美元，可见更新一代加速器的费用增长将更加令人咋舌。在第17页，刘慈欣写道：
丁仪将手中的两杯酒都仰头灌下去，两眼直勾勾地看着台球桌，仿佛那是个魔鬼。“是的，发生了。近年来，基础理论研究的实验验证条件渐渐成熟，有三个昂贵的‘台球桌’被造了出来，一个在北美，一个在欧洲，还有一个你当然知道，在中国良湘，你们纳米中心从那里赚了不少钱。”
“这些高能加速器将实验中粒子对撞的能量提高了一个数量级，这是人类以前从未达到过的。在新的对撞能级下，同样的粒子，同样的撞击能量，一切试验条件都相同，结果却不一样。不但在不同的加速器上不一样，在同一加速器不同时间的试验中也不一样，物理学家们慌了，把这种相同条件的超高能撞击试验一次次地重复，但每次的结果都不同，也没有规律。”
将能量提高一个数量级，保守地估计，这台加速器的耗资至少是大型强子对撞机的10倍。当然，如果中国经济一直增长，这个投入也不是不可能。丁仪是刘慈欣另一部长篇科幻小说《球状闪电》的主角，也是短篇小说《朝闻道》的主角。在《朝闻道》中，出现了一台更大的加速器：
小车完全自动行驶，透明的车舱内没有任何驾驶设备。从车里看出去，钢管笔直地伸向前方，小车像是一颗在无限长的枪管中正在射出的子弹，如果不是周围的管壁如湍急的流水飞快掠过，肯定觉察不出车的运动。在小车启动或停车时，可以看到管壁上安装的数量巨大的仪器，还有无数等距离的箍圈，当车加速起来后，它们就在两旁浑然一体地掠过，看不清了。丁仪告诉她们，那些箍圈是用于产生强磁场的超导线圈，而悬在钢管正中的那条细管是粒子通道。
他们正行驶在人类迄今所建立的最大的粒子加速器中，这台环绕地球一周的加速器被称为爱因斯坦赤道，借助它，物理学家们将实现上世纪那个巨人肩上的巨人最后的梦想：建立宇宙的大统一模型。
这是人类在地球上能够建造的最大的加速器，绕地球一周，叫作爱因斯坦赤道。它被建造的目的是建立宇宙大统一模型，更加准确地说，是建立粒子物理学大统一模型。智子来到地球的第一目标，就是锁死地球人通过加速器对粒子物理的研究，可见粒子物理是多么重要。
在《三体Ⅱ》一书中，面壁者被选出之后，人类还在建加速器。书中提到：
丁仪从泰勒的肩膀上看看他，当雷迪亚兹说要制造两亿吨级以上的核弹时，洛斯阿拉莫斯国家实验室主任露出的就是这种眼光。“我说，你们还是不要浪费纳税人的钱吧。”
“说到浪费资源，到目前为止没有谁比你们这些物理学家做得更好：你们鼓动建造四个超级加速器，建了一半又都停下来放弃了，但已经投入了几百亿美元。”泰勒说。
“建新加速器不是我的提议，我一直认为用多建加速器的方法与智子赛跑愚不可及，所以我去了太空。”
可见，人类还是不死心。
很多很多年后，在威胁纪元结束后，程心从冬眠中醒来。为了将太阳系放入“人工黑域”，人类建设了环日加速器，这比《朝闻道》中的加速器还要大：
真空光速是宇宙基本常数之一，改变它就等于改变宇宙规律，所以，降低真空光速必须在物理学最基础的领域有所突破，这是一件可遇不可求的事。六十年来，基础研究真正的成果是环日加速器的诞生，而它的出现，直接导致了黑域计划中最大规模的研究项目——黑洞项目的实施。
科学家们一直试图通过各种极端的物理手段对光速产生作用，曾经生成有史以来最强的人造磁场。但对真空中的光产生作用，最好的选择是引力场，不过在实验室中产生局部强引力场极其困难，唯一可能的途径是黑洞，而环日加速器能够制造微型黑洞。
黑域与黑洞有关，我们在第四章中已经讨论了。那么，人类建立大统一理论的目的是什么？大统一理论为什么这么重要？加速器与微型黑洞有什么关系？这是我们在这一章中主要讨论的问题。
粒子动物园
我们在上一章中为了探索水滴的材料是否可能实现，回顾了物质的各种物态，提到了物质的原子理论，原子中的电子、质子和中子，质子和中子中的夸克。现在，我们该系统地回顾一下人类对物质最深层结构的认识了。
虽然我们肉眼看不见电子，但电子算是我们最熟悉的粒子了。老式电视机的荧光屏就是靠电子打亮的。电子是被人类发现的第一种基本粒子。1896年，英国物理学家汤姆森首次证明阴极射线是由带电的粒子组成的，这些粒子就是电子。他还正确地估计了电子的质量和电荷，质量大约是氢原子的千分之一（其实是两千分之一）。
光子可以说是第二种被发现的基本粒子，也可以说是第一种被发现的基本粒子，这和光的理论历史有关。牛顿就认为光是由粒子组成的，他的观点主导了光的理论长达100多年。虽然早期如笛卡儿、惠更斯等人认为光是波，但直到1803年杨用实验演示了光的干涉、菲涅尔在1815年发现了光的衍射之后，光是波的理论才被大家接受。严格地说，光不是第一种被发现的粒子，因为牛顿理论中的粒子并没有具体实验的支持。到了1905年，爱因斯坦提出光的量子说，认为存在一个具体的带有能量和动量的光粒子，解释了光电效应，光子才渐渐被人们接受。光既是波也是粒子，是量子论不确定性原理的第一个重要体现。
卢瑟福和玻尔用电子和原子核建立了原子理论。在这个理论中，每个原子的中心是原子核，外围是电子。量子力学发现后，人们更认识到，围绕原子核的是不确定的电子，或直观地说，是电子云。
可以说，质子是继电子和光子被发现后的第三种粒子，可惜它不是基本粒子。质子的发现者是著名的卢瑟福。中子是继质子之后被发现的第四种粒子，但也不是基本粒子。中子和质子都是由后来发现的夸克组成的。
在发现原子核的衰变现象之后，人们慢慢地建立起了原子核理论，认识到原子核都是由质子和中子构成的。原子核的研究极大地影响了人类的战争和工业进程，如原子弹、中子弹的发明和核反应工厂的建立。
第三种被发现的基本粒子其实是缪子，这是美国物理学家安德森于1936年在宇宙射线中发现的。缪子是一个完全出乎我们意料的粒子，因为它的性质非常像电子，比电子重了大约200倍，却在我们的日常生活中不起任何作用。缪子不稳定，因为它很重，所以会衰变为电子和中微子。物理学家对它的存在不理解，用物理学家拉比的话说:“谁订购了它？”
按理说，关于中微子的预言要比缪子的发现还早，但物理学家直到1956年才发现中微子。必须严谨地说，柯文和莱尼斯在1956年发现的是电子型中微子，我们将其简称为电中微子，因为这种中微子只在中子衰变为质子和电子的过程中出现。除了电中微子，还有缪中微子和陶中微子，它们与缪子以及陶子的关系，就像电中微子与电子的关系。按照时间顺序，电中微子是第四种被发现的基本粒子。
第五种被发现的基本粒子是缪中微子，时间是1962年，发现人是莱德曼等。
第六种和第七种被发现的基本粒子是组成质子和中子的两种夸克——上夸克和下夸克。1964年，盖尔曼和茨威格预言了夸克的存在。1968年，美国斯坦福加速器验证了它们的存在。因为夸克不可能单独存在，所以我们只能说夸克的存在证据是间接的，但间接证据已经足够了。盖尔曼和茨威格的理论告诉我们，质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成。由于上夸克带有2/3个质子电荷而下夸克带有-1/3个质子电荷，这很好地解释了质子的电荷和中子的无电荷。因为上夸克比下夸克轻，所以质子比中子轻。
很难说奇异夸克是否是第八种被发现的粒子。早在20世纪40年代，物理学家就已经发现了奇异粒子。按照盖尔曼等人的理论，奇异粒子又由奇异夸克和上夸克或下夸克组成，因此，物理学家1968年验证了上夸克和下夸克的存在后，当然也就验证了奇异夸克的存在。
不久，第四种夸克，粲夸克在1974年被丁肇中和里赫特发现。这个发现十分轰动，因为粲夸克是一些理论物理学家根据量子论的自洽性预言的，而不是因为发现了什么类似奇异粒子的粒子而推测出来的。这算是第九种被发现的基本粒子。
第十种被发现的基本粒子是电子和缪子的大哥——陶子。它的性质和电子以及缪子十分接近，和缪子一样，对我们的世界几乎没有什么影响。我们可以问同样的问题一谁订购了它？陶子的发现时间是在1974—1977年。
物理学家发现了四种夸克后，为了解释所谓的宇称加电荷不守恒（理论上，这等于时间反演后物理学定律被改变，也就是说，在基本粒子世界，电影倒过来放与电影正放原则上是不同的），两位日本物理学家小林诚和益川敏英预言了第五种和第六种夸克，即底夸克和顶夸克。因为底夸克相对轻，1977年就被莱德曼领导的团队发现了。这是第十一种被发现的基本粒子。
是什么将不同的夸克胶合在一起形成质子和中子以及其他类似的粒子？20世纪70年代初，理论物理学家提出了量子色动力学，认为每一种夸克都带三种“颜色”，这些“颜色”就像电荷一样引发色荷之间的吸引力，而传递吸引力的基本粒子叫胶子。欧洲实验物理学家在1978—1980年间证实了胶子的存在。胶子有八种，我们这里对它们不加区分，认为它们是第十二种被发现的基本粒子。
光子传递电磁相互作用，胶子传递强相互作用。那么，就该有基本粒子传递弱相互作用，这些粒子叫中间玻色子。这些粒子在1983年被欧洲物理学家发现，共三种，我们这里也不加区分。中间玻色子是第十三种被发现的基本粒子。
第十四种被发现的基本粒子是最后一种夸克——顶夸克。本来，美国国立费米实验室的“太电子伏加速器”（这台加速器的命名与能量有关，它能够将质子加速到一个太，即10 12 电子伏）的建造是为了发现所谓的上帝粒子，结果，直到2011年被关闭，上帝粒子也没有在这台加速器上出现，不过美国物理学家用这台机器在1994年发现了顶夸克。
既然有陶子，当然就该有陶中微子。随着顶夸克的发现，美国国立费米实验室的物理学家终于在2000年发现了陶中微子，它是第十五种被发现的基本粒子。
最后一种基本粒子——希格斯粒子或上帝粒子，需要一台全新的能量最强的加速器，这就是欧洲核子中心的大型强子对撞机。经过戏剧性的建设、启动和修复，这台机器终于在2012年7月之前证实了上帝粒子的存在。
至此，物理学家发现了所谓粒子标准模型中的全部粒子。从1896年电子的发现到2012年上帝粒子的发现，历时116年。
所有这些基本粒子都统一在一个完整的理论之下，这个理论叫标准模型。
基本力
前面我们按照发现顺序罗列了物理学家已经发现的基本粒子。过去一个多世纪是人类发现和归类这些粒子的辉煌时代。
人们先发现了电子，后来才知道电子是原子的组成部分，并且，电子在将多个原子结合成分子的过程中起到很重要的作用。一些电子要么被分子中各个原子核所共有（即围绕多于一个原子核运动），要么产生结合原子的力。分子和原子物理基本上就是研究电子在不同原子核的电磁场中运动的理论。因此物理学家说，电磁力的量子论足以解释全部化学。
但辐射化学是例外，这就涉及原子核的结构。原子核是核子，由质子和中子组成。结合核子的力由核子之间交换介子产生，但更加基本的是核子中的夸克之间的力。夸克、胶子之间的力学是解释核子结构、原子核结构以及核子高能碰撞过程的基本原理，这些原理在20世纪70年代初被物理学家简化为强相互作用的量子色动力学。这是因为，夸克和胶子都带有色荷，色荷是强相互作用的基本单位，就像电荷是电磁相互作用的基本单位一样。
物理学家知道了强相互作用的原理，但还远远不能用这些原理计算一切细节。在电磁学中，电荷之间的力由电荷交换光子产生，但光子本身不带电，因此光子之间的相互作用比较简单。强相互作用不同，夸克带色荷，因此夸克交换胶子。胶子类似光子，但与光子不同的是，胶子本身也带色荷，所以胶子之间也交换胶子，这使得量子色动力学在数学上变得非常复杂，物理学家只能用计算机来计算涉及胶子和胶子之间相互作用的过程。物理学家甚至不能严格计算核子的质量，因为核子质量的主要来源不是组成核子的夸克，而是胶子之间的相互作用能。
19世纪末，物理学家不仅发现了强相互作用诱发的原子核衰变，也发现了弱相互作用。这种弱作用出现在中子衰变为一个质子和一个电子外加一个中微子的过程中。弱相互作用诱发的衰变时间很长，这是因为弱相互作用很弱。直到20世纪60年代末，物理学家才弄清弱相互作用的基本原理，类似电磁相互作用和强相互作用，夸克之间也交换一种新的粒子，就是中间玻色子。因为中间玻色子很重，大约是质子的100倍，所以弱相互作用的力程很短，同时也很弱。夸克之间会交换中间玻色子，导致弱相互作用力。在夸克之外，还存在所谓轻子，最常见的轻子是电子，与电子类似还有缪子和陶子，比电子重，都带一个负电荷。对应每一个带负电荷的轻子，还存在不带电但更加轻的轻子，叫作中微子。电子、缪子、陶子以及它们对应的中微子也交换中间玻色子，从而导致这些粒子之间的弱相互作用力。
到了20世纪70年代，物理学家完全弄清了以上三种相互作用的基本原理。这些力的理论很类似，都叫规范理论，或杨-米尔斯理论。这个理论是杨振宁和米尔斯在20世纪50年代写下的。杨振宁和米尔斯当时并不知道所有相互作用都能用他们的理论解释，他们以为核子之间的力是由交换类似光子的粒子导致的。后来，这个想法被证明是错误的，但数学上，这个理论却非常有用，可以用在夸克之间的相互作用上，也可以用在轻子（即电子和电中微子等粒子）上。
早在20世纪70年代，描述三种相互作用的理论已经被物理学家称为标准模型。今天，我们经常用粒子标准模型来称呼这个理论，因为在此之外还存在宇宙学标准模型--——一个尚未真正完成的宇宙学理论。
粒子标准模型非常成功，从20世纪70年代开始，实验物理学家多次验证了这个理论，直到在2012年发现了标准模型的最后一个粒子——希格斯粒子，俗称上帝粒子。
希格斯粒子在整个标准模型中的位置非常特别，它既不像夸克和轻子那样被称为物质粒子，也不像光子、胶子和中间玻色子那样被称为传递力的规范粒子，但它必须存在。没有希格斯粒子，夸克和轻子就不会有质量。
这是为什么？在杨-米尔斯理论中，我们可以给物质粒子以质量，却不能给传递力的规范粒子以质量，否则理论就会出问题，这是量子力学引起的麻烦，我们不去深究。1964年，希格斯独立于另外两组物理学家发现，如果存在一种新的粒子，不带任何自旋，让新的粒子也传递规范粒子，这样，新粒子之间与规范粒子就发生相互作用，这种相互作用使得规范粒子变成有质量的粒子。这个数学方案后来叫希格斯机制。
到了20世纪60年代末，温伯格发现，我们也可以利用希格斯粒子使得夸克和轻子都带有质量。
希格斯机制的数学理论不太容易用通俗的方法解释给大众，但有一个不严格却很形象的解释：
假如将一个粒子看成一位名人，而希格斯场是充满空间的前来瞻仰名人的人群。名人穿过人群时，会被人群中的人拉住握手、签名和合影。他穿过人群的速度肯定远远慢于他穿过一个完全无人空间的速度。这是粒子质量的来源。名人越有名，速度越慢。同样，粒子与希格斯场之间的作用越大，粒子的质量就越大。
一个更加准确的解释是，当粒子穿过充满希格斯场的空间时，它不断地吸收和辐射希格斯场，使得粒子穿过空间的难度加大，这就体现在质量的产生上。
在写这本书的时候，希格斯粒子的发现基本成立，大型强子对撞机正在升级。在对撞机升级之后，希格斯粒子更多的性质将被测量。可以预见，希格斯本人以及相关的一些人将获得诺贝尔物理学奖 ① 。
物理学家在熟知宇宙中的基本相互作用后，就能够解释观测到的一切物理现象，甚至能够解释宇宙的演化。这是为什么在《三体》三部曲中基本物理学与加速器紧紧地联系在一起的原因。
虽然我们在第二章到第五章中谈到了万有引力与弯曲时空，但我们在谈到基本相互作用的这一节中却没有提到万有引力。这是为什么？因为万有引力看上去与其他三种相互作用非常不同，粒子标准模型不包含万有引力。
大统一
要发明一种既包含粒子标准模型又包含万有引力的理论，我们必须克服很大的困难。这些困难是什么？
万有引力是近代科学最早确定的自然界中的基本力。牛顿的万有引力理论比法拉第和麦克斯韦的电磁力理论早了一个半世纪到两个世纪，在解释天体运行、潮汐以及预言新行星方面取得了了不起的成就。但是，到了爱因斯坦时代，我们才发现牛顿理论并不完美，在原理上，可以说完全不正确，因为它假设两个质量之间的超距作用。
在爱因斯坦理论中，万有引力成了弯曲时空的效应，时间和空间本来是一切物质存在和运动的舞台。这样，万有引力表面上看起来与其他三种相互作用完全不同，其他相互作用假定时间和空间是固定的，作用力是物质固有的电荷、色荷等引起的，而万有引力的起源虽然是能量和动量，但传递力的不是光子这样的量子，而是时空本身。
可是且慢，如果我们从一个固定的时空出发，考虑时空对这个固定时空微小的偏离，爱因斯坦理论中出现了类似光子的东西，就是引力波。因此，传递万有引力的媒介既可以看成时空，也可以看成类似电磁波的引力波。对应于电磁波有光子，那么对应于引力波就该有引力子。
可是直到今天，物理学家仍然没有直接观察到引力波，普通万有引力与引力波的关系，就像静电力与电磁波的关系。在19世纪，人们先研究了静电力和静磁力，直到麦克斯韦之后的赫兹，才观测到电磁波（光波虽然早已被确定，却不知道原来就是电磁波）。同样，我们对静止的万有引力非常了解，甚至观测到了黑洞，但迟迟没有发现引力波。引力波只有在观测脉冲星的双星系统时才能被间接地观测到，这种双星系统辐射引力波的功率足够大，使得能量损耗得很快，但天文学家也只是看到了损耗的后果，即双星之间的距离越来越小。
没有任何物理学家怀疑引力波的存在（关于引力波，我们将在第十八章中仔细讨论）。主流理论物理学家认为，万有引力虽然表现为时空的作用，但它和其他三种力本质上并不是完全不同。
这就引发了长达半个世纪的大统一追求：物理学家苦苦地想将万有引力和其他三种力统一起来，认为它们的深层起源是一样的，就像电力和磁力，它们的深层起源是电荷和电流。由于引力的高度复杂性，没有一个对量子场论和弯曲时空的简单推广可以将四种相互作用统一起来。
从20世纪70年代初到现在，在寻求统一的过程中，物理学家以惊人的努力和毅力，发明了一系列理论，包括超对称、超引力、超弦理论，直到最后的膜理论，最后似乎看到了希望，膜理论应该是统一世间所有物理规律的真命天子。然而，检验一个理论真伪的不是理论本身，而是实验。
欧洲人和美国人投入空前的人力物力建设了大型强子对撞机，目的不仅仅是去寻找粒子标准模型中的最后一种粒子，还包括寻找标准模型之外的第一种粒子、对超对称的检验，甚至发现超弦理论的证据。可惜，直到这台机器在2013年年初暂时关闭，近万名为这台机器工作的物理学家和工程师们都没有发现任何超出标准模型之外的东西。
《三体》一书中的杨冬提出了一个超弦模型。中国建造了一台加速器来检验她的理论，但在得到检验之前，智子已经封死了这个可能，杨冬自杀了。如果以粒子物理学现状来衡量，现在还没有达到杨冬所处的那个水平呢……要么，智子还没有到地球，因为中国还没有建造任何可以与美国和欧洲大型加速器相比拟的加速器；要么，智子已经封死了大型强子对撞机。
更多的理论
在超弦理论这个最为时髦的统一理论之外，人们还构造了各色各样的超出粒子标准模型的理论。
其中最为流行也最吸引公众注意力的是大额外维理论。其实，超弦理论中也存在额外维，这些是我们日常三维空间之外的空间维，我们平常不可能看到它们，因为它们的尺度实在太小。在超弦理论中，额外维的大小通常被认为比物理学家在三维空间探测到的最短距离还要小，这个最短距离在大型强子对撞机上达到了空前的10- 18 厘米，但是这比超弦理论中最小的尺度10 -33 厘米还要大15个量级。如果额外维是这个最小的尺度，大型强子对撞机当然不可能探测到。
一般认为，最小的黑洞的大小也是10 -33 厘米，根据第六章中的不确定性原理，这个尺度非常小，对应的能量或质量很大，大到10 -5 克。记住，质子的质量不过10 -24 克，这样的质量是质子的10 19 倍。现有的加速器上单个粒子的质量当然远远比这个质量小，也就是说，现有的加速器不可能产生哪怕是最小的黑洞。
假如有额外维，情况会怎么样？理论物理学家发现，如果有额外维，小黑洞的引力使得空间在额外维中也会弯曲，这样，小黑洞不必太重也会形成一个界面让光逃不出去。换言之，只要额外维存在并足够大，小黑洞的质量可以变得很小，甚至小到现有的加速器上可以生成小黑洞。
当然，直到2013年初，在大型强子对撞机上工作的物理学家既没有发现超弦理论的证据，也没有发现小黑洞，这让理论物理学家十分失望。
大型强子对撞机在升级之后的能量将提高近一倍，不过，我对发现超弦理论的证据以及小黑洞的可能性表示悲观。也许我们可能发现一点新的物理迹象，但距离发现超弦理论的证据将十分遥远。
那么，物理学家将会建造小说《朝闻道》中的那样环绕地球一圈的加速器吗？目前看，即使世界上所有政府都愿意在一起合作，地球人也没有足够的财力去做这个事情。
注释
① 希格斯和恩格勒特已经获得2013年诺贝尔物理学奖。
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