回溯粒子物理学发展历程

　　回溯粒子物理学发展历程 展望物质认识新纪元

　　世界是如何构成的？

　　很久很久以前，人类就提出这样的问题：世界是由什么构成的？从此人类开始了漫长的思考和探索过程，祖先们曾经把一块石头逐渐砸成粉末，看看最终会得到什么。千万年过去了，如今人类制造出了名叫“大型强子对撞机”(LHC)的巨大机器，它可能会撞碎“最小粉末”。

　　人类探索粒子世界的过程，经历了从猜到称，到撞，再到理论猜想，最后又是撞的过程，不过猜也不是瞎猜，撞更不是撞运气，随着人类社会和科技的发展，我们逐渐对物质世界的本源有了越来越深入的认识，但是远远还没有到头，随着LHC的建成运转，人类又站在一个全新的门槛上。

　　猜想　“原子论”VS“元素说”

　　古希腊人认为宇宙万物由水、火、土、气组成，称为“四元素说”。在古中国，人们认为宇宙万物由“五行”组成。这些元素的概念混杂了事物本身和它的感官特性。

　　而“原子论”和“元素说”针锋相对，古希腊哲学家留基伯、德谟克利特和稍后的伊壁鸠鲁都曾提出“世界是由原子组成的”。其中，德谟克利特的学说最有名。他认为，一切物质都由微粒组成，这种微粒无限小，世上没有比它再小的东西。无数的原子在无限的空间或“虚空”中运行；原子是永恒存在的，没有起因,“不可分”，也看不见，相互间只有形状、排列、位置和大小之区别。而佛教的世界理论将微尘视作构成世界的“基本粒子”。

　　古代的原子说更接近现代的科学理论，但是那只是“猜准了”。实际上，“元素说”更接近人的感官体验和思维模式，所以在很长时间里一直占主导地位。

　　称量　实验方法正式登场

　　17世纪，人类进入科学时代，伽利略开创了把“思维实验”的结果用真实的物理实验验证，并用数学方式来描述物理过程的科学方法。后来，这套方法也被用在探索物质的组成部分上。

　　1803年，英国小学算术教师道尔顿提出了自己的“原子论”。他认为，化学元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为“原子”。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这回猜得比以前更准，因为它有一个科学依据“倍比定律”：如果甲、乙两元素能相互化合生成几种不同的化合物，则与一定量甲元素相化合的乙元素的质量互成简单整数比。简单说，那时对原子的认识，建立在对化学物质的称重上。

　　19世纪中叶，通过这套称重的方法，以及对所谓“原子量”的想象，头发乱蓬蓬的俄罗斯化学家门捷列夫绘制了无比美丽的元素周期表。

　　碰撞　把粒子装进“大炮”

　　在19世纪末，放射性元素逐一被发现。“原子会裂变”这一事实击破了原子不能再分的传统观念。1897年，英国科学家汤姆森用X光轰击气体，随后出现的电离现象，让他猜测存在“电子”。后来他又用阴级射线管偏转实验证明了这一点。

　　1911年，卢瑟福和盖革用α粒子轰击金属箔，并用荧光屏记录粒子散射现象的情况。他发现大部分α粒子按直线透过金属箔，只有极少一部分α粒子被反弹回来或偏转很大角度。这个实验充分说明原子内有很大空间，而正电荷部分集中在原子中心极小的球体内，这里占原子质量的99%以上，从而发现了原子核。1919年，卢瑟福发现了质子；1932年，查德威克发现了中子。质子和中子统称“强子”，就是“大型强子对撞机”里的那个“强子”。

　　总之，人类对原子结构的发现一开始就离不开“撞”，开始的时候用天然射线撞物质，用微粒撞荧光屏，后来发展成用电磁场加速粒子让它们去撞别的东西。

　　既撞又想　物理学家们分道扬镳

　　光“撞”还是不成的，还要“想”，就是开动脑筋，通过“撞”的结果，想象原子里面是个什么样子。当然，它要有严谨的科学依据，还要通过科学检验才能被承认。

　　此时，物理分成了“实验物理”和“理论物理”两个系统。在粒子物理学中实验物理学家主要管“撞”，理论物理学家主要管“想”。到了现在，实验物理学家和理论物理学家已经完全分开了，一个只“撞”不“想”，一个只“想”不“撞”。

　　波尔提出的量子学说告诉我们电子的能量是一份一份的，这让人类习惯于“无级变速”的“模拟电路”大脑难以接受；后来德布罗意又告诉我们微粒具有“波粒二象性”；海森堡提出了一个“测不准原理”；薛定谔又过来告诉我们原子世界里的猫可以既死又活……

　　亲爱的德谟克利特，你只说对了一半，原子并非最小微粒。

　　继续撞　让撞击来得更猛烈些

　　在开始的时候，卢瑟福等人都是用天然放射性元素放射出来的粒子轰击别的物体，物理学家很快就认识到天然放射性粒子能量有限，于是建造了多种粒子加速器，性能不断提高。

　　1932年，考克饶夫特和瓦尔顿开发制造了700kV高压倍加速器加速质子。科学家们说：让撞击来得更猛烈些吧！他们知道对撞的能量肯定要大于单方碰撞的能量，于是在加速器的基础上又设计制造了粒子对撞机。1961年，最早的两台正负电子对撞机建成运转。通过撞击，又发现了很多新的粒子和新的现象，其中有些是之前的理论已经提出的，有些是全新的。更厉害的“撞”发现的新东西，让物理学家们不得不更努力地“想”。

　　继续想　建立“标准模型”

　　物理学家发现了无穷无尽的粒子或粒子族。这连物理学家都感到有些不舒服。当有个学生问费米某个粒子的名字的时候，他回答说：“要是我记得清这些粒子的名字，我就成了植物学家了。”

　　上世纪70年代，物理学家建立了粒子物理的“标准模型”。这个模型显得有些笨拙，也一直有人对它提出质疑。但李淼表示，这个模型已经得到了多数人的认可，因为它较符合实验结果。

　　但是，有一个问题，标准模型中还有一个叫“希格斯粒子”的东西还没有在实验中被找到，如果这个东西不能被证明存在，“标准模型”的一个重要前提将会无法立足。怎么办？接着“撞”吧。

　　结论　最终还得靠撞

　　李淼说，LHC的建成肯定会发现新的物理现象。第一，可能会发现希格斯子，第二，可能发现超对称现象———LHC可能会撞出一个粒子和它的超对称伙伴粒子，从而发现“超对称现象”。

　　通过LHC等研究设备的帮助，我们能最终建立起像元素周期表一样完美的“基本粒子表”吗？李淼说，如果真的发现希格斯粒子，还是有可能建成很闭合的理论体系的，但也有可能发现了全新的现象，建立全新的理论。

　　那么，最终有可能建立一种粒子理论，让普通人也能明白吗？李淼说，这不可能，也没有必要。但那些夸克、希格斯子、强力、弱力……李淼说，如果去学，肯定会懂的。真的吗，试试看？

　　本版采写/本报记者 刘铮