夸克对马克大师意味着什么？
该设备运行良好，并有意想不到的好处。当威尔逊加速一个阿尔法粒子穿过云室来创造一个人造云时，它留下了一个明显的轨迹——很像飞行中的飞机留下的冷凝。他刚刚发明了粒子探测器，为亚原子粒子确实存在提供了令人信服的证据。
最后，卡文迪什实验室的另外两名科学家发明了一种更强大的质子束装置，欧内斯特·劳伦斯在加州大学伯克利分校建造了一台著名的回旋加速器，或原子粉碎机。这种设备很久以前就这么叫了。所有这些新发明的原理，无论过去还是现在，基本上都是一样的，就是把一个质子或者其他带电粒子，沿着一个轨道(有时是圆形，有时是直线)加速到极快的速度，然后砰的一声撞上另一个粒子，看它飞的是什么。因此，它被称为原子粉碎机。严格来说，这不是一门科学，但一般来说很有用。
随着物理学家建造更大、更雄心勃勃的机器，他们开始或推断似乎无穷无尽的粒子或粒子家族:π介子、μ介子、超子、介子、K介子、希格斯玻色子、中间矢量玻色子、重子和超光速粒子。甚至物理学家也开始感到不舒服。“年轻人，”一个学生问恩利克·费密一个粒子的名字，他回答说，“如果我记得这些粒子的名字，我就已经是植物学家了。”
今天，加速器的名字听起来有点像弗莱杰斯·戈登(Flajs Gordon)的战争武器:超级质子同步加速器、大型正负电子对撞机、大型强子对撞机和相对论重离子对撞机。所使用的能量是如此之大(有些只能在夜间操作，这样邻近城镇的居民就不会注意到设备点燃时他们的灯光很暗)以至于他们可以将粒子激活到这样一种状态，即一个电子可以在不到65，438+0秒的时间内沿着7公里长的隧道撞击47，000次。人们担心科学家头脑发热时会无意中制造出一个黑洞，甚至是所谓的“奇异夸克”。理论上，这些粒子可以和其他亚原子粒子相互作用，产生连锁反应，完全失控。如果你还在读这本书，那意味着那并没有发生。
寻找粒子需要一定的定力。粒子不仅小而快，而且转瞬即逝。粒子可以在短短的0.0000000000000000001秒(10-24秒)内出现和消失。即使是最没有生命、最不稳定的粒子，也不存在超过0.0000001秒(10-7秒)。
有些粒子很难被捕捉到。每秒钟有1万亿个几乎没有质量的微小中微子到达地球(大多是太阳热核反应辐射出来的)，实际上径直穿过这个星球和上面的一切，包括你我，仿佛地球不存在。为了捕捉少数粒子，科学家需要在地下室(通常是废弃的矿井)的容器中容纳多达57000立方米的重水(即氘含量相对丰富的水)，因为这个地方不受其他类型辐射的干扰。
偶尔，一个经过的中微子会撞上水中的原子核，产生一点能量。科学家对这些点点滴滴进行计数，通过这种方式逐渐了解宇宙的基本性质。1998年，日本观测者报道中微子确实有质量，但并不大——大约是电子的十分之一。
现在找粒子真的很花钱，而且是很多钱。在现代物理学中，你所寻找的东西的大小往往与你所需要的设备的大小成反比。欧洲核子研究中心就像一个小城市。它横跨法国和瑞士边境，拥有3000名员工，占地数平方公里。欧洲核研究组织有一排比埃菲尔铁塔还重的磁铁，周围是一条长约26公里的地下隧道。
詹姆斯·特雷弗说，砸原子很容易，每次打开日光灯就行了。但是，破核需要大量的金钱和电力。把粒子变成夸克——组成粒子的粒子——需要更多的电和更多的钱:几万亿瓦的电和相当于一个中美洲小国的预算。欧洲核子研究组织一台新的大型强子对撞机计划于2005年开始运行，将产生14万亿瓦的能量，建造费用将超过15亿美元。
但是，这两个数字与超级超导对撞机本来可以产生的能量和需要的建造成本相比，根本不算什么。80年代在德州附近建了一个超级超导对撞机，然后和美国国会发生了碰撞。可惜现在再也建不起来了。这台对撞机的目的是让科学家们在尽可能接近宇宙前10万亿分之一秒的情况下进行重建，以探索“物质的终极本质”(一如既往的说法)。该计划是将粒子扔进84公里长的隧道，获得惊人的99万亿瓦能量。这是一个宏大的计划，但建设成本高达80亿美元(最终增加到6543.8美元+000亿)，每年的运营成本将高达数亿美元。
这也许是历史上把钱倒进地上的一个洞里的最好例子。美国国会在这个项目上花费了20亿美元，然后在修建了22公里长的隧道后取消了这个项目。现在，德州人可以为拥有宇宙中最昂贵的洞之一而自豪了。我的朋友杰夫·让是《有价值的堡垒》的作者，他对我说，“它实际上是一片广阔的空地，被一系列失望的小镇包围着。”
超级对撞机灰飞烟灭后，粒子物理学家稍微降低了他们的视野。然而，如果与几乎任何项目相比，唉，即使是一个相对普通的项目的成本也可能相当惊人。建议在南达科他州莱德的废弃矿井霍姆斯特克矿(Homestake Mine)建立中微子观测站，其造价高达5亿美元，还不算每年的运营费用。而且要花286543.8+0万美元的“一般装修费用”。与此同时，伊利诺伊州费米实验室的粒子加速器仅更新材料就耗资2.6亿美元。
总之，粒子物理学是一项耗资巨大的事业，但也是一项有回报的事业。今天，粒子的数量已经大大超过150个物种，大约有100个物种被怀疑存在。但不幸的是，用理查德·费曼的话来说，“很难理解所有这些粒子之间的关系，大自然希望它们做什么，它们之间有什么联系。”我们每次打开一个盒子，总会发现里面是一个封闭的盒子。有人认为存在超光速粒子，运动速度超过光速。有些人渴望找到引力子——引力的根源。很难说我们到底要走多远。卡尔·萨根在《宇宙》一书中说，如果你深入一个电子，你会发现它本身就是一个宇宙，这让你想起了50年代的那些科幻故事。“在内部，大量其他小得多的粒子构成了局部星系和更小的结构。它们本身就是宇宙的下一级，所以它会永远进行下去——一个逐渐向内推进的过程，宇宙中的宇宙永远不会结束——这和向上走是一样的。”
对于我们大多数人来说，这是一个不可想象的世界。如今，即使读一本粒子物理初级指南，也必须克服语言上的许多障碍，比如:“带电π介子和反π介子分别衰变为一个μ介子加中微子和一个反μ介子加中微子，平均寿命为2.603×10-8秒；中性π介子衰变为两个光子，平均寿命约为0.8×10-16秒。μ子和反μ子退化成……”诸如此类——这段话摘自斯蒂芬·温伯格(Stephen Weinberg)写的一本书，他(通常)是一位面向普通读者的简单作家。
20世纪60年代，加州理工学院物理学家默里·盖尔曼(Murray gherman)试图简化事物，发明了一种新的粒子分类，用斯蒂芬·温伯格(Stephen Weinberg)的话说，这种分类实际上“在一定程度上让大量强子再次一目了然”——强子是物理学家用来指代质子、中子和其他受强核力支配的粒子的统称。根据盖尔曼的理论，所有强子都是由更小甚至更基本的粒子组成的。他的同事理查德·费曼(Richard feynman)试图像多莉(Dolly)一样把这些新的基本粒子称为部分子，但没有成功。他们最终被称为夸克。
盖尔曼从小说《芬尼根的觉醒》中的一句话中取了这个名字:“夸克给马克少爷！”(一个敏锐的物理学家用鹳而不是云雀作为这个词的押韵，尽管乔伊斯的脑子里几乎明显在想后者的发音。)夸克的这种基本简单性并没有持续很久。随着对夸克认识的进一步深入，需要更细致的分类。尽管夸克太小，没有颜色、味道或任何其他可识别的化学特征，但它们仍被分为六类——上、下、奇、魅、顶、底，物理学家奇怪地称之为它们的“味道”；它们又进一步分为红、绿、蓝三种颜色。(怀疑这些名字最初是在迷幻药时代的加州使用的。这不完全是巧合。)
最后出现了所谓的标准模式。对于亚原子世界来说，它实际上是一个组件盒。标准模型由六个夸克、六个轻子、五个已知玻色子和1个假想玻色子(即希格斯玻色子，以苏格兰科学家彼得·希格斯命名)组成，外加四种物理力中的三种:强核力、弱核力和电磁力。
这种排列实际上说明了物质的基本物质中存在夸克；夸克由称为胶子的粒子结合在一起；夸克和胶子一起形成核物质，即质子和中子。轻子是电子和中微子的来源。夸克和轻子统称为费米子。玻色子(以印度物理学家S.N. Bose命名)是产生和携带力的粒子，包括光子和胶子。希格斯玻色子可能存在，也可能不存在；发明这个完全是为了给粒子质量。
如你所见，这个模型有点笨拙，但它是可以用来解释粒子世界整体情况的最简单的模型。大多数粒子物理学家认为，正如leon lederman在1985的一部电视电影中所说，标准模型并不美观简洁。"它太复杂了，有许多任意的参数."莱德曼说，“我们真的不明白造物主为了创造我们都知道的宇宙，为什么要转动20个门把手来设定20个参数。”事实上，物理学的任务是探索终极的简单性，到目前为止一切都变成了美丽的一团乱麻——或者如莱德曼所说，“我们深深感到这幅画面并不美丽。”
标准模型不仅笨拙，而且不完整。一方面，它根本没有谈到重力。纵观整个标准模型，你找不到任何解释为什么桌子上的帽子不会飞向天花板。就像我们刚才提到的，它也不能解释质量。为了赋予粒子质量，你必须引入假设的希格斯玻色子。是否真的存在，取决于21世纪的物理。正如费曼真诚地认为的那样:“因此，我们对这一理论处于两难境地。我们不知道它是对还是错，但我们知道它有点不对，或者至少是不完整的。”
物理学家试图将所有东西联系在一起，提出了所谓的超弦理论。这个理论假设我们之前认为是粒子的夸克和轻子，其实是“弦”——振动的能量弦，在11维中摇摆，包括三个已知的维度，加上时间，还有七个单独的维度，唉，我们还无法知道。这根弦非常微小——小到可以看作一个点粒子。
通过引入额外维度，超弦理论使科学家能够相对和谐地结合量子定律和引力定律，但这也意味着科学家对这一理论给出的任何解释听起来都会感到不安，就像公园长椅上的陌生人告诉你一个想法，你会慢慢走开。例如，物理学家Micio Kaku从超弦理论的角度解释了宇宙的结构:
混合弦由封闭弦组成，有顺时针和逆时针两种振动模式，应区别对待。顺时针振动存在于10维空间。逆时针振动存在于26维空间，其中16维已经被压缩。(我们知道，在卡鲁扎最初的五维空间中，第五维被卷成了一个圆，并且已经被压缩。)
诸如此类，350页左右。
弦理论进一步产生了所谓的M理论。这个理论把所谓的“膜”带入了物质世界的灵魂。说到这里，恐怕我们已经到了知识高速公路的车站，大部分人应该下车了。以下是《纽约时报》的一段引文，它用尽可能简单的语言向普通读者解释了这一理论:
在那遥远的过去，火的形成过程始于一对平而空的薄膜；它们在一个卷曲的5维空间中相互平行...两层膜形成了5维空间的墙壁，它可能是在更遥远的过去作为量子波动而形成的，然后逐渐消失。
无法与之争辩，也无法理解。对了，“火”来自希腊语，意思是“燃烧”。
现在，物理学的问题已经到了这样的高度，正如保罗·戴维斯在《自然》杂志上所说，“非物理学家几乎不可能分辨出你是天生的怪胎还是彻头彻尾的疯子”。有趣的是，在2002年的秋天，这个问题达到了一个关键时刻。两位法国物理学家——双胞胎兄弟伊戈尔·波格丹诺夫和格赫里希·波格丹诺夫——提出了密度极高的理论，包括“虚时间”和“库珀-施温格-马丁条件”等概念，旨在描述虚无，即大爆炸前的宇宙——这一直被认为是未知的(因为它发生在物理现象及其特征诞生之前)。
波格丹诺夫的理论几乎立刻在物理学家中引起了一场争论:它是一派胡言，是天才的成就还是骗局？“从科学的角度来看，很明显这或多或少完全是一派胡言。”哥伦比亚大学的物理学家彼得·沃格特告诉《纽约时报》记者，“然而，最近，它与许多其他文件没有太大区别。”
卡尔·波普尔被斯蒂芬·温伯格称为“现代科学哲学家的大师”。有一次，他提出，物理学中很可能不存在终极理论——每一种解释都需要进一步的解释，形成“越来越多的基本原理的无尽系列”。相反的可能性是，这种知识可能是我们完全无法理解的。“幸运的是，到目前为止，”温伯格在《终极理论之梦》中写道，“我们的智力资源似乎还没有耗尽。”
几乎可以肯定的是，这个领域的观点会更多；几乎同样肯定的是，这些见解将超越我们大多数人。
当20世纪中期的物理学家对观察小世界感到困惑时，天文学家发现，同样令人震惊的是，对大宇宙的理解是不完整的。
上一次，埃德温·哈勃已经证实，我们视野中几乎所有的星系都在远离我们，而且这种回归的速度和距离是成正比的:星系越远，运动越快。哈勃发现这可以用一个简单的方程来表示:Ho=v/d(Ho是常数，v是星系飞离的速度，d是它离我们的距离)。此后，Ho被称为哈勃常数，整个方程被称为哈勃定律。哈勃用他自己的方程计算出宇宙的年龄大约是20亿年。这个数字有点尴尬，因为即使到了20世纪20年代末，越来越明显的是，宇宙中的很多东西——很可能包括地球本身——都比它古老。完善这个数字一直是宇宙学家关心的问题。
关于哈勃常数，常年唯一不变的就是对它的评价众说纷纭。1956年，天文学家发现造父变星比他们想象的更加多变。造父变星可以分为两类，而不是一类。于是，他们重新计算得出结论，宇宙的新年龄大约是70亿年到200亿年——不算特别准确，但至少相当古老，最后可以涵盖地球的形成。
随后几年，爆发了一场旷日持久的争论。一方是威尔逊山天文台哈勃的继任者艾伦·桑达奇(Alan Sandage)，另一方是德克萨斯大学法国裔天文学家热拉尔·德·沃库勒(Gé rard de Vokule)。桑德奇经过多年的仔细计算，得出哈勃常数为50，宇宙年龄为200亿年。沃库勒也非常确定哈勃常数是100。这意味着宇宙的大小和年龄只有桑拉格的一半——654.38+00亿年。1994，情况突然变得更加不确定。来自加州卡内基天文台的一个团队根据哈勃望远镜的测量结果提出宇宙的年龄只有80亿年——甚至他们承认这个年龄甚至比宇宙中一些恒星的年龄还要小。2003年2月，来自马里兰州美国国家航空航天局和戈达德太空飞行中心的一个小组自信地宣布，宇宙的年龄为654.38+037亿年，误差约为654.38+00亿年。就是这样，至少目前是这样。
确实很难下定论，因为往往有很大的解释空间。想象一下，晚上你站在一片空地上，试图确定远处两个电灯之间的距离。如果你使用简单的天文工具，你可以很容易地确定两个灯泡的亮度相同，并且一个灯泡比另一个灯泡远50%。但是，你不能确定的是，更近的光，比如37米外的58瓦灯泡，或者36.5米外的61瓦灯泡。除此之外，你还必须考虑几个原因造成的失真:地球大气层的变化、星际尘埃、前景恒星对光线的污染等诸多因素。所以你的计算结果必然是基于一系列嵌套的假设，任何一个假设都可能引起争议。还有一个问题:天文望远镜的使用总是很昂贵。历史上，用天文望远镜测量红移需要很长时间，花费巨大。可能要花一整晚才能得到阴性结果。因此，天文学家不得不(或愿意)根据非常少的证据得出结论。在宇宙学中，正如记者杰弗里·卡尔(Jeffrey Carr)指出的那样，我们“在像鼹鼠丘一样的证据上建立了一个像山一样的理论”。或者正如马丁·里斯所说:“我们目前的满足感(在我们的认知状态下)可能反映的是数据的缺乏，而不是高超的理论。”
顺便说一下，这种不确定性适用于附近的东西，也适用于宇宙的遥远边缘。当天文学家说M87星系距离我们6000万光年时，正如唐纳德戈德史密斯所说，他们实际上是说它距离我们4000万到9000万光年——这两者并不是完全一样的东西。大宇宙中的事情，自然是被夸大的。有鉴于此，我们目前对宇宙的最佳估计似乎在6543.8+02亿年至6543.8+03.5亿年之间，但仍远未达成共识。
最近有人提出了一个有趣的理论，宇宙没有我们想象的那么大；我们凝视远方看到的一些星系可能只是影像，是反射光产生的鬼影。
事实上，还有很多事情我们不知道，甚至是在非常基础的层面上——尤其是宇宙是如何构成的。当科学家计算保持物质在一起所需的物质数量时，他们总是发现这是不够的。至少90%的宇宙，也许多达99%，似乎是由弗里茨·兹维基认为的“暗物质”组成的——我们在自然界看不到的东西。想到我们生活在一个大部分看不见的宇宙里，却又无能为力，有点不愉快。至少有两个主要嫌疑人的名字受到了关注:据说他们要么是“WIMP”(弱相互作用大质量粒子，即大爆炸留下的看不见的微小物质)，要么是“MACHO”(晕大质量致密天体，实际上只是黑洞、褐矮星和其他光线非常暗淡的恒星的另一种说法)。
粒子物理学家倾向于同意将其解释为粒子，即WIMP；天体物理学家赞成将其解释为恒星，即猛男。猛男一度占了上风，但找不到足够的，于是风转向了WIMP——问题是WIMP一直没找到。由于它们的相互作用很弱，所以很难识别它们(即使假设它们存在)。宇宙射线会造成太多干扰。因此，科学家必须深入地下。地下一公里，宇宙射线的轰击强度只有地面的百万分之一。然而，即使所有这些都加起来，正如一位评论家所说，“宇宙在决算中仍然有三分之二的不同。”目前，我不妨称它们为“DUNNOS”(某处未知的非反射不可预知的物体)。
最近有迹象表明，宇宙中的星系不仅在离开我们，而且离开的速度越来越快。这与人们的预期相反。似乎宇宙中不仅充满了暗物质，还有暗能量。科学家有时称这种真空能量或第五元素。无论如何，宇宙似乎在膨胀，没有人能说出这是什么。根据这个理论，空无一物的空间不是空的——物质和反物质的粒子不断产生和消失——它们正以越来越大的速度将宇宙向外推。不可思议的是，解决这一切的是爱因斯坦的宇宙常数——他为了反驳宇宙不断膨胀的假设，把它引入广义相对论，也是他自称“我这辈子最大的错误”的那个小公式。现在看来，他终究是对的。
归根结底，我们生活在一个宇宙中，我们不确定它的年龄；我们被星星包围着，我们并不完全知道它们与彼此之间的距离；宇宙中充满了我们无法识别的物质；宇宙是按照物理定律运行的，而这些定律的本质并没有被真正理解。
带着这样一种不确定的语气，让我们回到地球，考虑一下我们真正理解的东西——虽然你听到我们到目前为止还没有完全理解的东西，你可能不会感到惊讶——以及我们长期不理解而现在理解的东西。