莱德曼诞辰100年|物理学家的美好时刻经常发生在凌晨三点

今日热点 2022-07-16 10:47 24

摘要:利昂·莱德曼(LeonMaxLederman,1922-2018),前费米国家加速器实验室主任,美国科学促进会理事会主席。他主持设计了超导超级对撞机建造计划...

利昂·莱德曼(Leon Max Lederman,大悦城控股50亿元小公募债券获通过,募集资金将偿还公司债1922-2018),前费米国家加速器实验室主任,美国科学促进会理事会主席。他主持设计了超导超级对撞机建造计划,是“上帝粒子”一词的提出者。1988年因发现μ子中微子获得诺贝尔物理学奖。今日是利昂·莱德曼诞辰100周年,今日热点经出版社授权,摘发莱德曼撰著的科普读物《上帝粒子:诺奖大师写给所有人的粒子物理趣史》,以表纪念。
利昂陷进去了
我还是少年的时候就与分子结了缘。在高中和大学低年级阶段,我非常喜欢化学,但是后来我逐渐转向了物理学,因为它似乎比较干净——实际上是没有气味。那些学物理学的小伙子不仅更加有趣,而且篮球也打得非常棒,他们深深地感染了我。我们中的巨人是哈尔彭(Isaac Halpern),他现在是华盛顿大学的物理学教授。他声称每次去看张贴出来的考试成绩时,只是想确认一下自己的那个A是“平头还是尖头”。很自然,我们大家都很喜欢他。他跳远的成绩也比我们任何人都要好。利昂·莱德曼

利昂·莱德曼

我对物理学问题感兴趣是因为它们有清晰的逻辑和明确的实验结果。在大学四年级的时候,我高中以来最好的朋友克莱因(Martin Klein)——现在是耶鲁大学著名的爱因斯坦研究专家——有一次和我喝着啤酒彻夜长谈,他高谈阔论地给我讲起了物理学的灿烂辉煌。这确实起了作用。加入美国军队前,我拿的是化学学士的学位,可是我决定如果能在日常训练和第二次世界大战中活着回来的话,就去做一个物理学家。我是在1948年才最终进入物理学领域的,这一年我利用当时世界上最强大的粒子加速器——哥伦比亚大学的同步回旋加速器——开始做我的博士学位研究课题。哥伦比亚大学校长艾森豪威尔是在1950年6月为这台加速器剪的彩。由于帮助艾克赢得了战争,哥伦比亚大学校方显然非常乐于接受我,他们付给我一年4000美元左右的报酬,只是一星期需要工作90个小时。那真是一个令人疯狂的时代!20世纪50年代,同步回旋加速器和其他强大的新设备一起开创了粒子物理学的新格局。
对外行来说,粒子物理学最显著的特征也许就是仪器和设备。我正是在粒子加速器时代来临时加入这个领域的。在随后的40多年里,这些加速器统治着物理学领域,而且今后仍将如此。最早的“原子粉碎器”的直径只有几英寸。今天,世界上最强大的加速器坐落在伊利诺伊州巴达维亚的费米国家加速器实验室,这一机器被称为太瓦质子加速器,其周长约有4英里,能以前所未有的能量粉碎质科比和詹姆斯谁厉害子和反质子。到2000年左右,太瓦质子加速器的能量之冠地位被打破。所有加速器之母——超导超级对撞机(SSC)——目前正在得克萨斯建设,其周长约有54英里。
有时我们会问自己:我们是否已在什么地方走错了路?我们是否已被机器迷惑住了?粒子物理学是不是某种神秘的“计算科学”,花费巨大的人力、使用庞大的机器研究如此深奥的现象,当粒子在高能作用下发生碰撞时,甚至连上帝也无法确定会发生什么。当然,把这一过程当作一条历史之路——这条路可能始于公元前650年的希腊殖民地米利都——的延续,我们可以获得信心和鼓舞。这条路的终点是一座无所不知的自由之城,在那里,就连环卫工人甚至市长都明白宇宙是怎样运行的。许许多多的科学家都走过这条路:德谟克利特、阿基米德、哥白尼、开普勒、伽利略、牛顿、法拉第,一直到爱因斯坦、费米,以及与我同时代的人。
这条路时宽时窄:有时它经过很长的一段空白(就像穿越内布拉斯加州的80号公路),有时又会穿过有很多美景的弯道。在这条道路两旁有许多标着“电力工程”“化学”“无线通信”或者“凝聚态物质”的诱人的支路。选择支路的那些人已经改变了这个星球上人类的生活方式;而那些还在这条路上行进的人则会发现,一路上遇到的都是相同的标牌,上面清晰地写着:“宇宙是如何运行的?”就是在这条路上,我们可以找到20世纪90年代的加速器。
我是在纽约的百老汇大街和120号大街踏上这条科学道路的。那个时候,所有的科学问题看起来都非常清晰和重要,这些问题都涉及所谓的强核力和一些理论上预言的粒子——π介子的特性。哥伦比亚大学的加速器就是专门用质子轰击目标靶来产生介子的。当时,这台仪器的原理非常简单,就连研究生也能够理解。
20世纪50年代的哥伦比亚大学是物理学的温床。汤斯不久就发现了激光并获得了诺贝尔奖,雷恩沃特(Leo Rainwater)凭借他的原子核模型获得了诺贝尔奖,兰姆(Willis Lamb)则是因为测量了氢光谱中的微小位移而获得诺贝尔奖的。曾经给我们巨大鼓舞的诺贝尔奖获得者拉比(I.I.Rabi)带领了一个小组,其中的拉姆齐(Norman F.Ramsey)和库什(Polykarp Kusch)都在适当的时候获得了诺贝尔奖。李政道则因为宇称不守恒理论分享了诺贝尔奖。有如此之多的教授受到过瑞典圣水的洗礼,真是一件令人既高兴又沮丧的事:作为年轻的一代,我们的西服扣上都印着“仍未获奖”。我的专业认识的“大爆炸”出现在1959—1962年,当时我和哥伦比亚大学的两位同事正在进行前所未有的高能中微子碰撞的测量工作。中微子是我喜欢的粒子。中微子几乎没有任何性质:没有质量(或者极小),没有电荷,没有半径,甚至也没有强力作用于它。如果文雅一点描述中微子,可以用“难以捉摸”这个词。这就是仅有的一点儿事实,而且它能够穿过几百万英里的固体铅,只有很低的概率会发生可以测量出来的碰撞。
我们1961年的实验为20世纪70年代逐渐为人所知的粒子物理学“标准模型”奠定了基础。1988年,这个实验被瑞典皇家科学院授予了诺贝尔奖。(每个人都会问,他们为什么要等27年的时间?我真的不知道。我常对家人开玩笑说,瑞典皇家科学院把时间拖后是因为他们不能确定应该奖励我的哪一项伟大成果。)获得诺贝尔奖当然令人非常激动,但这种激动实在不能与我们意识到实验成功那一刻那种难以名状的激动相比。
物理学家今天的感觉和几个世纪前的科学家是一样的。他们的生活充满渴望、痛楚、困苦、紧张、绝望、沮丧和气馁,但是中间也偶尔穿插着喜悦、兴奋、笑声和得意。这些感情都是在不经意间产生的,缘由往往只是对由其他人揭示出来的新鲜的、重要的或者美丽的事物的顿悟。如果你是一个凡人,就像我所认识的大多数科学家一样,当你自己发现了宇宙中的一些新奥秘时,以为美好的时刻就会到来。令人惊奇的是,这个时刻经常发生在凌晨3点,此时你往往独自在实验室里,发现了某种意义深远的事情,而且你意识到地球上的其他50亿人都不知道你现在发现的东西。或者你希望如此。当然,你也会急着想告诉那些不知道的人,这就是“发表”。
本书串接了过去2500年间科学家们经历的无穷的幸福时刻。这些幸福时刻加在一起,便构成了目前我们关于宇宙及其运行机制的知识。痛苦和失望也是故事的一部分。常常是固执、保守甚至仅仅是性情问题阻碍了这些“尤里卡时刻”的出现。实验室里的利昂·莱德曼

实验室里的利昂·莱德曼

然而,科学家并不能依赖这些“尤里卡时刻”来充实自己的生活。在日常的活动中还应该有一些乐趣。对于我来说,乐趣就是设计和制造能教我们认识特别抽象之问题的仪器设备。当我还是哥伦比亚大学的一名感情丰富的研究生时,我就帮助一位来自罗马的举世闻名的教授制作了一台粒子计数器。当时我是这方面的新手,而他是一位老手。我们一起在车床上加工黄铜管(那时已经是下午5点以后,机械师们都回家了),然后在试管两端焊上带玻璃尾端的端盖,并且在穿过玻璃的绝缘金属短杆中间拉了一条金线。我们往计数器内充入特殊气体,一充就是几个小时,同时把金线连在一个示波器上,使用1000伏电源供电,并且用一个特殊的电容进行保护。我的教授朋友——我们可以称他为吉尔贝托,因为这是他的名字——一边仔细地盯着示波器上的绿色波形,一边用十分蹩脚的英语给我讲解粒子计数器的历史和发展。突然吉尔贝托停了下来,并语无伦次地大喊起来:“Mamma mia!Regardo incredibilo!Primo secourso!”(或者类似的话。)他指着示波器大声嚷着,并把我举到了空中——尽管我比他高6英寸,重50磅——还拉着我满屋子跳舞。
“发生什么事情了?”我结结巴巴地问。
“Mufileto!”他回答道,“Izza计数,Izza计数!”
他可能有意为我装出这很重要的样子,但通过我们自己的双手、眼睛和大脑,我们改进了一种仪器,能够检测到宇宙线粒子的通过,并通过示波器的扫描尖峰将其记录下来,这确实让他非常激动。虽然他可能数千次地观察到这种现象,但他依然激动不已。这种宇宙线可能是从一个遥远的星系发出来的,经过数光年的旅途到达了百老汇大街和120号大街的一间位于10层的房间里,这只是他兴奋的一部分原因。吉尔贝托似乎从不衰竭的热情是极富感染力的。
物质图书馆
在解释基本粒子的物理学时,我经常会引用(还会修饰一番)古罗马诗人和哲学家卢克莱修的一个可爱的比喻。假设我们的任务是寻找一座图书馆的最基本的组成单元,那该怎么办呢?首先,我们会想到按不同主题分类的图书:历史、科学或是传记。或者,我们可能会依照尺寸分类:厚的、薄的、高的、矮的。在考虑过这样一些分法后,我们会发现图书是很容易就可以进一步细分的复杂对象。所以我们要往深处看。章节、段落和句子等这些粗糙而又复杂的成分可以很快被排除。那就是单词!想想在图书馆入口处桌子上放着的那本厚厚的所有单词的分类目录——词典。我们可以通过遵循特定的规则,也就是语法,用词典里的单词组合出图书馆里所有的图书。相同的单词可以被一次又一次地重复使用,按照不同的方式组合起来。
但是单词的数目也太多了!进一步的思考会使我们想到字母,因为单词也是“可分的”。现在我们终于找到了!26个字母可以组成成千上万的单词,这些单词又可以组成数以百万(抑或亿万?)计的图书。现在我们必须引入一组限制字母组合的拼写法则。如果不是非常年轻的批评家的干扰,我们可能就会发表这个不成熟的发现了。年轻的批评家们毫无疑问会扬扬自得地说:“你根本就不需要26个字母,老爷爷。你所需要的只是1和0。”今天的孩子们都是玩着数字纸牌长大的,他们更为熟悉把0和1转换成字母的计算机算法。如果你已经老得对这些不太熟悉的话,那你可能还记得由“点”和“画”组成的莫尔斯电码。无论怎样,现在我们已经可以通过适当的编码使用0和1(或者点和画)组成的序列来构成26个字母,并且可以拼写出词典里的所有单词;这些单词按照一定的语法又可以构成句子、段落、章节,最后是图书;而图书则构成了图书馆。
现在,如果0和1已经不能再拆分了,那么我们就已经发现了图书馆的最基本的“原子”构成。打个不太恰当的比喻,宇宙就是这座图书馆,自然界的作用力就是语法、拼写规则和算法,0和1就是我们所说的夸克和轻子,这些是目前最接近德谟克利特所说的“原子”的粒子。当然,所有这些粒子都是看不见的。
夸克和教宗
听众中的那位女士很顽固。“你看到过原子吗?”她总是这样问。对一个早已接受原子的客观存在性的科学家来说,这是一个恼人的问题,但也是可以理解的。我可以把原子的内部结构形象化。我可以说出一个想象中的图像:电子围绕着微小的原子核,“形成”了一片有些模糊的云状结构,而原子核则对薄雾状的电子云有吸附作用。由于大家都是根据方程来构建模型的,所以对于不同的科学家来说,这种想象中的图像不可能完全相同。这种书面描述虽然满足了科学家们希望有一幅形象的图像的需要,但它还算不上用户友好。可是我们能够“看见”原子和质子——对了,还有夸克。
我在回答这个棘手的问题时,总是先归纳一下“看见”这个词的含义。如果你戴着眼镜,是否“看见”了这页纸?如果你看的是这本书的微缩胶卷版呢?如果你看的是影印版呢?(这样你就侵犯了我的版权)如果你读的是计算机屏幕上的文字呢?最后,我绝望地问:“你见到过教宗吗?”
“嗯,当然。”这是常见的回答,“我在电视上看到过他。”唔,是这样吗?
她看到的不过是电子束打到涂在玻璃屏幕内侧的磷上发出的光。我对于原子和夸克的证据也是如此。
证据是什么呢?就是粒子在气泡室中的轨迹。在费米实验室的加速器里,一台三层楼高、价值6000万美元的探测器采用电子方式检测到了质子和反质子的碰撞“碎片”。这里的“证据”——“视觉”,就是这些传感器,当一个粒子经过时就会发出一次电脉冲。所有这些电脉冲通过成千上万根导线输送到电子数据处理器上,最后用0和1编码,记录在磁带上。磁带记录的是质子和反质子的热碰撞,1次碰撞可以产生多达70个粒子,它们分别飞进探测器的不同部分。粒子物理

粒子物理

科学,尤其是粒子物理学,需要通过重复实验才能得出可信的结论,也就是说,在加利福尼亚做的实验应该可以被日内瓦的不同类型的加速器验证出来。此外,还要通过在每次实验过程中设置测试和验证点,以确保仪器按照设计的方式运行。这是一个长期而复杂的过程,是数十年实验的结果。
但是,许多人对粒子物理学还是感到很神秘。那位固执的女士并不是被那些整天寻找微小的不可见粒子的科学家弄糊涂的唯一听众。那么,就让我们换个说法……
看不见的足球
让我们想象一下从“特维洛”行星来的某种智能物种。他们看起来和我们很像,也像我们一样交谈,能像人类一样做任何事情,只有一件事情例外——他们的视觉器官比较特殊,这样就无法看到黑白对比鲜明的物体,比如斑马、橄榄球裁判的衬衫或者足球。顺便说一下,这并不是什么稀奇古怪的现象。地球人还有更奇怪的地方。如在我们视野的中间有两个盲点,我们之所以察觉不到它们的存在,是因为大脑会通过视野中其他地方的信息进行推断,来猜测盲点处的信息应该是什么,然后反馈给我们。尽管人们看到的部分信息充其量不过是很好的猜测,但他们还是能在高速公路上以时速100英里行驶,能操作脑外科手术,或者玩火把戏法。
一组“特维洛”使者肩负友好的使命来到了地球。为了让他们感受一下我们的文化,我们就带他们去看这个星球上最受欢迎的文化盛事之一:世界杯足球赛。当然,我们并不知道他们看不见那个黑白相间的足球。所以,他们虽然很有礼貌地坐在那里观看比赛,但是脸上的表情却很困惑。他们看到的不过是一群穿着短裤的人在场地上跑来跑去,在空中毫无目的地踢腿,相互撞在一起,人仰马翻。有时一位官员会吹一声哨,一个运动员就跑到边线上,在其他运动员的注视下将双手举过头顶。有时守门员会莫名其妙地倒在地上,观众中就爆发出一阵欢呼,而另一方就会加上一分。
特维洛人大概在前15分钟都是非常困惑的。随着时间的推移,他们开始尝试着去理解这种游戏。有些人采用了分类技术。部分是由于服装的缘故,他们推断出是两个队在互相争斗。他们还根据场上队员的跑动绘制出图表,发现每个运动员看起来都或多或少在场地的某一区域活动。这样,特维洛人为了阐明他们所发现的世界杯足球赛的含义,就像地球人一样,给场上每个运动员的位置都起了名字。他们还对这些位置进行了分类、比较和对照,并把每个位置的优点和缺点都标在一幅巨型图表上。当特维洛人发现了足球比赛中存在的对称性时,他们就取得了一个重大突破。也就是对于A队中的任何一个位置,在B队中也有相应的位置。
离比赛结束还有两分钟,特维洛人已经画了几十张图表,绘制或总结出数百个表格和公式,还有许多足球比赛的复杂规则。虽然这些规则在一定程度上可能都是正确的,但是没有一条真正把握住了这种比赛的实质。这时,一个一直保持沉默的不起眼的年轻特维洛人说出了他的想法。“我们可以假设,”他有点战战兢兢,“有一个看不见的球。”
“你说什么?”年长的特维洛人问道。
当那些年长者还在检查什么才有可能是这场比赛的核心,想弄清是各个运动员的来来往往还是场地的划分时,那个不起眼的小人物却擦亮了眼睛,去注意那些很少出现的事件。而他确实发现了一点。就在裁判宣布得分之前的一瞬间,以及人群开始沸腾之前那一刻,这位年轻的特维洛人注意到球网后面在一刹那间凸起了一块。足球是一种低比分的比赛,所以只能观察到很少几次凸起,而且每次持续的时间都很短。即使这样,也有足够的事例能使那位小人物注意到那个凸起的形状是半圆形。所以他就得出了一个疯狂的结论,认为足球比赛需要有一个看不见的球(至少对于特维洛人是看不见的)。
使团中的其他特维洛人听了这个理论,经过激烈的争论,他们认为,尽管经验证据不足,但这个年轻人说的还是有点道理。其中一位年长的政治家——他其实是一位物理学家——指出,为数不多的稀有事件有时会比那些出现了上千次的寻常事件有意义得多。而这种比赛的一个无可辩驳的结论就是肯定有一个球这一简单的事实。假设确实有一个球存在,虽然由于某种原因特维洛人看不到这个球,但所有的问题一下子都迎刃而解。这场游戏是合乎情理的。不仅如此,他们在那个下午得出的所有理论、图表和公式仍然是正确的,而球则解释了这些规则的合理性。
这个故事对于许多物理学难题都有启发,尤其是与粒子物理学密切相关。要是不知道对象(球),也没有一套合乎逻辑的规律可以遵循,我们就不可能理解规则(自然规律),也无法推断出所有粒子的存在。《上帝粒子:诺奖大师写给所有人的粒子物理趣史》([美]利昂·莱德曼 [美]迪克·泰雷西 著,米绪军 古宏伟 赵建辉 陈宏伟 译,四川科学技术出版社2022年6月版)。
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