粒子物理学 | 从稍纵即逝的沧海一粟到光年飞驰的无垠宇宙
撰写《格列佛游记》的爱尔兰作家乔森纳·斯威夫特曾写到：“大跳蚤身上有小跳蚤，小跳蚤爬上后背咬大跳蚤，小跳蚤身上有更小的跳蚤，跳蚤跳蚤无穷匮……”
小跳蚤待在大跳蚤身上，层层往上，有更大的跳蚤等着它们，直至宇宙尽头；小跳蚤身上有更小的跳蚤，层层向下，始终有更小的跳蚤潜伏在身边，直至粒子尽头。
科学家奥古斯塔斯·德摩根，在“跳蚤”诗句中窥见了尺度大小对物质结构的影响，认为只要人类仔细观测，所有名义上的无结构物质都会呈现出丰富的底层结构。作为顶夸克粒子的共同发现者，物理学家唐·林肯编著了《从夸克到宇宙》一书，不仅为读者讲述了粒子的前世今生，还同我们一起探讨了宇宙万物。
《从夸克到宇宙》书中写道：“广义相对论旨在描述大尺寸尺度上的引力行为，例如围绕黑洞的高强度引力场，而粒子物理学关注的是最小尺寸尺度上的物质行为。”
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粒子物理学
从稍纵即逝的沧海一粟
到光年飞驰的无垠宇宙
文 | 兔闺女
来源 | Tracy呓語（ID：Tracy_journals）
01
认知之路
2000多年前，古希腊哲学家德谟克利特经历了一次漫长的斋戒，一位朋友给了他一块面包，以慰藉他空荡荡的肚子。其实，在朋友拿出面包之前，德谟克利特就已经闻到了面包的香味，他猜测，一定是面包里的细小颗粒通过空气传播，传到了自己的鼻子里。随后，德谟克利特还拿奶酪做实验，试图将它切到无法再分割的地步，他曾经认为的“不可切分的”物质，正是现今我们称之“原子”的物质，德谟克利特也成为了世界公认的第一个提出类似于现代物质理论学说的科学家。
19世纪，约翰·道尔顿在前人的肩膀上继续作业，提出某些物质是由氢气、氧气、氮气等元素构成，且这些元素都有最小的粒子，这些粒子可以统称为原子。原子论观点一出，让物理学家有了研究的新方向，也让人类对物质的组成构造有了更清晰的认知。
1897年5月，科学家约瑟夫·约翰·汤姆孙发表论文，指出：“在阴极附近的非常强烈的电场中，气体的分子被解离并且分裂，不是分解成普通的化学原子，而是分解成这些本初粒子，我们将其简称为微粒。”自此，人类对原子的认知重新刷新，原子不再是最小的粒子，它的内部存在结构，现代粒子物理时代正向人类迎面走来。
随后，众多的物理学家开始探索原子的内部结构，研究放射性的物理学家欧内斯特·卢瑟福在经历大量的实验后，正确推导出原子的基本性质：原子内部有一个直径约为米的原子核，以及环绕原子核做运动的电子云。随后，曼彻斯特大学的学生詹姆斯·查德威克在成为卢瑟福的研究助理后，一边攻读剑桥大学的博士学位，一边进一步研究原子核的内部结构，他通过测量离开氢气的质子的能量来反推该中性粒子的质量，最终找到了是质子质量的1.006倍的中子。至此，由质子和中子构成的原子核结构也被物理学家们揭开了面纱。
20世纪，是粒子物理学全面开花的世纪。1925年，罗伯特·密立根发现了宇宙射线；1931年，沃尔夫冈·泡利提出了中微子的可能性；1932年，卡尔·戴维·安德森观测到了正电子；1934年，恩里科·费米发现了β衰变的现象；1956年，弗雷德里克·莱茵斯和克莱德·科温观测到了中微子。随着基本粒子数量越来越多，普通的实验已经满足不了物理学家对粒子的观测，于是大型粒子加速器和探测器开始登上历史舞台。
02
探索之路
1960年后，物理学家已经观测到了数百种粒子，有质量较大的强子、质量较轻的介子，以及质量更轻的轻子，只是它们之间都缺少一个统一的原则，加州理工学院的默里·盖尔曼和欧洲核子研究中心的乔治·茨威格提出，如果强子和介子中还包含了更小的粒子，那么它们的行为模式规律就有迹可循了。
为了制造新的、大质量的粒子，物理学家必须将传统的粒子加速到很高的能量级，然后让它们撞到一起，以观察是否会有新的粒子被碰撞出来。与我们生活最切近的粒子加速器就是我们常用的电视或电脑显示屏。电子在加速到大约35keV（千伏特）的能量时，就会撞倒屏幕上，快速变化的电场能让电子束扫过屏幕，我们就能看到画面了。如果没有这些快速变化的电场，电子束就会沿着直线移动，并在屏幕中心形成一个白点。
1967年，以诺贝尔物理学奖得主恩利克·费米的名字命名的费米国家加速器实验室，在美国伊利诺斯州巴达维亚附近草原上建立。该实验室占地约6800英亩，它不仅立志恢复原始草原上的植物群和动物群，还是世界上最顶级的粒子物理研究中心，拥有兆电子伏特加速器和粒子碰撞探测器。2011年，费米实验室的兆电子伏特加速器停止了运行，现在最新最强的粒子加速器，是位于瑞士日内瓦郊区的大型强子对撞机，此外还有欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机和高能加速器研究机构的KEK B对撞机。
除了加速器，物理学家们还需要粒子探测器。这种被称为世界上最大的照相机，可以帮助物理学家们观测到，碰撞后的数百个粒子的能量和移动的方向。若将粒子之间的碰撞比作是一辆失控的汽车撞向一片小树林的话，那树木被撞飞的现象就是电子被从物质中的原子中击出的现象，汽车在撞树之后减速、直至停止的过程，也是粒子被撞掉后所停下来的过程。这一过程，我们可以测得汽车的行驶速度，物理学家也可以观测到粒子的速度。
在加速器和探测器的共同检测下，物理学家开始对质子施加能量，让质子在某个靶上撞碎，来分解质子，进而找到了上夸克、下夸克和奇夸克等不同类型的夸克粒子。他们还发现，由于夸克携带非整数的电荷量，因此它们极其容易被分辨出来。1992年，费米实验室的D〇探测器和CDF探测器同时启动，对质子进行无数碰撞，来检测不同夸克粒子的轨迹。1994年，作者唐·林肯加入费米实验室，与其他物理学家共同研究夸克粒子。唐·林肯发现，夸克是具有最丰富的受力行为的粒子，可以受到强力、电磁力和弱力的影响。碰撞结果除了有最初找到了的夸克粒子外，林肯他们还找到了顶夸克粒子。
03
未来之路
对那些选择以粒子物理学为事业的人们来说，从研究生、博士生，到某实验室的工作人员，到参与某项实验，再到成为该领域的领导者，怎么也得花费20年左右的时间。
对实验本身来说，如果由一个实验室单独完成，则需要500位物理学家共同协作，如果是几个实验室同时合作，那它就会需要上千位物理学家了。此外，实验的进行还是要相同数量的技术人员：工程师、计算机专业人员等。一项实验，一般会花5-10年的时间做计划，再花5-10年的时间来建设，最后再花5年时间做实验。
前路漫漫，无论是对人还是对实验，都是一场拉锯战。可即便如此，依然有无数对未知充满激情的科学家，他们依然对很多事情感到好奇：
还存在有更多代的粒子吗？
为什么会存在夸克和轻子？
为什么物质粒子是费米子，携带力的粒子就是玻色子？
广义相对论和量子之间是否能实现统合？
宇宙学与粒子物理学的关联？
星系中的物质又有哪些？
未来未知，但依然可期。
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