“厚顏無(wú)恥”的科學(xué)研究為重要發(fā)現(xiàn)鋪平了道路

在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)里，基礎(chǔ)物理學(xué)取得了飛躍式的進(jìn)展——而正如一部生動(dòng)的科學(xué)史所展示的那樣，這些進(jìn)展源自學(xué)者們強(qiáng)烈的個(gè)性，也常常源自他們對(duì)自身健康及安全的全然漠視。

位于瑞士日內(nèi)瓦附近的歐洲核子研究中心（CERN）的CMS探測(cè)器，研究人員在此發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子存在的證據(jù)

《簡(jiǎn)約中的優(yōu)雅：通往希格斯玻色子和新自然法則之路上的美、真理和奇跡》（Grace in All Simplicity： Beauty， Truth， and Wonderson the Path to the Higgs Boson and New Laws of Nature），羅伯特·卡恩、克里斯·奎格著，飛馬出版社2023年11月出版

在《簡(jiǎn)約中的優(yōu)雅》一書中，粒子物理學(xué)家羅伯特 · 卡恩（Robert Cahn）和克里斯 · 奎格（Chris Quigg）帶領(lǐng)讀者親身體驗(yàn)了人類探索自然和物理定律的旅程。這是一場(chǎng)冒險(xiǎn)故事般的科學(xué)之旅，一部有著豐富科學(xué)內(nèi)容的輕松民間史——從山頂上的冒險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)到埋在深洞中的機(jī)器，從18世紀(jì)紳士科學(xué)家的偏好到現(xiàn)代粒子物理學(xué)中龐大、精心協(xié)調(diào)的合作，無(wú)所不包。

兩位作者將這本書描述為他們推薦的領(lǐng)域?qū)в[路線。閱讀這本書就像是被他們領(lǐng)著參觀他們的家鄉(xiāng)一樣，穿過(guò)建筑物、跳過(guò)柵欄，而不是沿著主干道走。這樣走可能會(huì)慢一些，但更難忘、更有趣。

該書提供了一種真實(shí)可信的視角，而有資格提供此類視角的人并不多見(jiàn)。作為該領(lǐng)域的領(lǐng)軍人物，卡恩和奎格親歷了他們所敘述的許多近期發(fā)現(xiàn)。他們見(jiàn)過(guò)像保羅 · 狄拉克（Paul Dirac）這樣的科學(xué)巨人，狄拉克預(yù)言了反物質(zhì)的存在，并幫助創(chuàng)立了量子力學(xué)。他們描述英雄和同事的方式是你期望在會(huì)議酒吧聽(tīng)到的那種回憶之語(yǔ)，而這類回憶很少會(huì)被記錄下來(lái)。

卡恩和奎格生動(dòng)地描述了18世紀(jì)早期探索電力的嘗試在許多方面有多么令人震驚。法國(guó)化學(xué)家查爾斯 · 弗朗索瓦 · 杜菲（Charles Fran?ois du Fay）將自己懸掛在絲線上，并讓自己載滿靜電。當(dāng)他的助手接近時(shí)，杜菲身上噴出了“陣陣火花”。

20世紀(jì)20年代，科學(xué)家試圖分解原子?！叭缤半U(xiǎn)家一般漠視個(gè)人安全”的德國(guó)物理學(xué)家阿諾 · 布拉什（Arno Brasch）、弗里茨 · 朗格（Fritz Lange）和庫(kù)爾特 · 厄爾班（Kurt Urban）做了一件驚人的事。這三位科學(xué)家希望在兩座瑞士山峰之間懸掛一張1.6千米長(zhǎng)的電網(wǎng)，以從雷暴中捕捉數(shù)百萬(wàn)伏的電壓。他們的半尺寸原型成功地引來(lái)了閃電，但在1928年，他們的研究因厄爾班從50米的高處墜亡而告終（厄爾班可能是被閃電擊中了）。

兩位作者描述了包括朱塞佩 · 奧基亞利尼（Giuseppe Occhialini）在內(nèi)的科學(xué)家如何通過(guò)宇宙射線（來(lái)自太空的高能粒子）來(lái)研究亞原子粒子。這位意大利實(shí)驗(yàn)家“不僅對(duì)物理有著敏銳的嗅覺(jué)，還懂得如何生活”。20世紀(jì)40年代，奧基亞利尼放著比利牛斯山脈一座天文臺(tái)里的實(shí)驗(yàn)不管，讓它自行收集了一個(gè)月的數(shù)據(jù)，自己則跑去登山。

我們了解到量子理論的發(fā)展歷程，以及發(fā)現(xiàn)反物質(zhì)和基本粒子（包括賦予基本粒子質(zhì)量的希格斯玻色子）的前因后果?？ǘ骱涂癫蹲降搅死碚撐锢韺W(xué)家大膽的抽象思維，比如解釋了粒子群和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的默里 · 蓋爾曼（Murray Gell-Mann）。這些研究人員根據(jù)粒子的性質(zhì)將粒子排列成模式，然后假設(shè)這些模式產(chǎn)生于看不見(jiàn)的微小組成部分——夸克——作者稱這個(gè)想法“簡(jiǎn)單得不真實(shí)”。就連蓋爾曼本人也承認(rèn)這有些牽強(qiáng)。他認(rèn)為夸克是有用的“數(shù)學(xué)虛構(gòu)”，并表示，認(rèn)為它們可能真實(shí)存在的想法是“愚蠢的”。這種看法在1974年發(fā)現(xiàn)含有粲夸克的粒子時(shí)發(fā)生了變化。從那時(shí)起，“夸克變成了現(xiàn)實(shí)”。

目擊者敘述

個(gè)人回憶為這些故事增添了色彩。奎格記得在一次研討會(huì)后，他向狄拉克提出了一個(gè)關(guān)于后者對(duì)正電子（電子的反粒子）之預(yù)測(cè)的不敬問(wèn)題。狄拉克“諷刺地皺起了一邊眉毛”作為回應(yīng)。在一次暑期工作中，卡恩對(duì)一臺(tái)洗衣機(jī)的一部分進(jìn)行了再利用，與未來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)得主理查德 · 泰勒（Richard Taylor）共同做了個(gè)實(shí)驗(yàn)。

書中的主題和時(shí)間線四處跳躍，這可能會(huì)讓讀者感到迷惑，但科學(xué)自身卻堅(jiān)定地進(jìn)步著?？窈涂ǘ髟跁写┎辶藢?duì)宇宙學(xué)、暗物質(zhì)和暗能量的討論，對(duì)超導(dǎo)、化學(xué)、弦理論、多元宇宙也有所涉獵，甚至還聊了聊頭足類動(dòng)物的眼睛，用以引入望遠(yuǎn)鏡的話題。

1928年，瑞士杰內(nèi)羅索山，用來(lái)捕捉閃電的原型裝置

書中的每一次洞察都擴(kuò)展了我們的理解?，F(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)、研究、分類，然后引出更深層次的問(wèn)題，展示更深層次的聯(lián)系和原理?？茖W(xué)通過(guò)重新利用、挪用并保留那些符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀點(diǎn)來(lái)進(jìn)步，而本書正是對(duì)這種“厚顏無(wú)恥”的方式的極好總結(jié)。

兩位作者非常出色地展示了科學(xué)史中的“人”。許多名字或許對(duì)讀者而言耳熟能詳，但卡恩和奎格捕捉到了這些人物的個(gè)性。歐內(nèi)斯特 · 盧瑟福（Ernest Rutherford）在聽(tīng)說(shuō)自己贏得了英國(guó)劍橋大學(xué)的獎(jiǎng)學(xué)金后宣布，他再也不會(huì)在新西蘭家中的花園里挖土豆了。恩里科 · 費(fèi)米（Enrico Fermi）在滑了一整天雪后，熱切地勾勒出自己對(duì)放射性的看法。書中還特別介紹了一些不太知名的科學(xué)家甚至還有動(dòng)物——比如被送進(jìn)粒子加速器隧道以清除障礙的雪貂費(fèi)利西亞（Felicia），它是一只“重達(dá)一磅半、充滿好奇心的鼬科動(dòng)物”。

奎格和卡恩不加批判地將早期科學(xué)家們描繪成了英勇的人物——這些先驅(qū)者可能對(duì)健康和安全漠不關(guān)心（有時(shí)甚至致命），但他們對(duì)探索未知領(lǐng)域那永無(wú)止境的渴望稱得上光榮。作者還描述了在他們自己的人生中，在粲夸克被發(fā)現(xiàn)之時(shí)的一系列瘋狂電話、黑板涂鴉和對(duì)誰(shuí)在何時(shí)看到了什么的八卦。隨著粒子物理實(shí)驗(yàn)在復(fù)雜性和所需勞動(dòng)力方面的增長(zhǎng)，科學(xué)家個(gè)人的故事逐漸讓位于令人震撼的技術(shù)成就清單。這些轉(zhuǎn)變展示了物理學(xué)的變化——在研究對(duì)象的規(guī)模上縮小，在合作規(guī)模上擴(kuò)大，并在工作實(shí)踐層面轉(zhuǎn)向了虛擬世界。

恰如其分的是，2012年，希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)被宣布時(shí)，兩位作者正在不同的實(shí)驗(yàn)室工作（一個(gè)在歐洲，一個(gè)在美國(guó)），但都親歷了這個(gè)時(shí)刻。他們所在的實(shí)驗(yàn)室都并非位于瑞士日內(nèi)瓦附近的CERN，即宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的歐洲核子研究中心。他們雖遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)，卻與全球的粒子物理學(xué)家社群保持著聯(lián)系，共享了這一理論和實(shí)驗(yàn)的非凡成就。

這本書并不是一部全面的歷史，而是作者眼中的歷史，反映了他們的觀點(diǎn)和他們?cè)诿绹?guó)研究機(jī)構(gòu)的經(jīng)歷。關(guān)于現(xiàn)代物理學(xué)的歷史和概述還有很多著作——包括卡洛 · 羅韋利（Carlo Rovelli）、肖恩 · 卡羅爾（Sean Carroll）和弗蘭克 · 克洛斯（Frank Close）的作品——但在我看來(lái)，沒(méi)有一本能像本書這樣如此豐富地體現(xiàn)個(gè)人經(jīng)歷和觀點(diǎn)。

兩位作者的敬畏和熱情貫穿始終。他們的比喻往往富有詩(shī)意，有時(shí)色彩鮮明，偶爾過(guò)于夸張。閃電“像格拉帕烈酒一樣從天空的喉嚨滑下”。由玻色子構(gòu)成的物質(zhì)可以是“一個(gè)貪得無(wú)厭、不斷縮小、未曾分化的團(tuán)塊”。在將原子光譜比作音樂(lè)時(shí)，他們寫道：“對(duì)這些錯(cuò)綜復(fù)雜的彩色線條來(lái)說(shuō)，‘和弦’或許是一個(gè)太過(guò)平和的詞匯，倒不如想象斯特拉文斯基《春之祭》中那些濃重、無(wú)解的不和諧音?！?/p>

卡恩和奎格有能力分享宇宙并進(jìn)一步理解宇宙，他們對(duì)此的喜悅具有感染力，他們的使命感則鼓舞人心。他們慶祝粒子物理學(xué)的“優(yōu)雅和經(jīng)濟(jì)”，慶?？茖W(xué)的不確定性和開(kāi)放性，慶祝科學(xué)家和他們所探索的科學(xué)，讓讀者心生感激?！逗?jiǎn)約中的優(yōu)雅》是一個(gè)關(guān)于科學(xué)和科學(xué)生活令人振奮的故事。

資料來(lái)源 Nature

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本文作者塔拉·希爾斯（Tara Shears）是英國(guó)利物浦大學(xué)粒子物理學(xué)教授