一个超乎我们想象的世界正在敞开 ——读《叩响天堂之门》

（原标题：一个超乎我们想象的世界正在敞开 ——读《叩响天堂之门》）

⊙林 颐

获2016年诺贝尔文学奖的美国流行歌手鲍勃·迪伦有首广为传唱的反战名曲《叩响天堂之门》，美国普林斯顿大学物理系第一位女性终身教授，哈佛大学、麻省理工学院第一位女性理论物理学终身教授丽莎·兰道尔将这支歌用作她这本论著的书名，除了表达喜爱，意旨大有不同，因为鲍勃这首歌最早的出处来自《圣经·马太福音》：“你们祈求，就给你们；寻找，就寻见；叩门，就给你们叩门。”

大型强子对撞机是当下最重要的粒子物理学实验仪器。通过产生高能量粒子，撞击另一个粒子，可能产生出新粒子，也可能会造成两者的相互作用，相互作用后的粒子会和探测器物质发生反应。这样人们就可了解作用后的粒子状态，再比较它与之前的粒子状态，就可倒推出新粒子的性质。建造大型强子对撞机的计划1984年就已提出。这项研究先在欧洲取得了进展，在美国一度陷于停滞。里根当政时期曾批准美国超导超级对撞机计划，克林顿也支持这一计划，但都因为国会反对而放弃。原因很简单：初步建造经费就预计需要90亿美元。超导超级对撞机计划取消，欧洲大型强子对撞机遂成时下唯一的极高能加速器。

中国是否该建造大型强子对撞机？2016年9月，一场网络论战如火如荼。丘成桐和高能物理学家王贻芳力挺，杨振宁和评论家王孟源则明确反对。反方的观点；一是财政负担，杨振宁预估至少需要200亿美元，他担心高额的资金支出会挤占民生空间；二是我国人才和条件不足，担心最后只是为他人作嫁衣；三是迄今尚未在超对称模型中取得突破性发现，大投资赢得的回报差强人意。这些意见都是非常现实的考虑。但从长远来说，中国在与此相关的研究上绝不能放松，机会往往稍纵即逝，丘成桐、王贻芳的支持正是基于此意。

除了考虑钱的因素，美国人更担心世界会不会因此毁灭。高速强子对撞可能产生黑洞，会不会吞噬地球上的一切？兰道尔的成就之一就是对粒子物理学作了风险预估，她以大量数据分析审查了可在逻辑上设想的所有潜在风险，在充分考虑了理论论证和实验证据的超前预测情况下，得出了令人信服的风险系数报告。由于大型强子对撞机最多也就能达到恰好可产生黑洞的能标，唯一可能产生黑洞的形式必然是微型黑洞。根据霍金辐射而产生的衰亡会迅速让它消失。这和黑洞的特性有关。大多数物体，比如煤会随着辐射而变冷，黑洞却随着蒸发而变热。最小的黑洞是最炽热的，因此辐射也最强烈。兰道尔认为，科学家的工作方式应是“提出观念、粗略估算，然后再回头核实细节”，只要将这种方式运用到实际中去，那些类似于“黑洞危机”的论争或流言就都会消散。与此相比，兰道尔更关心从对撞机相互作用着的粒子的有趣迹象之中，观察它们能否为隐藏其中的引力与其他相互作用力的潜在本质提供重要的线索。这些信号也许最终可以阐明引力的某些性质。

尺度是兰道尔反复提到一个关键词。在对宏观和微观世界这两个极端尺度的研究中，科学家们都取得了令人吃惊的进展。对微观世界的描述，定义了最小的已知物质粒子和它们相互作用的方式。长久以来，粒子物理学家们怀疑未发现的微观世界要比已发现的更丰富。尽管我们理解粒子和它们的相互作用，却并不知道究竟是什么基本物理机制决定了每个粒子的质量。尽管只是短短的一瞬，强子对撞可提供观察的契机。我们有理由怀疑当前的粒子世界模型，实际上是嵌套在一个更普适的模型中，而隐形的暗物质可能正是具有合适属性的新型粒子。大型强子对撞机是人们不断变革设备去探索宇宙的手段。从这个角度来说，我们的“悟空”号暗物质探测卫星、FAST望远镜、“天宫二号”空间实验室、“神舟十一号”飞船等，都是人类在探索宇宙中的不断进步和发展的轨迹。

人类自古就对宇宙发出上下求索的疑问，可宇宙96%以上的东西究竟是什么，到现在我们都还不知道。如果可以过磅，所有星星、星系和星云的分量大概只有1%，最多不超过4%。其余看不见摸不着的只能暂且归之为“暗物质”和“暗能量”。暗物质对大群星体产生了明显的引力作用，暗能量则推动宇宙加速膨胀。科学家始终在猜测论证，是不是真有高维度的其他宇宙与我们的宇宙平行。兰道尔的研究领域即粒子物理学，正在探索最小的尺度，以研究越来越小的物质组成。兰道尔被媒体评论为“挑战爱因斯坦”，她首先倡议的“第五维空间”理论尚有许多不确定性，不过假如说那些“小尺度的新要素”在当前技术条件允许的参数范围内，很好地符合了预想的实验结果，这的确意味着原有的理论可能不再适用。

爱因斯坦是科学史的一座丰碑。但科学界不也曾拒绝承认过相对论吗？爱因斯坦同样也犯了类似的错误。他在1917年研究他的新理论究竟描述了一个什么样的宇宙时，开始寻找广义相对论方程的解。但他所得到的是个看似不合理的结果。一旦把物质加入进去，宇宙模型就会坍塌，即使打破了传统时间和空间观念的爱因斯坦，也从未想到宇宙会是不恒定的，于是他修改了方程，特意增加了一项被称为宇宙常数的参数，以防止宇宙坍塌。但埃德温·哈勃在1929年提交的观测报告清晰地证明了：宇宙不是静态的。爱因斯坦犯下这个“最愚蠢的错误”，就因为他的广义相对论缺少伟大的证据，而这些伟大的证据就藏在大自然的每个角落里，当它们被慧眼独具的天才科学家发掘出来后，就有可能导向匪夷所思的方向。所以量子力学开拓者尼尔斯·玻尔提醒世人：“如果谁声称自己完全搞懂了量子力学，那么他一定是没有理解量子力学。”一个新理论的成功，不仅依赖于对现有数据的解释，还要求它能超出已知的现象并提出新的预言。

我们至今不知道暗物质是什么，但知道它占据宇宙中绝大部分的质量。从多元宇宙到引力波，再到暗物质和暗能量，大型强子对撞机能否有助于获取当今宇宙学最前沿的实验数据，从而有助于建构新的理论模型？不管突破将在何时何处发生，一个超乎我们想象的世界正在敞开。