粒子物理学的名字取得不好：Harry Cliff 谈场、希格斯和一台没有老板的对撞机

Lex Fridman 在伦敦皇家研究院（Royal Institution）的讲堂里与 Harry Cliff 对谈，开场便说这是人类造过的最酷的东西之一。Cliff 是剑桥大学的粒子物理学家，在欧洲核子研究组织（CERN）的 LHCb 实验中工作。他把大型强子对撞机（LHC）描述为一个 27 公里长的环形装置，埋在日内瓦郊外地下 100 米处。它的任务是理解宇宙的基本组成单元。他说，最有用的比喻是一台巨大的显微镜，这个类比相当精确，只不过这台显微镜看的是真空的结构。

Cliff 对他说，粒子物理学这个名字取得不好。粒子根本不是宇宙的基本成分。物理学家实际相信，世界是由一些看不见、像流体一样的对象构成的，它们被称为量子场，遍布空间的每一处，就像磁铁周围的磁场。在这个地方说这话，颇有意味。Michael Faraday 正是在这里提出了“场”的概念，他用铁屑在纸上描绘磁铁周围看不见的环状线。在现代的图景里，粒子只是这些本来看不见的场中的一个小振动，一道涟漪。

Fridman 承认，他觉得粒子比场更容易想象。Cliff 回应说，学校里那种原子示意图完全具有误导性：一个原子核周围是一圈小球，电子则像绕着它飞的苍蝇。电子并不是绕着原子核转的行星，它是一种弥散、摇摆、带有波动性的东西，这一点自二十世纪初的量子力学出现以来就已经知道了。物理学家之所以保留“粒子”这个词，是因为在很多实验中，它们表现得像弹珠或子弹，会在探测器里留下径迹。仔细研究就会发现，它们其实是底层场中缥缈的扰动。“我们的身体基本上是由这些看不见的物体中的一小团团能量构成的，它们就围绕在我们周围。”

Cliff 说，每个原子都由电子和原子核中的两种夸克（上夸克和下夸克）组成。它们各自都是自己那个场中的涟漪：有一个电子场充满整个空间，身体里的每个电子都是在这个场中移动的涟漪。上夸克场和下夸克场也是如此。标准模型收录了这些已知场的清单。最近发现的一个是希格斯场，发现它的方式，就是在其中制造一个小小的涟漪。

大型强子对撞机正是这样做的。它让两束质子迎面相撞，撞击的力度足以扰动希格斯场，而这种扰动就表现为希格斯玻色子。Cliff 认为，2012 年前后人人都在谈论的那个粒子是一个证明，但粒子本身并不是奖品。真正有意思的对象是场，因为正是希格斯场使电子和夸克拥有了质量。玻色子“只是我们用来确认它存在的方法”。要激起那道涟漪，需要极其巨大的能量，这也是机器之所以这么大的原因。这里的庞大并非出于虚荣。

Cliff 说，加速器有两种建法：环形和长直线。环形机器的优势在于，可以在每一圈里给粒子推一把。大型强子对撞机中只有大约 30 米长的一段，装着若干金属盒，盒内是振荡的 200 万伏电场，时间安排得很精确：质子靠近时被吸引，电场翻转后又被推向另一侧。然后让它再绕一圈。他不是工程师，“做这些事情的人比我强得多”，但束流被分成许多束团，他把它们比作蜂群，整个环上大约有两千个束团。

站在某一点上数一数，每秒钟会有 4000 万个束团经过。加速电压以数百兆赫的频率振荡，比 40 兆赫的束团频率还要快，所以每一群束团到达时，时机必须正好对上。Cliff 说，这是很难的工程，原则上却算不上什么严峻的概念挑战，然后补充说，工程师们大概正在对他大喊大叫。环之所以如此之大，真正的原因在于速度。大型强子对撞机中的质子以光速的 99.9999991% 运行。要让汽车以这种速度转弯，你需要很大的轮胎摩擦力；要让质子转弯，你需要的是磁铁。

限制因素是你能造出多强的磁铁。大型强子对撞机在设计时，用的是当时能想象得到的最强磁铁。把机器做小，弯道就会更急，磁铁就必须更强；把隧道做大，就可以用较弱的磁铁。这是在磁铁强度和你负担得起的隧道长度之间做取舍。原则上账目就是这么简单。但他承认，在隧道里，事情并非如此简单。

Fridman 请他梳理一下粒子的目录，以及通向大型强子对撞机所寄托希望的那段历史。Cliff 说，他可以用大约五分钟讲完整个二十世纪的物理学。十九世纪末，物质被认为是原子：不可分割的小球，每种化学元素对应一种。1897 年，在 Cliff 至今仍在工作的剑桥卡文迪许实验室里，实验表明原子内部有更小的、带负电的碎片，后来被称为电子。几年后，卢瑟福证明，原子中心有一个带正电的微小核心。到大约 1910 年，课本里的那种原子图景（原子核加周围的电子）就已经确立了。

随后，放射性提供了“子弹”。放射性元素射出的 α 粒子被打向其他原子，把原子核里的部分东西击了出来：先是质子，它的质量约为电子的两千倍；大约十年后，又击出了中子。到 1932 年前后，图景已经相当清晰：质子和中子靠强相互作用束缚在原子核里，电子靠电磁力束缚在外，每个原子都由这三种基本组件构成。之后，人们用云室对宇宙射线进行观测。云室是最早能够显示亚原子粒子径迹的装置，结果出现了一个“动物园”：反物质，以及一大批没人想要的其他粒子。

正电子是电子的带正电伙伴，它是理论走在实验前面的少数案例之一。狄拉克把量子力学和相对论结合起来，预言了反电子，大约一年后它就被找到了。Cliff 认为，狄拉克大概是本世纪仅次于爱因斯坦的第二聪明的物理学家，只是知名度远远不及爱因斯坦。电子遇到正电子时会湮灭，质量转化为能量，通常变成光子。到 1960 年前后，直径达数百米的加速器（和大学实验室的设备相比极其庞大）已经产生了一百多种强相互作用的粒子，它们都不是构成原子的材料。Cliff 说，物理学家当时都快抓狂了。物理学本该使事情简化，而那个简单的东西却变成了一团乱麻。

Fridman 想知道，人们到底是怎样瞄准一个光子或电子的。Cliff 说，早期的加速器大多是固定靶机器：在环里加速，然后从侧面射向某个靶子。劳伦斯 1932 年造出的第一台回旋加速器非常小。正面对撞，也就是两束粒子迎面相遇，出现得要晚得多，而且难度更大。在大型强子对撞机中，一个束团并不是紧密的小球。它约 30 厘米长，比人的头发还细，横截面直径大约只有十几微米，里面装着约 1000 亿个质子。两团这样的粒子群在探测器中央互相穿过，真正发生碰撞的质子，大约只有十个。

你没法让一个粒子对准另一个粒子然后坐等。你得依靠概率，并尽可能把束流压得很细，就像两群飞鸟：相距很远时，它们会擦肩而过；挤得很密时，它们就会相撞。整台加速器由计算机控制，操作间在欧洲核子研究组织的一个房间里，Cliff 把它比作 NASA 的任务控制中心，因为机器运行时没人能进入隧道。根据他的经验，操控机器的软件被刻意保持得相对朴素，以免崩溃。真正的巧思都留给了数据分析。

他讲了一件 2008 年的往事，那是大型强子对撞机第一次开机。有发布会，有新闻发布会，还有派对。大约十天后，在测试期间，隧道里发生了一次巨大的爆炸，机器约半公里长的一段严重受损。控制室里的工程师们眼睁睁地看着屏幕变成一片红色。据其中一人后来告诉 Cliff，他们的第一反应是软件出了错。按理说，这样灾难性的事情根本不应该发生。

回到 1960 年，当时桌上已经摆着一百多种粒子。盖尔曼注意到其中的对称性。把粒子按某些方式排列起来，它们之间就有了联系；他利用这些规律，预测了随后被加速器找到的粒子。不久之后，他和茨威格提出，这些规律之所以存在，是因为这些粒子是由更小的东西构成的，那就是夸克。很长一段时间里，许多人都把夸克当作一种恰好与数据吻合的理论便利。实验人员试图把夸克从质子里击出来，但从未成功，至今也没有成功。

真正让人信服的，是斯坦福的一台 3 公里长的电子枪。接近光速的电子被射向质子，在高能量下，它们会被质子内部的小而硬的东西弹开。Cliff 说，这就像给质子拍了一张 X 光，电子被三个类似滚珠的东西弹了回来。这些正是盖尔曼和茨威格预言过的夸克。它们依然被困在其他粒子内部，因为强相互作用太强，无法将它们释放出来。设想两个夸克被一根强力弹簧连着。你一拉，能量就储存在连接中，弹簧断裂，能量就在断开的两端变成两个新的夸克。你原本有两个，最后会得到四个。

那么，夸克怎么能算“真实存在”呢？靠的是散射角度，靠的是能够预测新粒子的模型，还靠强相互作用理论与大型强子对撞机观测到的结果吻合：当夸克试图逃逸，会形成由束缚粒子组成的喷注。孤立的夸克不在数据里，是因为它不可能出现在那里。大约在同一时期，费曼、施温格和朝永振一郎建立了第一个电磁相互作用的量子场论，在这个理论里，光子就是电磁场中的涟漪。一种类似的强相互作用理论则预言了胶子。引力不在标准模型之内；Cliff 指出，它的量子理论仍然是一个等着被摘下的诺贝尔奖。

Cliff 说，标准模型中只有两种粒子没有质量：光子和胶子。所有十二种物质粒子（六种夸克和六种轻子，包括电子、它较重的表亲μ子和τ子，以及三种中微子）都有质量。弱相互作用的载体 W⁺、W⁻ 和 Z 也有质量，约为质子质量的 80 到 90 倍。质量最大的是顶夸克，约为 175 个质子的质量，至于原因，没有人知道。弱相互作用的力程很短，是因为这些很重的场衰减得很快；电磁相互作用由于光子没有质量，遵循平方反比定律，在一个房间的范围内你都能感受到它。

1960 年代，把具有质量的力场放进量子场论中，会得出无穷大的结果。甚至一个带有质量的电子都成了问题。摆脱困境的办法，最著名的与 Peter Higgs 相联系，不过大约有六个人在差不多的时间想到了它：粒子本身并不内禀地具有质量，它们是后来获得质量的。一个新的场在电子周围聚拢起来；这种聚拢所储存的能量，就是我们测得的质量。他说，如果把希格斯场关掉，自然界中所有粒子都将失去质量，以光速飞驰。

一旦把希格斯场纳入图景，电磁相互作用和弱相互作用就成了同一种相互作用的两个方面：电弱理论在 1970 年代中期写成，预言了四种新粒子：W⁺、W⁻、Z 和希格斯玻色子。W 和 Z 玻色子于 1983 至 1984 年在欧洲核子研究组织的 7 公里长超级质子同步加速器上被发现。从 1980 年代起，人们就确信希格斯粒子必定存在，因为整个结构没有它就无法成立。那条 27 公里的隧道，最初甚至不是为大型强子对撞机挖的。它是为大型正负电子对撞机（LEP）建造的，该机器从 1980 年代末运行到 1999 年，对 W 和 Z 玻色子做了高精度研究，但能量始终不够高，无法产生希格斯粒子。到关机时，拼图上只剩一块空缺。有人半开玩笑地说，发现希格斯粒子只是“对显而易见之事的确认”。Cliff 说，它之所以有趣，是因为希格斯粒子与标准模型中其他所有粒子都不一样：它在理论上令人头疼，而且暗示着还会有更多的同伴。

在真空中，把一个屏蔽盒里的电磁场测量一下，除了量子涨落之外，它的值为零。希格斯场却不是这样。它在所有地方都有一个取值，就像宇宙的背景温度一样，而这种储存的能量，正是电子和夸克获得质量的来源。如果要让有趣的事情发生，这个取值必须经过精细的调节。Cliff 说，朴素的计算给出两种可能的命运：一是场坍缩到零，于是我们得到一个由无质量粒子组成、永远无法形成原子的宇宙；二是它爆炸式地冲到量子引力的普朗克尺度，在那里，哪怕是一个电子也会坍缩成黑洞。要落在两者之间，就需要对其他场进行精细调节。他说，人们觉得这件事非常可疑。

Fridman 给出的解释是：要么有一位设计者，要么存在多元宇宙，而我们碰巧生活在一个适合居住的宇宙中。Cliff 没有排除造物主的可能，但他说这在科学上无法检验。他提到 Lee Smolin 的设想：宇宙诞生于黑洞内部，并且带有一种达尔文式的偏好，倾向于能制造更多黑洞的规律。随后他便把这个话题搁下了。作为一名实验物理学家，他觉得这类图景很有意思，但并不真正可以检验。还有一种解决方案，不需要有人摆弄参数，也不需要多元宇宙：超对称，即力的粒子（玻色子）与物质粒子（费米子）之间一种尚未被看到的对称性。每一个标准模型粒子都会有一个超对称伙伴。额外的场会抵消标准模型对希格斯场施加的拉力，无需人为调校就能把它停在一个合理的数值上。

超对称还预言了暗物质粒子，并暗示强相互作用与电弱相互作用可能在高能量下统一。在大型强子对撞机开机之前，人们的期望很高。如果超对称伙伴能使希格斯粒子的质量保持稳定，它们的质量就应该位于机器能探测到的能区附近。既然发现了希格斯粒子，人们很可能也会发现超对称伙伴，它们是超场中的涟漪，用 Cliff 开场时的说法，它们早已充满了真空。可是它们没有出现。经过十年的大型强子对撞机数据，既没有超对称伙伴，也没有任何超出标准模型的新粒子。早先那些把希格斯粒子当作新的强相互作用粒子束缚态的“技术色”（technicolor）理论，基本上已被希格斯粒子的发现排除。剑桥的一些同事在研究“部分复合性”（partial compositeness），它仍然试图解释希格斯粒子那别扭的取值，以及物质粒子为什么分成三代、周而复始。这是一张周期表，其更深层的规律至今无人找到。

Cliff 同意，那种认为底下存在某个简单对象的梦想，对许多人来说仍然活着。他提到 Steven Weinberg 的《Dreams of a Final Theory》，那本书写于弦论的“超弦革命”时期，当时一个振动的环既能描述粒子，又是一种量子引力理论，让人觉得终极理论近在咫尺。Cliff 说，三十年过去了，弦论学家大概会承认，没有人真正知道弦论究竟是什么。更糟的是，它的大多数预言都位于普朗克尺度，约为 10^18 GeV，比大型强子对撞机 14 TeV 的碰撞能量高出十四到十五个数量级。以今天的技术，要达到那样的能量，就需要一台绕银河系一圈的加速器。除非出现几乎无法想象的突破，一个终极统一理论最具特色的预言，都无法在实验室里被检验。

Cliff 说，即使新粒子稀少，在这个能量尺度上仍有大量令人兴奋的可能性。根据宇宙学，宇宙中约 95% 是暗物质和暗能量，这些只是我们给不知道的东西起的名字。大型强子对撞机仍有可能产生暗物质粒子，超对称也可能藏在数据中某个被忽视的角落，或者这些过程可能稀少到需要再等十年。他补充说，现在很多人都会认为，近期直接发现新粒子的机会相当渺茫。这正是他所在的实验要做别的事情的原因。

环上分布着四个大型探测器。ATLAS 和 CMS 各有约三千人，它们是通用型探测器，发现了希格斯粒子，也在寻找超对称和暗物质。Cliff 的实验 LHCb 则研究 B 夸克，也就是底夸克（bottom）或美夸克（beauty）；他们更喜欢叫 beauty，“因为听起来更带感”。它们可以产生数千亿个 B 夸克，并以高精度测量其性质。他说，想象一下在丛林里猎捕一头大象。你可以四处游荡，指望碰上那头象，也可以去看地上的脚印。LHCb 做的就是找脚印的工作：寻找尚未被发现的重场在普通 B 夸克衰变中留下的痕迹，也就是与标准模型预言之间的微小偏差。在本次对谈进行时，美夸克的衰变是高能物理中唯一一个出现了相当有说服力的迹象、指向标准模型之外东西的领域。

碰撞是一样的，探测器却不一样。ATLAS 和 CMS 就像圆桶状的洋葱：靠近束流管的是硅径迹探测器，中间是测量能量的量能器，最外层是μ子探测室，用来捕捉朝各个方向飞出的粒子。ATLAS 高约 25 米，长约 40 米。B 夸克倾向于贴着束流飞行，所以 LHCb 是一个锥形的探测器，只朝一个方向看，忽略其他方向。B 粒子的寿命大约是 1.5 皮秒，相比之下，希格斯粒子的寿命大约是万亿分之一的万亿分之一秒，简直像永恒，而 B 粒子在衰变前会飞行几厘米。紧贴束流的内层硅探测器离束流只有 7 毫米，而束流的能量相当于一架大型客机起飞时的能量，足以熔化一吨铜。一边是威力惊人的束流，一边是精密的传感器。

有些含 B 夸克的粒子会振荡，在飞行途中在物质与反物质之间来回切换。如果这种对称性是严格成立的，它们就会在两种状态上花费相同的时间，并据此衰变。但事实并非如此。这让 LHCb 有了一个研究物质与反物质失衡的实验室。Fridman 把之前搁置的一个问题重新提了出来：如果对称性是完美的，宇宙不是应该早就自我湮灭了吗？Cliff 说，按照标准模型，大爆炸应该产生了数量相等的物质和反物质。在每一台对撞机里，粒子都会伴随着反粒子出现；它们一同产生，也一同湮灭。目前还没有发现任何过程能让其中一方多于另一方。

大爆炸后几秒钟内，本应发生一场“大湮灭”：粒子与反粒子相互碰撞，化为光，留下一个漆黑、空荡、只有光子的宇宙。然而现在的宇宙里有东西，而且显然全都是物质。一种设想把这种过剩与相变联系起来：在宇宙诞生后的头万亿分之一秒内，希格斯场“开启”，在由无质量粒子组成的高温等离子体中形成气泡，物质与反物质以不同方式撞击气泡壁。另一种设想则涉及一种奇特的中微子，它的衰变偏向于产生物质。LHCb 以及规划中的中微子实验，都在尝试检验这些图景。Cliff 说，目前还没有清楚的证据表明哪种设想是对的。在 Fridman 的结语部分，Cliff 的说法更尖锐一些：你我都是残留下来的东西，我们身体里的每一个粒子，都是那场交战中的幸存者，从一开始存在的粒子中，只有约十亿分之一留存了下来。

Fridman 想要的是其中的人生启示：有自尊心的聪明人，有预算的国家，还有一台机器。Cliff 说，欧洲核子研究组织可能是他能想到的最好的国际合作范例，而且这种合作并不是为了什么不光彩的目的。他 2008 年作为学生来到这里，那时大型强子对撞机基本已经完工。他对那些花了二十五年左右时间的人充满敬佩：从 1970 年代末的最初讨论，到 2000 年代初破土动工，他们一直在为此奔走和筹款。科学家之所以朝同一个方向使劲，是因为他们都想要那些构成物质的要素和规律。他们同时也在竞争。以 LHCb 为例，大约有 800 名合作者，同时也是争夺那篇令人兴奋的论文的对手。他说，这套机制居然运转得出奇地好。

ATLAS 有约三千人，设有一位名义上的负责人，即发言人（spokesperson），由合作组选举产生，他无权开除任何人，也不是任何人的老板。Cliff 的直属上司是剑桥大学的一位教授；实验负责人并不能真正指挥他做什么。独立的学者各自就是自己的老板，事情靠共识、讨论和大量的会议来推动。他回忆说，麦肯锡或类似的咨询公司曾经进入欧洲核子研究组织，试图理解这些组织是如何运作的。他也不认同对天才的迷信。你得足够聪明，但许多最成功的实验物理学家，并不是脑子最大的那一批。重要的技能是与他人合作、交流想法、努力工作，靠的是毅力，多过炫技式的智力。很多实验物理，换个名字来说，就是工程。

近期内，大型强子对撞机将进行亮度升级，重点是增加每秒的碰撞次数：能量不变，数据量大约提高一个数量级，而收益却在递减。LHCb 的探测器正在重建，以便承受这么高的数据率，部分原因是要检验 B 夸克衰变中一些有趣的反常现象。这些反常似乎都指向同一个方向，但仍未达到发现的门槛。如果这些脚印是真实的，下一步就需要一台更大的机器，去制造新场的粒子。欧洲的选项包括：在现有隧道中换用更强的磁铁（成本较低，但普遍不被看好，被视为死胡同）；CLIC，即紧凑型直线电子-正电子对撞机；还有未来环形对撞机（FCC）：一条 100 公里长的隧道，位于日内瓦地区，穿过日内瓦湖，绕过阿尔卑斯山，规模取决于当地地质条件允许多大。它先建成电子-正电子的希格斯工厂，之后再建造一台大得多的质子机器，用来寻找暗物质，或重现早期宇宙的相变。乐观的时间表是 2040 年之后才有数据。Cliff 估计，大型强子对撞机的全部成本约为 100 亿到 120 亿欧元，未来环形对撞机则在半个世纪里约需 300 亿欧元。原则上，如果欧洲核子研究组织在这段时间里几乎不做别的事情，这笔钱是能够从其现有预算中支出的。

欧洲核子研究组织（CERN）本身成立于 1950 年代，可以说是一种科学上的马歇尔计划：在战争导致大量人才流向美国之后，把欧洲的科学重新聚拢起来，开展和平的、出于好奇心驱动的研究。各国以成员身份加入，并支付一小部分 GDP；Cliff 估计，英国每年的出资大约在 1 亿到 2 亿英镑之间。“这是一个美好的想法，”他说，各国在没有战争利害关系的情况下，合作开展好的科学研究。

大型强子对撞机的大部分数据都被丢掉了。Cliff 说，如果全部记录下来，几天之内就能把世界上所有的计算机装满；实际保留下来的，大约是万分之一的碰撞。探测器上的触发器每秒要工作 4000 万次，它必须判断某次碰撞里是否可能含有有趣的东西，比如希格斯粒子或暗物质粒子，过去它靠对动量和能量做粗暴的切割来判断。现在的方向，是把机器学习提前用上，甚至直接用在原始的击中点上，而不是重建后的径迹，把探测器当成一张奇特的三维图像来处理。触发器效率不高，因为它没有时间做完整的重建。更聪明的算法可以保留更多有用的事件，并在不增加新对撞硬件的情况下剔除本底，不过它们仍然需要 GPU 计算集群。Cliff 在自己的分析中用的是现成的软件包；他是一名要去学习这些工具的物理学家，而不是机器学习专家。

这次对谈是在皇家研究院录制的。这所机构已有大约两个世纪的历史，成立的目的就是向公众传播科学。Humphry Davy 曾在这里演示笑气和电解；法拉第则在地下室里讲课、做实验。Cliff 在那个讲堂里做过几次讲座，他最喜欢的一场叫“超越希格斯”，在皇家研究院的 YouTube 频道上可以看到。他并不认为自己有什么了不起的传播理论：他感兴趣，也很兴奋，讲这些故事已经讲过很多次；那些行之有效的解释，经受住了中学讲座的考验，甚至还经受过一次脱口秀式的表演，“总体还不错，尽管很吓人”。他脑子里装着一个故事、一些画面，然后就走上讲台。

他喜欢的一句费曼的话是：“我无法创造的东西，我就不理解。”他不觉得自己特别聪明，所以必须把概念拆成简单的组成部分；而把这些东西讲给别人听，正是他发现自己其实并不理解的方式。在写书的过程中，他刚花了两天时间翻教科书，因为他意识到自己对本专业的一个基本理论要点并没有真正掌握。你理解得越深，最后说出来的话就越简单，这也是费曼的讲座让人觉得平易近人的原因。有些概念，包括希格斯机制在内，他至今仍然无法讲清楚，因为它们存在于数学之中。老老实实读研究生才是正途；而公开演讲，只能给出一个既能听懂、又不会误导人的大致味道。

被问到物理学中最美的思想时，Cliff 给出了一个具体的回答和一个概括性的回答。具体的那个来自他本科时代：自然界的各种力，在理论中是对称性的结果。假设宇宙遵循某种对称性，这种对称性在精神上和正方体的旋转相差不远，那么你就会被迫引入一种具有电磁力性质的力；另一种对称性给出强相互作用，还有一种给出弱相互作用。概括性的那个则更简单。在极近的距离上，粒子通过力场相互弹开，并以简单的方式运动。从这些寥寥无几的要素出发，就有了靠引力势能“烹煮”物质的恒星、行星，以及人类，这个故事可以一直追溯到大爆炸后万亿分之一秒。仅仅从这些规律推到一个分子，就已经很难了；而从分子到人，则是目前物理学无法着手的问题。他说，这正是化学和生物学存在的原因。从简单规则中涌现出复杂性，既美丽，又神秘，而且没有人知道如何把这道计算做完。