从无穷小到无穷大的发现

宇宙学

粒子物理学家正逐渐进入天体物理学、天文学和宇宙学的领域；其技术和“一锤定音”的方

式或许会帮助我们解决宇宙冲最神秘的谜题——

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近年来，科学家们已经展开了对粒子物理、天体物理和宇宙学交叉领域的探索，包括潜伏在山洞中探测致星系成团的暗物质粒子；把探测器置于南极冰面和地中海下探测来自外层空间的中微子；建造＾ｙ射线望远镜以便打开宇宙的新视角；追踪超新星爆发以解读促使宇宙加速膨胀的暗能量。所有这些努力都模糊了粒子物理学或天体粒子物理学的界线。

在阿根廷西部安第斯山脉的脚下，一个蔓延数百千米的大草原被灌木和草场所覆盖，它或许是喂养牛羊的最佳地方，或许是拍摄西部电影的理想宝地，又或许是在一个风清月明的夜晚凝视满天繁星、畅游宇宙奥妙的令人遐想的美景之地。然而，１９８０年度诺贝尔物理学奖获得者、美国芝加哥大学的粒子物理学家詹姆斯・克罗宁（ＪａｍｅｓＣｍｎｉｎ，下），为了捕获来自深空的粒子（这些粒

子携带了比地球粒子加速器大几百万倍的能量）却选择了这里，以图解决天体物理学中一个长期悬而未决的问题。

从事大量的实验，他们把许多技术和实验方法引入了这个领域，从而使得该领域的实验无论在尺度上还是复杂度上都取得了长足的进步。“你正在为这个领域（天文学和天体物理学）引入所需的新文化和新方法，”美国芝加哥大学粒子物理学家布鲁斯・温斯坦（Ｂｎｌｃｅｗｉｎｓｔｅｉｎ）说，目前他从事

向规模要效益

克罗宁及其同事在草场上铺设了１６００个探测器（探测器之间相距１．５千米），当宇宙线冲人大气时，这些探测器便可以探测南此产生的雪崩粒子。如果像预计的那样，几年后他们就将发现宇宙射线的源头。“目前还无法做到这一点，如果能做到的话那将是一个巨大的突破，”克罗宁说。他因发现在物质和反物质之间的细微不对称性而分享了１９８０年的诺贝尔物理学奖，也就是众所周知的ｃＰ破缺？忠实于其粒子物理学家所受的训练，克罗宁信奉一个简单的信条：“向规模要效益。”

粒子天体物理学的进步不仅完善了粒子物理学，而且也改变了天体物理学和天文学：粒子物理学家们已经习惯了在对撞机前

大爆炸的余辉——宇宙微波背景辐射——的相关研究。

然而，粒子天体物理学能否持续繁荣则依赖于计划中的实验是否能做出有希望的发现。事实上，一些人指出，这个领域的未来可能部分地依赖于下一代超级粒

子对撞机——大型强子对撞机

（ＬＨＣ）的新发现。

宇宙之关联

就天体物理学而言，在某种程度上粒子物理学正在重返过去。１９３２年，物理学家通过宇宙射

线首次发现了反物质——反电

子，或称为“正电子”：同样地，几

世界科学２００８．１

ｌ＿

宇宙学

年之后，他们发现了超ｍ组成我们日常生活物质的第一种粒

图像，为每个已知的基本粒子引入了仍有待发现的伙伴粒子，而这些粒子或许能够用来解释暗物质：

如此的联系使得粒子物理学和宇宙学变的无法区分，以至于欧洲核子中心（ＣＥＲＮ）的理论物理学家乔纳森・埃利斯（ＪｏｎａｔｈａｎＥｌｌｉｓ）发现，很难区分什么时候他写的是有关粒子物理方面的文

大多数物理学家认为，这一领域的发展可以追溯到２０世纪７０～８０年代的宇宙学和粒子物理学概念的连接。如理论物理学家们意识到宇宙中氦的丰度给中微子种类设定了限制（现在发现有３种巾微子）；而当触及大爆炸理论时．一些物理学家则注意到ＣＰ破缺大概解释了为什么宇宙包含了如此多的正物质和如此少的反物质。包括粒子物理学的标准模型指出物质是南夸克和轻子组成的；而交换力的粒子被称为玻色子，以及超对称理论扩展了这一

章，什么时候又是有关宇宙学的文章。而受到近些年重大发现的影响，很多原先从事实验的科学家已经加入到了粒子天体物理学的行列中。

另一个领域是通过研究远距离恒星爆发（Ｉａ型超新星）来追溯宇宙膨胀的历史。１９９８年，两个小组分别独立的报告了最远的超新星要比所预计的还遥远，从而显示了宇宙的膨胀是加速的。这一惊人的发现表明了某种神奇的“暗能量”充满了整个宇宙空间？２００３年，根据美国航空航天局

（ＮＡｓＡ）的威尔金森微波各项异性探测器（ｗＭＡＰ）的观测数据．科学家支持了上述革命性的观

子——¨介子（粒子天体物理学

从空间上已经超出了粒子的研究范畴），把粒子物理学的研究领域变成了宇宙学和天文学的领域。在这个领域中，尽管粒子物理学家有时看不到任何粒子，但他们却正在追逐宁宙中最神奇的画卷。

点——通过分析微波背景辐射的

微小温度变化，发现宁宙由７１％的暗能量、２４％的暗物质和仅仅５％的普通物质组成。

劳伦斯・伯克利国家实验室（ＬＢＮＬ）的粒子物理学家纳塔利・

罗（ＮａｔａｌｉｅＲｏｅ）说，暗能量和暗物

质的概念已经点燃了科学家想象的火种，“既然已经意识到夸克和轻子仅占宇宙的５％，我想他们很自然地要问余下的９５％是什么。所以对于粒子物理学家而言，暗能量和暗物质是进一步探寻的目标：”

开始行动

当科学家解释“转行”到粒子天体物理学时，绝大多数人表示，他们是被这一领域的诱人前景所驱使。“在标准模型被最终敲定和论证以前，粒子物理学领域是最令人兴奋的，”美国得克萨斯州立大学的理论物理学家史蒂文・温伯格（ｓｔｅｖｅｎｗｅｉｎｈｅｒｇ）说，其１９７９年因在标准模型上的贡献而获得了诺贝尔奖，目前正在从事宇宙学的研究，“在宇宙学里，许多问题更加开放！”

纳塔利・罗曾花费十年时间研究夸克的性质。她认为，当研究者不知道从实验中能期望得到什么的时候，就需要拓展新的领域了．还有其他科学家表示，他们转向粒子天体物理学是为了寻求一个更加适宜的工作环境。华盛顿天主教大学的粒子物理学家丹尼尔・阿克

Ｉａ型超新星一般来自含有白矮星与红巨星的双星系统，白矮星从红巨星的外层大气中逐渐吸收质量，待白矮星的质量超过钱德拉极限（ｃｈａｎｄｒａｓｅｋｈａｒｌｉｍｉｔ）后，就会引发重力塌缩及Ｉａ型超新星爆炸

里波（ＤａｎｉｅｌＡｋｅｔ，ｉｈ）说，他之所以离开了对撞机研究．是想在新的领

域中有更多亲身实践的机会。现在

宇宙学

他加入了低温暗物质搜寻（ｃＤＭｓ）计划的研究中。ｃＤＭｓ是在美国明尼苏达州矿井下运转的一个极其敏感的探测器，用于探测经过的暗物质粒子。

美国韦恩州立大学的大卫・西纳博（Ｄａｖｉｄｃｉｎａｂｒｏ）曾在费米国家加速器实验室的万亿电子伏对撞机（ＢＴｅｖ）工作，但２００５年美国能源部突然终止了这个项目，使他面临着进退两难的境地。西纳博本可以参加ＬＨｃ的研究，然而他却加入了斯隆数字巡天这一全新的天文学尝试（使用２．５米光学望远镜绘制１／４天区中的所有天体）。西纳博现在正从事超新星和暗能量的研究。“好像又回到了大学时代，就像刚进入大学的学生一样无知，”他说。尽管如此，他还是为他的决定而感到高兴：

而少数几个科学家表示，他们从事粒子天体物理学的研究纯粹是为了好奇。“对我而言，这是一个不花钱就能去南极探险的机会，”美国堪萨斯州大学的大卫・贝森（ＤａｖｉｄＢｅｓｓｏｎ）开玩笑地说，他目前正在南极从事中微子探测器原型机的研究。在南极麦克默多考察站的电话采访中贝

森说，探测宇宙中微子撞击冰面所产生的射电信号是一件浪漫的事情，

“这就像把你带回到了５岁

任ＮｓＦ数学和物理学理事会副主任的芝加哥大学宇宙学家迈克尔・特纳（ＭｉｃｈａｅｌＴｕｍｅｒ）说。随着粒子物理学家进入了天体物理学和

大的时候，充满了好奇，但是在我成长的新泽西州是无法做到这一点的。”

宇宙学的领域，他们“向规模要

效益”的风格正在加速项目规模的增长。

然而当粒子天体物理学在发展之时，一些研究者对未来忧心忡忡。ＮＡＳＡ戈达德航天中心的粒子物理学家、ＧＩＡｓＴ项目科学家史蒂文・里茨（ｓｔｅｖｅｎＲｉｔｚ）担心，粒子天体物理学的兴起会冲击在建的地面加速器计划。

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重组设备

随着对粒子天体物理学研究的深入，经费也注入了相关的研究领域。如２０００年美国国家自然科学基金会（ＮＳＦ）设立了一个粒子和核天体物理学项目，现在每年有１６００万美元的预算。从１９９４年至今，英国在为粒子物理和天文研究委员会正常拨款的同时，还另外为粒子物理学、粒子天体物理学和天文学提供了经费。然而，正如粒子天体物理学的发展扩充了粒子物理学的研究范围一样，也由此改变了天文学和天体物理学。

显然，粒子物理学家还带来了通往新的探寻之路所必需的技术。如ＮＡｓＡ计划发射的＾ｙ射线大视角空间望远镜（ＧＬＡｓＴ），将给天文学家打开一扇能窥视宇宙甚高能量光子的窗口。或许更为重要的是粒子物理学家对把技术、

管理和资金推向极限的大项目喜爱有佳。

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时候，一些项目所传达的意思是没必要建造地面加速器，因为这在太空中就能做到，”他说，“但是这并不正确。”受此影响，有些对撞机项目被喊停了，尤其是在美国。斯坦福线性加速器中心（ｓＬＡｃ）将在２００８年关闭ＰＥＰ—ＩＩ对撞机；一年以后，费米实验室也将关闭万亿电子伏加速器，至此，美国将不再有用于粒子物理学研究的对撞机。

最糟糕的是，粒子天体物理学的未来依赖于目前计划中的实验的发现。斯坦福大学理论天体物理学家罗杰・布兰德福（ＲｏｇｅｒＢｌａｎｄｆｏｒｄ）认为，首要的大型实验将来自于对暗物质的探测。“我们预先设想了暗物质是由超对称粒子组成的，”他说，“但是我们可能完全错了：”如果假设是正确的，当ＬＨｃ发现了超对称粒子，粒子天体物理学的研究前景将日渐光明，反之，则会暗淡无光。

而目前，从事粒子天体物理学的科学家正为置身于如此年轻、充满活力的领域而乐此不彼，其间会充满重大发现与齐天高的期

塑．

们是那些习惯于对大事毫不惧怕的人，”在２００３年１０

月一２００６

一名工人在ＰＥＰ一Ⅱ对撞机的ＢａＢａｒ大型探测器中作业年４月间

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从无穷小到无穷大的发现

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：引用次数：

邓雪梅

世界科学

WORLD SCIENCE2008，(1)0次

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