下篇 霍金到底知道什麼 第七章 未來是什麼樣的(3 / 3)

讓我們來想一想,假設我們把p膜當做是一張通過三維空間和我們沒注意到的額外七維的運動的薄片。那麼,科學家們就可以在某些情形下證明在p膜上波的數目等於人們所包含的信息量。在p膜上,如果不同方向的波在某一點相遇,那麼它們會產生一個非常大的尖峰,這個尖峰會使p膜的一小片破裂作為粒子離開。就像當粒子打到p膜上時會使膜上激起額外的波一樣。如此來說,p膜既能夠吸收粒子,也能夠發射粒子,像黑洞一樣。

在平坦時空中運動的薄片實際上是存在的,黑洞可以就像它們是由這種薄片組成的那樣行為,這不需要我們去相信,人們可以將p膜當做有效理論。就像水一樣,是由無數個H2O分子構成,它們之間具有複雜的相互作用,但是光滑的液體卻是非常好的有效模型。從實證主義的觀點來說,對於一定種類的黑洞來說,它是一個同樣好的模型,因為由p膜構成黑洞的數學模型給出的結果與早先描述的虛粒子對圖像很相似。對於一定種類的黑洞,p膜模型和虛粒子對於模型和發射率的預言是完全一樣的。它是一個同樣好的模型。然而,時間會平滑地向前流逝,光線的軌跡不會被彎折,而且波裏的信息不會喪失。這是什麼原因呢?這是因為其中存在著一個重要的差別:在p膜模型中,與落入黑洞物體相關的信息將被儲存在p膜上的波的波函數中。此時,p膜會被認為是平坦時空中的薄片,正是因為這個原因才會有此現象。相反,來自於黑洞的信息在輻射中終於出現。如此,我們就可以根據p膜模型利用薛定諤方程去計算將來的波函數。從量子的意義上看,我們具有了完整的決定論。時間將會光滑地推移,也不會有任何的東西喪失。

上帝粒子發現,霍金願賭服輸

所謂的“上帝粒子”,又叫“希格斯玻色子”,或簡稱希格斯粒子,它是以英國物理學家彼得·希格斯的名字命名的一種粒子。要解釋希格斯玻色子,首先要從粒子物理學的標準模型說起。

早在1967年,美國物理學家史蒂文·溫伯格發表論文,指出一切物體都是由輕子和誇克這兩大類基本而不可再分的粒子構成的,並嚐試將電磁相互作用力、強相互作用力和弱相互作用力統一起來。到目前為止,幾乎所有對以上3種力的實驗的結果都合乎他的這套理論的預測。用英國理論物理學家佛爾莎的話說,標準模型就像它的名字一樣雄心勃勃,它若成立就意味著“我們肉眼可見的一切,無論多麼複雜而多元,都是由一小撮基本的粒子根據同樣簡單的規律相互作用而構建起來的”。也就是說,這幾乎是一個可以解釋一切的理論。但是他的這一理論並不是萬能的,因為它剔除了自然界的引力。

在標準模型的論文發表後,一開始根本沒人相信這個,直到20世紀70年代初期,其預言的“中性流”首次被實驗證實,該模型理論才為學界重視。在隨後的20多年裏,這個模型經受了各種挑戰,終於在1979年榮獲諾貝爾獎。直到今天,它所預言的62種基本粒子已有61種被成功發現,剩下的一個,便是希格斯粒子。雖說這個粒子隻是1/62,但偏偏是這個漏網之魚,恰恰是“標準模型”這幢摩天大樓的根基所在。

希格斯粒子被認為是整個標準模型的基石。在它被預言之前,標準模型有一個致命缺陷——因為它剔除了自然界的引力,所以它所演繹出的世界裏沒有質量。直到1964年,英國科學家彼得·希格斯提出了希格斯場的存在,並假設希格斯玻色子是物質的質量之源,標準模型這才得以自圓其說。正因為該粒子的重要性,希格斯玻色子又被稱作“上帝粒子”。

自此之後,一場前仆後繼的尋找征途開始了。為了找到這個“上帝粒子”,科學界可謂是出動了最強陣容。大型強子對撞機(LHC)就是物理學家為尋找“上帝粒子”所作的最新嚐試。

在大型強子對撞機啟動前,霍金公開表示自己認為大型強子對撞機不會證實“上帝粒子”的存在。他表示:“如果我們沒有在試驗中發現希格斯玻色子的存在,那麼這將是一件更令人激動的事情,因為這表明我們在某方麵做錯了,我們需要重新來考慮這件事情。我已經打賭100美元,他們不會找到‘上帝粒子’。”霍金雖然下此賭注,但他仍舊認為,無論大型強子對撞機能發現什麼,都將會更進一步地告訴人類許多關於宇宙形成的信息。

霍金的賭注剛下,物理學界就為此沸騰了,希格斯本人悲痛地回應說,霍金的挑戰“就像是在批評已經去世的戴安娜王妃”。該爭論在媒體的報道中持續升溫,而對希格斯粒子抱懷疑態度的也確實大有人在。一個德國的年輕物理學家Unzicker精心打造了“賭一賭希格斯”的網站,公開宣稱他不相信希格斯粒子的存在。Unzicker在其網站宣傳欄的位置上寫道:“這是一個可以花上好幾個月來討論的爭議性話題,在這種情況下,德國哲學家康德會建議我們打個賭,他說,打賭是區分篤信和隨意觀點的最好方法。”Unzicker像霍金一樣押下100美元的賭注,邀請各方網友與他打賭。

要想揭開賭局的結果,就要去尋找這個微乎其微卻又構成一切的“上帝粒子”。但是即便是派上了全世界最頂尖的技術和最優秀的物理學家,要逮捕支撐宇宙根基的這一個粒子,依然比大海撈針還難。雖然有這麼多人質疑,但是物理學界一眾科學家們還是堅定不移地進行著對“上帝粒子”的尋找。大型強子對撞機也在眾多國家的支持下,開始運行了。

在法國和瑞士邊境之處的大地之下,一條長27公裏的圓形隧道裏大型強子對撞機開始運行了——這個空曠的地下世界相當於4個梵蒂岡那麼大。

自2010年3月正式啟動以來,大型強子對撞機在每秒鍾都會進行千萬次爆炸。在一條環形加速管道中,方向相反,各具有3.5 TeV(兆兆電子伏特)能量的質子團在4個對撞點不斷碰撞。幾百電子伏特的X光就足以把人類“穿透”,兆兆級別的能量會使質子在對撞時完全被打碎,無數粒子瞬間噴發,仿佛一次“宇宙小爆炸”。在每一個對撞點上都架著一個上萬噸重的粒子探測器,它們將對撞點嚴實地包裹起來,並承載著不同的實驗功能。其中,它們的使命之一就是探索可能出現的希格斯粒子的信號。

在每一次爆炸的瞬間,各種產生的數據會通過計算機網絡係統傳送到位於日內瓦的歐洲核子研究中心,隨後數據會被分別送到分布在5個地區的計算機站點,再之後數據最終分別抵達全球80多個國家的科學家電腦中,他們中有3000多名專門負責分析可能出現的希格斯粒子。

希格斯粒子產生的幾率非常低,大約在0.1%左右,也就是說,每1000次的質子對撞才可能產生一次;1000次的質子對撞很容易,但是每次產生一個希格斯粒子,它都會在在10億分之一秒後,通過不同渠道衰變成光子和輕子等其他粒子。

自運行以來,大型強子對撞機內每一秒鍾發生著大約4000萬次的質子對撞。初步排除一些“沒有意義的事件”之後,這些極其龐大的數據便逐步分流到在全球不同角落工作的物理學家手裏。物理學家們通過不同的分工,分別監控著希格斯粒子的衰變渠道,分析研究數據,以此捕捉它的痕跡。而每一次從提取原始數據到最後得出分析結果,都要經過半年時間。

一度,大型強子對撞機的實驗結果讓人沮喪。在運行了20個月之後,科學家們發現在不同衰變渠道上沒有看到任何希格斯粒子可能會出現的跡象。許多國家都在大型強子對撞機上投了錢,光在籌建階段,大型強子對撞機就使用了來自40個國家的60億歐元,此後,對撞機每運行一個小時,都需花費大約20萬瑞士法郎,這些費用同樣由參與實驗的國家分攤。而這結果,不能不說是讓人失望的。

不僅如此,追溯以往,在大型強子對撞機運行以前,它的前身——正負電子對撞機的實驗工作就已經開始。

早自1989年起,就在大型強子對撞機如今安身的那條隧道裏,正負電子對撞機運行了11年,一直沒有發現希格斯粒子。2000年,為了騰出空間打造能量更大的大型強子對撞機,正負電子對撞機停工。

同樣地,在大洋彼岸的美國,費米實驗室的Tevatron加速器更是在1985年便開始對撞,在長達26年的運行時間裏始終沒有發現希格斯粒子的身影,後來該加速器也因預算問題而關閉。

事實上,這些加速器不是沒立下功勞:正負電子對撞機的實驗告訴我們,在它們能夠達到的能量範圍內,希格斯粒子不在那裏,即是說,在114GeV(10億電子伏特)以下的能區不會存在希格斯粒子了。根據愛因斯坦的相對論,一個粒子質量越大,就需要越大的能量才能把它撞擊出來。在此之後的,也就是現在的大型強子對撞機則不斷排除著更高的能區,一度把145GeV到480GeV的能區搜了一遍,也基本確定希格斯粒子不會在該區間內出現。在這些努力下,希格斯粒子可以藏身的地方已經越來越小。參與實驗的科學家已經進一步把窗口縮小到115 GeV到130 GeV之間,這個結論讓全球物理界屏住了呼吸,一些媒體甚至開始炒作“希格斯粒子可能並不存在”,《科學美國人》雜誌也發表文章,討論霍金是不是“剛剛贏了那場物理史上最狂妄的打賭”。

愛打賭的霍金曾經跟物理學家基普·索恩“豪賭”過3回,第一回是賭天鵝座 X-1 雙星是否包含黑洞;第二回是賭宇宙中有沒有裸奇點;第三回賭的則是黑洞會不會徹底抹殺信息。結果是霍金三局全輸,這幾乎與球王貝利預測世界杯冠軍的戰績不相上下!難道,這回霍金要漂亮地扳回一局?

2012年7月4日,歐洲核子中心舉行新聞發布會,該中心總主任羅夫·赫爾博士伴著泣聲,眼含淚花,激動地宣布已經觀測到“類似‘上帝粒子’特性的一顆新粒子”。他激動地宣稱,人類在理解自然世界上跨越了裏程碑式的一步。

這一重大新聞的宣布贏得現場熱烈的掌聲。對“上帝粒子”作出預言的英國著名物理學家彼得·希格斯也參加了現場的新聞發布活動。據英國《每日電訊報》報道,在歐洲核研究中心宣布這一發現結果之後,霍金略帶愉快地表示,希格斯應該就此理論獲得諾貝爾獎,“我曾經打賭說不會發現希格斯玻色子,現在看來我輸了100美元。”