至于托马斯·米奇利留给我们的另一个祸害——氯氟烃,它们于 1974 年在美国被禁止使用,但它们是顽强的小恶魔,你在那之前释放到大气中的任何氯氟烃(例如,在你的除臭剂或发胶中)几乎肯定会在你去世很久之后仍然存在并吞噬臭氧。更糟糕的是,我们每年仍在向大气中排放大量的氯氟烃。根据韦恩·比德尔的说法,每年仍有价值 15 亿美元的 6000 万磅这种物质进入市场。那么是谁在制造它呢?是我们——也就是说,我们的许多大公司仍在海外工厂生产它。直到 2010 年,它才会在第三世界国家被禁止。
克莱尔·帕特森于 1995 年去世。他的工作没有获得诺贝尔奖。地质学家从来没有获得过。更令人费解的是,他半个世纪持续不断且日益无私的成就也没有为他赢得任何名声,甚至没有引起多少关注。很有理由说他是二十世纪最有影响力的地质学家。然而,谁听说过克莱尔·帕特森?大多数地质学教科书都没有提到他。最近两本关于地球测年史的流行书籍实际上把他的名字拼错了。2001 年初,《自然》杂志上一位评论这两本书中一本的评论员还犯了一个相当惊人的错误,认为帕特森是位女性。
无论如何,多亏了克莱尔·帕特森的工作,到了 1953 年,地球终于有了一个大家都认可的年龄。现在唯一的问题是,它比包含它的宇宙还要古老。
万物简史
第十一章:马斯特·马克的夸克
1911年,一位名叫 C. T. R. 威尔逊的英国科学家正在通过定期徒步登上苏格兰一座著名的潮湿山峰本尼维斯山来研究云的形成,这时他想到一定有更容易的方法来研究云。回到剑桥的卡文迪什实验室,他建造了一个人工云室——一个简单的装置,他可以在其中冷却和湿润空气,在实验室条件下创造出一个合理的云模型。
这个装置效果很好,但还有一个意想不到的好处。当他加速一个α粒子穿过云室以播种他的人造云时,它留下了一条可见的轨迹——就像一架经过的客机留下的凝结尾迹。他刚刚发明了粒子探测器。它提供了令人信服的证据,证明亚原子粒子确实存在。
最终,另外两位卡文迪什科学家发明了一种更强大的质子束装置,而在加利福尼亚,伯克利的欧内斯特·劳伦斯制造了他著名而令人印象深刻的回旋加速器,或者说原子加速器,正如这类装置长期以来令人兴奋地被称为的那样。所有这些装置都——实际上现在仍然——或多或少地基于相同的原理工作,其想法是将质子或其他带电粒子沿着轨道(有时是圆形的,有时是线性的)加速到极高的速度,然后将其撞击到另一个粒子上,看看会飞出什么。这就是为什么它们被称为原子加速器。这并非科学中最精妙的部分,但通常是有效的。
随着物理学家建造更大、更雄心勃勃的机器,他们开始发现或假设似乎数不胜数的粒子或粒子家族:μ子、π介子、超子、介子、K介子、希格斯玻色子、中间矢量玻色子、重子、快子。甚至物理学家们也开始感到有点不安。“年轻人,”恩里科·费米在一位学生问他某个特定粒子的名字时回答道,“如果我能记住这些粒子的名字,我早就成了植物学家了。”
如今,加速器拥有听起来像是闪电戈登在战斗中会使用的名字:超级质子同步加速器、大型正负电子对撞机、大型强子对撞机、相对论重离子对撞机。它们利用巨大的能量(有些只在夜间运行,这样邻近城镇的人们在设备启动时就不必目睹灯光变暗),可以将粒子加速到如此活跃的状态,以至于单个电子可以在一秒钟内绕着一条四英里长的隧道跑四万七千圈。人们担心科学家们在热情高涨时可能会无意中制造出一个黑洞,甚至是一种叫做“奇异夸克”的东西,理论上,这种东西可以与其他亚原子粒子相互作用并无法控制地传播。如果你正在阅读这篇文章,那么这种情况还没有发生。
寻找粒子需要相当程度的专注。它们不仅微小、迅速,而且常常诱人地转瞬即逝。粒子可以在短至 0.000000000000000000000001 秒 (10^-24) 的时间内出现又消失。即使是最迟缓的不稳定粒子,存留时间也不超过 0.0000001 秒 (10^-7)。
有些粒子简直滑稽地难以捉摸。每一秒钟,地球都会受到 10,000 万亿亿个微小、几乎没有质量的中微子(大部分由太阳的核聚变产生)的造访,而几乎所有这些中微子都会径直穿过地球及其上的所有东西,包括你和我,仿佛它们根本不存在一样。为了捕捉到其中少数几个,科学家们需要容纳多达 1250 万加仑重水(即含有相对丰富氘的水)的水箱,这些水箱放置在地下室(通常是旧矿井)中,在那里它们不会受到其他类型辐射的干扰。
非常偶尔地,一个经过的中微子会撞击水中某个原子核,产生一小团能量。科学家们计算这些能量团,通过这种方式让我们稍微更接近理解宇宙的基本属性。1998年,日本观测者报告称中微子确实有质量,但并不大——大约是电子质量的一千万分之一。
如今要找到粒子,真正需要的是钱,而且是大量的钱。现代物理学中,被寻找的物体的微小程度与进行寻找所需的设施规模之间存在着一种奇特的负相关关系。欧洲核子研究组织(CERN)就像一个小城市。它横跨法国和瑞士边境,雇佣了三千名员工,占地面积以平方英里计算。CERN 拥有一串比埃菲尔铁塔还重的磁铁,以及一条周长超过十六英里的地下隧道。
正如詹姆斯·特雷菲尔指出的那样,打碎原子很容易;每次你打开荧光灯时都会这样做。然而,打碎原子核需要相当多的金钱和充足的电力供应。要达到夸克——构成粒子的粒子——的水平,还需要更多:数万亿伏特的电力和一个中美洲小国的预算。欧洲核子研究组织(CERN)新的大型强子对撞机计划于 2005 年开始运行,将达到 14 万亿伏特的能量,建造费用将超过 15 亿美元。[25]
但与那座庞大且不幸永远无法建成的超导超级对撞机所能达到的成就和花费相比,这些数字简直微不足道。这座对撞机于 20 世纪 80 年代开始在德克萨斯州瓦克萨哈奇附近建造,后来与美国国会发生了自己的超碰撞。对撞机的目的是让科学家通过尽可能接近地重现宇宙最初十万亿分之一秒的条件来探索“物质的终极本质”,正如人们总是这样说的。计划是让粒子在一条 52 英里长的隧道中飞驰,达到真正惊人的 99 万亿伏特的能量。这是一个宏伟的计划,但建造也需要花费 80 亿美元(这个数字最终上升到 100 亿美元),每年运行还需要数亿美元。
这也许是历史上把钱投入地洞里最典型的例子了,国会在这个项目上花费了 20 亿美元,然后在挖了 14 英里隧道后于 1993 年取消了它。所以德克萨斯州现在拥有宇宙中最昂贵的洞。《沃斯堡星电讯报》的朋友杰夫·吉恩告诉我,这个地方“基本上是一片广阔的、清理过的田野,沿着周界点缀着一系列失望的小镇”。
自从超级对撞机惨败以来,粒子物理学家们的目标放低了一些,但即使是相对适度的项目,与几乎任何东西相比,其成本也可能相当惊人。南达科他州利德市旧霍姆斯特克矿拟建的中微子观测站将耗资 5 亿美元建造——这还是在一个已经挖掘好的矿井里——甚至还没考虑年度运行成本。此外还有 2.81 亿美元的“一般转换成本”。与此同时,伊利诺伊州费米实验室的一个粒子加速器仅翻新就耗资 2.6 亿美元。
简而言之,粒子物理学是一项极其昂贵的 endeavour (事业)——但它也是一项富有成效的事业。如今,粒子数量已超过 150 种,另有约 100 种疑似存在,但不幸的是,用理查德·费曼的话来说,“很难理解所有这些粒子之间的关系,大自然需要它们做什么,或者它们彼此之间的联系是什么。”不可避免地,每次我们设法打开一个盒子,我们发现里面还有另一个锁着的盒子。有些人认为存在称为快子 (tachyons) 的粒子,它们可以比光速更快。另一些人则渴望找到引力子 (gravitons)——引力的根源。我们在哪个点达到不可再分的底部,很难说。卡尔·萨根在《宇宙》中提出了这样一种可能性:如果你向下进入一个电子,你可能会发现它包含着自己的宇宙,这让人想起五十年代那些科幻故事。“在其中,组织成本地的星系和更小的结构,存在着数量巨大的、更微小的基本粒子,它们本身就是下一层次的宇宙,如此永远——无限向下的回归,宇宙中的宇宙,永无止境。”