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戈多會來嗎?理論物理學家的一紙計算,實驗物理學家要賠上一生

發(fā)布時間:2019年12月10日09:17 來源: 長江日報-長江網

周劼 資深媒體人,業(yè)余從事文史、藝術研究。

1956年,泡利收到萊因斯和柯恩從美國發(fā)來的電報:

現(xiàn)謹奉告:通過觀察質子的逆β衰變,我們已經確定從裂變碎片中觀測到了中微子。

泡利當晚回電:知道如何等待戈多,戈多終會來。(按,筆者意譯)

這是在泡利提出中微子假設的27年后,終于在實驗中直接證實了這個“小家伙”的真實存在。再39年后(1995年),萊因斯因為這項觀測而獲得諾貝爾物理學獎。

觀測中微子有兩種途徑,一種是等到宇宙中超新星爆發(fā),拋出大量的粒子流,觀測其中的中微子流漲落。后來日本的小柴昌俊做的就是這樣的研究;另一種是通過實驗的手段來人為制造中微子流,萊因斯他們做的就是這樣的研究。這個實驗說起來有些駭人,他們最初提出的設想是用核爆的強β衰變,提供足夠的中微子源,再通過中微子跟質子的相互作用來進行間接觀測。為此他們打報告,要動用一顆原子彈來做實驗。這個想法沒嚇到科學家,倒把軍方和政界嚇了一大跳,科學家不會拐彎的大腦,無視世界局勢和老百姓的觀感,只會讓人覺得太過瘋狂。萊因斯他們只好改用較為平和的核反應堆放射性環(huán)境來觀測,但可控常常意味著不足,中微子源數(shù)量不夠,觀測的難度極大。

這兩種方法其實都有些愚公之愚,等超新星爆發(fā),可望不可即,等反應堆能測量到,也是可遇不可求,除了耗費長時間的等待,別無他途,成功的概率極低,能成功是運氣。所以“中微子之父”泡利對待實驗的態(tài)度就是等待,悲觀一點兒,便如現(xiàn)代荒誕戲劇里的戈多,“總也不來,死也不走,啥也不發(fā)生”;樂觀一點兒,便如《邊城》里翠翠等著的為她月下唱歌的人,“這個人也許永遠不回來了,也許‘明天’回來!”而所謂“知道如何等待”,不是泡利故作曠達之語的話,無非在悲欣交集中默念《心經》,心無掛礙,遠離顛倒夢想,一根筋等待。

理論物理學家和實驗物理學家的關系,很像前者“動動嘴”、后者“跑斷腿”的歡喜冤家,前者隨口一句話、一個思想的火花,后者可能要付出一生的代價,前者“臨去秋波那一轉”,后者便“天地合,乃敢與君絕”。

還拿小柴昌俊說吧,他做中微子觀測實驗的同時還做質子衰變實驗。1987年,泡利提出中微子假設58年后,也是小柴即將退休的前一年,他的實驗終于觀測到距地球15萬光年之處宇宙超新星爆發(fā)的中微子流(他本人2002年獲得諾貝爾物理學獎)。中微子實驗雖然漫長,等待終還有個頭,而質子衰變實驗則遙遙無期,遠遠看不到頭。遙遙無期是什么意思?質子衰變之緩慢,科幻加科普大家阿西莫夫有個對比:將質子想象成地球那么大的空心,這個空心球體里,有三個現(xiàn)實中原子般大小的夸克,換句話說,三個原子在地球那么大的空間內無規(guī)則運動,它們發(fā)生碰撞之機就是質子衰變之時。按照理論物理學家的計算,質子衰變的半衰期為1031年,這是什么概念?這個時間長度約為目前所知宇宙年齡的6萬億億倍,如果把宇宙目前的年齡設定為一秒,那么質子預期的半衰期為200萬億年,對于質子而言,“天玄地黃,宇宙洪荒”比一眨眼還要短得多、得多……就算是物理學實驗中常用的拿數(shù)量對沖時間的話,1031個質子,大約是10000噸水中的質子數(shù),這一萬噸水一年中只有1個或幾個質子衰變,而找到這一個,比太平洋里撈針還要難。理論物理學家的一紙計算,實驗物理學家要賠上一生,用小柴自述的話說,“持續(xù)觀察多年,就有可能發(fā)現(xiàn)質子的衰變,但希望渺?!?。

“可能”說明了還有不可能,“渺?!眲t更說明不可能比可能還可能,但實驗物理學家還要干等?!案傻取边@個詞在實驗物理里有了新的意義:干+等,非做不可是干,一切成敗利鈍交給時間是等。面對自然不肯揭開的面紗,人類總有不可遏止的好奇心,總要利用各種手段去探索發(fā)現(xiàn),并把快樂和成就感留給過程,而非結果。那些耗費一代甚至幾代學人生涯卻無望的實驗,真正闡釋了何謂“但問耕耘,不問收獲”。小柴著手質子衰變實驗時,專門請來理論物理的大咖,也是諾貝爾獎得主的格拉肖來參觀,格拉肖在實驗探測器的門上題詞:

質子如果回來的話,我將衰變。

是耶非耶,喜乎悲乎?這句雋語包含了人類小尺度面對宇宙大尺度的百感交集、萬千慨嘆,一言難盡。而小柴則在自述傳中的結尾給出了自己的闡釋:

對于年輕人,我想對他們說:“熱衷于這項研究,也許你的一生都不會有什么成果?!比欢幢闳绱?,還是應該試試看。(文\/周劼)

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