戈多会来吗?理论物理学家的一纸计算,实验物理学家要赔上一生

周劼 资深媒体人,业余从事文史、艺术研究。

1956年,泡利收到莱因斯和柯恩从美国发来的电报:

现谨奉告:通过观察质子的逆β衰变,我们已经确定从裂变碎片中观测到了中微子。

泡利当晚回电:知道如何等待戈多,戈多终会来。(按,笔者意译)

这是在泡利提出中微子假设的27年后,终于在实验中直接证实了这个“小家伙”的真实存在。再39年后(1995年),莱因斯因为这项观测而获得诺贝尔物理学奖。

观测中微子有两种途径,一种是等到宇宙中超新星爆发,抛出大量的粒子流,观测其中的中微子流涨落。后来日本的小柴昌俊做的就是这样的研究;另一种是通过实验的手段来人为制造中微子流,莱因斯他们做的就是这样的研究。这个实验说起来有些骇人,他们最初提出的设想是用核爆的强β衰变,提供足够的中微子源,再通过中微子跟质子的相互作用来进行间接观测。为此他们打报告,要动用一颗原子弹来做实验。这个想法没吓到科学家,倒把军方和政界吓了一大跳,科学家不会拐弯的大脑,无视世界局势和老百姓的观感,只会让人觉得太过疯狂。莱因斯他们只好改用较为平和的核反应堆放射性环境来观测,但可控常常意味着不足,中微子源数量不够,观测的难度极大。

这两种方法其实都有些愚公之愚,等超新星爆发,可望不可即,等反应堆能测量到,也是可遇不可求,除了耗费长时间的等待,别无他途,成功的概率极低,能成功是运气。所以“中微子之父”泡利对待实验的态度就是等待,悲观一点儿,便如现代荒诞戏剧里的戈多,“总也不来,死也不走,啥也不发生”;乐观一点儿,便如《边城》里翠翠等着的为她月下唱歌的人,“这个人也许永远不回来了,也许‘明天’回来!”而所谓“知道如何等待”,不是泡利故作旷达之语的话,无非在悲欣交集中默念《心经》,心无挂碍,远离颠倒梦想,一根筋等待。

理论物理学家和实验物理学家的关系,很像前者“动动嘴”、后者“跑断腿”的欢喜冤家,前者随口一句话、一个思想的火花,后者可能要付出一生的代价,前者“临去秋波那一转”,后者便“天地合,乃敢与君绝”。

还拿小柴昌俊说吧,他做中微子观测实验的同时还做质子衰变实验。1987年,泡利提出中微子假设58年后,也是小柴即将退休的前一年,他的实验终于观测到距地球15万光年之处宇宙超新星爆发的中微子流(他本人2002年获得诺贝尔物理学奖)。中微子实验虽然漫长,等待终还有个头,而质子衰变实验则遥遥无期,远远看不到头。遥遥无期是什么意思?质子衰变之缓慢,科幻加科普大家阿西莫夫有个对比:将质子想象成地球那么大的空心,这个空心球体里,有三个现实中原子般大小的夸克,换句话说,三个原子在地球那么大的空间内无规则运动,它们发生碰撞之机就是质子衰变之时。按照理论物理学家的计算,质子衰变的半衰期为1031年,这是什么概念?这个时间长度约为目前所知宇宙年龄的6万亿亿倍,如果把宇宙目前的年龄设定为一秒,那么质子预期的半衰期为200万亿年,对于质子而言,“天玄地黄,宇宙洪荒”比一眨眼还要短得多、得多……就算是物理学实验中常用的拿数量对冲时间的话,1031个质子,大约是10000吨水中的质子数,这一万吨水一年中只有1个或几个质子衰变,而找到这一个,比太平洋里捞针还要难。理论物理学家的一纸计算,实验物理学家要赔上一生,用小柴自述的话说,“持续观察多年,就有可能发现质子的衰变,但希望渺茫”。

“可能”说明了还有不可能,“渺茫”则更说明不可能比可能还可能,但实验物理学家还要干等。“干等”这个词在实验物理里有了新的意义:干+等,非做不可是干,一切成败利钝交给时间是等。面对自然不肯揭开的面纱,人类总有不可遏止的好奇心,总要利用各种手段去探索发现,并把快乐和成就感留给过程,而非结果。那些耗费一代甚至几代学人生涯却无望的实验,真正阐释了何谓“但问耕耘,不问收获”。小柴着手质子衰变实验时,专门请来理论物理的大咖,也是诺贝尔奖得主的格拉肖来参观,格拉肖在实验探测器的门上题词:

质子如果回来的话,我将衰变。

是耶非耶,喜乎悲乎?这句隽语包含了人类小尺度面对宇宙大尺度的百感交集、万千慨叹,一言难尽。而小柴则在自述传中的结尾给出了自己的阐释:

对于年轻人,我想对他们说:“热衷于这项研究,也许你的一生都不会有什么成果。”然而,即便如此,还是应该试试看。(文/周劼)

【编辑:黄亚婷】

(作者:周劼)

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