部分物理学家花了数十年的时间去搜索宇宙中最不寻常的事件,尽管一无所获,但他们搜寻的热情并没有减少——

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大多数科学家不会为了一个也许永远不能实现的结果而等待好多年。但是,有一小部分科学家就是这么做的——他们花了几年甚至几十年的时间去搜寻基于假设的粒子或力。

布拉斯 · 卡布莱拉(Blas Cabrera)仍然记得1982年的情人节。那是一个星期天的下午,这位年轻的物理学家在实验室做出了一个令人惊叹的发现——他那台定制的探测器检测到了一种被称作磁单极子的粒子。在此后的3年里,卡布莱拉一直在加州斯坦福大学对他的发现进行验证,然而看起来他的努力似乎都白费了。“当时这的确令人兴奋,”他回忆道。但是20年后的今天,他仍然不得不去发现第二个单极子。

出于对基础物理的热爱和对那些为了完成目标而制造出来的奇特机器的迷恋,以及一个从那些基本上控制着粒子物理学的庞大加速器组中独立出来的机会,促使他们继续工作下去。“这就像毒品,一旦上瘾后你就不能摆脱它了,”吉奥克 · 格莱塔(Giorgio Gratta)说道。格莱塔也是斯坦福大学的一位物理学家,不久后他将开始搜寻一种核衰变,这种衰变大约每一亿亿亿年发生一次。尽管在研究中会遭遇挫折和假象,许多研究者依然确信他们的事业会取得成功,即便他们的探测器一个单独粒子也没有被记录下。

他们赢得尊敬的部分理由是因为他们致力于对上世纪物理学留下的一些疑难问题的探索。爱因斯坦的广义相对论解释了引力的内在工作方式,而量子力学导出了一个能够预测微小粒子相互作用的标准模型,比如夸克模型——只是试着把不同的夸克组合后得到数学上深奥的语言。在宇宙学的理论和实验观测之间存在类似的不协调——实验没有观测到宇宙中的物质就像理论上预测的那样大量结合在一起这些矛盾使得物理学家感到物理图像中很大的一块缺失了。

理论物理学家已经形成了一股通过假设新粒子和力的方式来填补裂隙的潮流。但是这些观念面临着一个问题:如果这些新粒子和力容易被发现的话,那么应该就有人已经看到它们了。因此实验物理学家必须花费很长的时间去找到它们。为此他们必须建造极其灵敏的探测器,并且将这些探测器屏蔽起来,不受外部世界的干扰,以确保它们不会欺骗自己的眼睛说看到了,而实际上最重要的是,他们得有耐心。

位于西雅图华盛顿大学的物理学家埃里克 · 艾德伯格(Eric Adelberger)就像圣徒一样有耐心。在过去10年中,他一直在观察实验室内的扭摆。他的研究小组利用扭摆来测试极小尺度上的引力行为一在这种尺度上爱因斯坦的引力理论和量子力学不相容。他说,'这些实验将会检验很多关于未知力的预言。”

这些摆随着地球的自转而扭曲。在一个系统中,由石墨和铜制成的砝码被分别用来测试作用在它们上的重力。如果确实有差别,那么这就和两个由不同材料做成的球以相同的速率下落相似,这与伽利略的著名发现相抵触。同时,它也指明了在最小尺度上引力的新理论。例如,弦理论、引力和量子世界之间的一种可能的联系,预言了在极短距离上存在改变引力规律的粒子的可能。

很少的观测结果

艾德伯格在从事引力研究以前是在核物理领域工作的,通常核物理的实验有成百上千的研究人员参加,而扭摆方面的工作给了他个性发挥的空间。他说,“从事这类实验,你属于你自己,而不是一个庞大团体中的一小部分。

在研究中,艾德伯格对扭摆进行性,艾德伯格用数吨石墨将这些砝码屏蔽起来,使得它们不受附近诸如小山、建筑物这些物体的引力干扰。

即便经过精心策划,艾德伯格的研究小组还是不得不处理一些意想不到的事情。在一个多雨的11月份,一名研究生发现扭摆周围的重力场在一天天增强而费解时,艾德伯格说,“这是因为雨水渗透进了土壤,改变了实验室里的重力场。”

“现在我们能够测到的重力场差异在1.6纳米之间,”他自豪地说。但是在十多年的时间里,艾德伯格的探测器除了揭示西雅图雨水的影响外一无所获。

然而那丝毫没有使他烦恼,也没有影响到他对事业的执着。1984年,艾德伯格成为美国物理协会的会员,1994年他被选为美国科学院院士。艾德伯格声称:他的成功应归结于“我们在实验中得到的消极结果对物理学有着至关重要的影响。”

没有意义的事件

一个积极的实验结果往往会产生更大的影响力,这意味着从事这些实验的人必须对实验结果有一个科学的预判。这个问题迷住了剑桥麻省理工学院的物理学家雷纳尔 · 韦斯(Rainer Weiss)。韦斯致力于引力波的探测——如果能够发现宇宙中引力场的微小波动,那么这将对宇宙学产生巨大的推动。

在20世纪60年代后期,帕克城马里兰大学物理学家约瑟夫 · 韦伯(Joseph Weber)声称探测到了引力波。韦伯说引力波撞击了实验室里的大铝棒,使得它像铃一样发出响声。但是批评家指出,产生这些波的力量能够毁灭整个银河系。看来韦伯被他自己的统计分析愚弄了。之后,关于引力波的争论使得这方面的研究停滞了几十年。

去年,引力场的探测进入了主流,当价值3亿美元的激光干涉引力波天文台(LICO),以及在路易斯安那和华盛顿州的一对探测器启动巨大的微波激光器时,韦斯希望能够发现来自银河系附近的引力波。研究组很清楚探测的结果将直接影响到大约400名研究人员的工作,但他们无法承担谎报的后果。“我们有一组物理设备,我们必须利用这些设备来发现一个重大的事件,”韦斯说。但是干扰——比如像热运动和机械振动一会使信号模糊不清,导致事件可能是真实的,也可能仅仅是一种错觉。“然后你就会发现你在玩卡布莱拉玩过的游戏。”

1.1

卡布莱拉的情人节发现给了他坚定的决心。磁体有一个北极和一个南极,但是数十年来,部分理论物理学家预测宇宙中可能分布着少数孤立的北极子或者南极子。它们可能构成了宇宙中失踪物质的大部分,它们也会使物理学家重新考虑标准模型,因为标准模型没有预言单极子。但是卡布莱拉知道他的发现是有问题的。尽管它符合理论预测,并且实验上没有明显的差错来解释这样的结果,但这只是一个单一事件一不足以推翻已经确立的观点。

隐秘的原料

最后,卡布莱拉写了一篇论文发表在《物理评论快报》上(B. Cabrera Phys. Rev. Lett. 48,1378-1381;1982)。他没有宣称找到了单极子,仅仅描述了那个探测器和发生的事件。“我们当中很多人说:‘上帝啊,他究竟为什么那么做呢?’”韦斯说。但是卡布莱拉的同事都赞成他的做法。“他发表了他掌握的,如实地说明了他做的工作,”韦斯邀请了卡布莱拉给LICO小组成员谈了如何处理可能突如其来的不确定事件。

卡布莱拉目前还没有探测到第二个单极子。他的小组制造了第二代和第三代探测器,尽管最后一个比最初的探测器灵敏上千倍,但是他们依旧徒劳无获。“我们没有在任何一台独立的设备中再次发现那样的事件,”他说。“看上去我们探测到一个单极子的可能性越来越小了。”

但是消极的结果并不是完全无益的。当时他们在斯坦福直线加速器中心向包括阿兰 · 古斯在内的理论物理学家发起挑战,要求他们对单极子的稀有做出解释。这影响到了古斯在暴涨理论方面的工作——暴涨理论是指在大爆炸之后宇宙瞬间呈指数式膨胀的观点。随后的天文观测已经证实了这个理论,并且它已成为现代宇宙学的支柱理论之一。

在上世纪90年代早期,卡布莱拉转而探索其他一些可以解释宇宙失踪质量的粒子。因此产生的低温暗物质搜寻计划(Cryogenic Dark Matter Search)已经运行了14年:最新的探测器放置在明尼苏达州矿井的深处以屏蔽辐射干扰,并于去年开始运行。卡布莱拉对于迄今为止他们还没有发现新粒子并不在乎,他说,“如果它们存在的话,我们一定会发现它们的。”