軸子和質子衰變，這兩個物理理論等待被喚醒

第五回 |兩大物理理論

撰文 | 弗蘭克 · 維爾切克（Frank Wilczek）

翻譯 | 胡風?梁丁當

「人生朝露，藝術千秋。」 每當我讀到有關實驗物理學家為理論物理學家（比如我）的美妙猜想尋求證據卻一無所獲的報道，都不禁會想起希波克拉底的這句格言。和藝術一樣，科學之路也是無比漫長。

在那些令人沮喪的時刻，我常常用歷史來激勵自己：就像水在沸騰前要經過一番熬煮，科學研究在成功之前也要經歷長久的醞釀。

愛因斯坦1916年預言的引力波（廣義相對論的直接結果），直到100年後的2016年，才首次被實驗探測到。希格斯玻色子這種亞原子粒子要幸運一些，從預言到發現則「僅僅」間隔50年。20世紀60年代初，理論物理學家提出：如果有某種看不見的粒子充滿整個空間，構成了一種均勻的物質（希格斯場），我們就可以更一致、更漂亮地描述已知的基本粒子。可是直到2012年，科學家才成功敲碎希格斯場並確認希格斯玻色子的存在。

又比如給我們帶來了關於大爆炸的豐富信息的宇宙微波背景輻射。早在1948年，科學家就提出了一個理論：早期宇宙的光子在宇宙膨脹過程中冷卻，會形成充滿現在宇宙空間的微波輻射。雖然研究者很早就探測到了微波背景輻射，但他們看到的只是茫茫一片，沒什麼特徵結構。一直等到1992年，科學家才初次觀察到宇宙初生時留在微波背景輻射上的印跡。

在所有這些科學探索的背後，是無數實驗科學家長年的默默耕耘。我們常常會收到一些所謂的「進展報告」，內容其實是沒什麼進展。當有了一個完美的結局時，回頭去看或許覺得這是理所當然，可在此之前，它看上去是那麼不可能。很多人都在這個過程中喪失了希望。

那麼今天的物理學中還有哪些「沉睡者」在等待著被喚醒呢？ 我有以下的猜測與期盼。

質子衰變算一個。為了理解為什麼存在如此多的基本粒子，我們假設存在這樣一種物理過程，它可以使一個基本粒子轉變成另外一個，特別是可以讓構成質子的夸克變成質量更輕的粒子，從而使質子變得不穩定。讓人沮喪的是，儘管研究者在20世紀70年代就開始通過實驗尋找這種質子衰變現象，卻至今一無所獲。不過，有些頗為誘人的理論暗示，質子衰變的發現應該為期不遠了，只待更靈敏的探測器問世。

另外一個讓我一直念念不忘的沉睡者，是一種被稱為軸子的粒子（參見2月刊《軸子：暗物質新可能》）。我們需要軸子來解釋自然基本定律的一種神奇的、彷彿上天恩賜的特性，即時間的可逆性。現實生活當然並非如此，如果你倒著放一部電影，它看上去可就全然不對了。

1977年，我和史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）各自獨立地在海倫·奎因（Helen Quinn ）和羅伯托·佩切伊（Roberto Peccei）的工作基礎上提出了軸子假說。那時我用了一種洗滌劑的名字來稱呼軸子，因為它可以「洗滌」我們對時間可逆性的認知。當時我很樂觀，以為幾個月內軸子就能被發現。那是我職業生涯中最興奮的一段時期。世界各地的很多實驗物理學家都在爭相尋找軸子。可是，唉，他們啥都沒發現。

但軸子理論的一個更為通用的版本已經獲得了廣泛支持，尤其是因為它為宇宙學家所謂的「暗物質」提供了一個優美的解決方案。暗物質是一種幽靈般的物質，根據其引力作用，我們可以判斷它們佔了宇宙物質總量的很大一部分。軸子正好具有擔任這種神秘物質的合適屬性。於是，當新一代實驗物理學家開始打造觀測這種粒子所需要的設備的時候，軸子理論又重新變得讓人興奮了。

追尋問題答案的過程是如此漫長，讓人不由得對伍迪·艾倫的電影《沉睡者》的主人公心生妒意：一個沉睡多年的人剛睜開眼就看到了未來。可是，一部好的懸疑小說，如果直接翻到結局，未免太索然無味。漫長的期盼，會讓最後的成果更加美味。

《環球科學》2月刊現已上市

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