一趟量子力学之旅，让“看不见”的科学有迹可循

我骑车来到法国和瑞士边境，此时云层汇聚，骤雨将至。我这辆 vélo de ville 自行车十分结实，完全能胜任各种路况，只有当我穿行泥泞的通道时才会发出几声似埋怨抗议的声响。沿着蜿蜒的小径路过沉寂休眠的葡萄园，从森林和卷心菜地里穿行而过，抬起头便可望见雄鹰那双冷静而注视的眼。途中我曾停下，步行走过一片古旧的墓地，在那里还发现了罗马时代的遗迹。

一整个上午我始终沉浸在忧郁和一股莫名的情愫之中，我甚至常常忘了世界上最大的机器就位于数百米的地下。但脚下蜿蜒的小径又让我想起了大型强子对撞机（LHC），这也正是我此行前往日内瓦郊外的目的。我刚刚踏上了为期一周的科学之旅，此行第一站便是位于欧洲核子研究组织（CERN）的粒子对撞机。这个长达 27 公里的环形隧道可以说得上是世界上最著名的科学站。

▲ 欧洲核子研究组织的“科学和创新之球”。

事实上，CERN 实在太受欢迎了，往往一有免费的游览行程几秒钟之内就会被一抢而空。我盯了 CERN 网站差不多有 2 个月，最后终于找到了 1 月底人数未满的参观团队。幸运的是，这个价格正好与冬季飞往欧洲的机票价格相得益彰。于是我订好了机票，开始复习我的物理知识。

大型强子对撞机将被称为质子的亚原子粒子进行加速，使其具有接近光速的速度。CERN 的科学家通过这台机器让质子相互碰撞，在全速条件下，大型强子对撞机中的每个质子一秒钟可绕行 11245 圈。巨大的探测器与世界各地的计算机网络对碰撞之后的碎片进行仔细梳理，希望能有一些新奇有趣的发现。

2012 年，大型强子对撞机发现了希格斯玻色子（Higgs boson）。这种比质子还小的亚原子粒子在理论上早就被认为是存在的，但一直未被发现。而证实这种粒子的真实存在性，也令物理学家对当代物理学标准模型以及支撑物理学的理论预言的可靠性充满信心。

▲ 欧洲核子研究组织“科学和创新之球”内部。

尽管丹·布朗的畅销小说《天使与魔鬼》以及广受欢迎的情景喜剧《生活大爆炸》对 CERN 的描述令这里颇具知名度，CERN 成为旅游景点也得益于大型强子对撞机。但最重要的原因在于，随着 2008 年大型强子对撞机即将投入运行，CERN 也成了媒体关注的焦点。一些与 CERN 无关的人士声称，大型强子对撞机或许会造成一个毁灭世界的“微型黑洞”。尽管这一说法被推翻，但 CERN 也因此变得家喻户晓。

参观 CERN 的前一天上午，我沿着描摹地下环形隧道的 Passeport Big Bang 路线骑行。我在 CERN 总部附近的一家自行车租赁店拿了一张免费的骑行路线图，还有一本采用类似于《丁丁历险记》的漫画形式介绍大型强子对撞机的小册子。CERN 在设计这本册子的过程中一定妙趣横生，比如小册子上有这样一道选择题：问：有哪些粒子在大型强子对撞机内循环运行？答：a）傻瓜 b）质子 c）面包粒。

骑行数小时之后，我险些就错过了期待已久的参观机会，于是我绕着环形隧道骑行四分之一的路程之后便掉头回去了。跑回 CERN 游客中心之际距参观时间还有几分钟，我锁上租的自行车，试着擦掉在乡间骑行过程中手上和裤子上沾到的泥浆，但未能擦干净。

▲ 瑞士日内瓦 Passeport Big Bang 骑行路线。

面积不大的迎宾区挤满了游客。我们的导游 Klaus Bätzner 是一位退休的 CERN 粒子物理学家。尽管我对他的解说一知半解，看着他为 CERN 取得的成就如此兴奋反而更加令我觉得满足。我未能全部理解并不是因为他的口音。粒子物理是一门极其复杂的学科，这就好比尝试去理一门外语一样，而且现在距离我高中学习物理知识早已过去了 25 年。

我们首先听取了有关 CERN 的介绍。尽管微型黑洞的说法已经被推翻，但这仍然是公众意识中一个挥之不去的存在。或许是为了对此作出回应，CERN 方面告知，我们在参观期间受到的辐射比牙科 X 光片检查的辐射还低。于是我们便安心地开始了参观之旅。我们穿过日内瓦边界的电车轨道，来到了超环面仪器（ATLAS）粒子探测器的控制室。这也是发现希格斯玻色子的两台探测器其中之一。探测器的实时视频画面旁放着一块牌匾，上面概括了它的崇高使命：“拓展人类认知、坚持不懈地探索人类起源以及我们所处的这个宇宙的形成原因。”

▲ 此次行程中路遇的一幅壁画，

描绘了 CERN 大型强子对撞机的大型探测器——

超环面仪器粒子探测器。

随后，我们团队参观了 CERN 最初的粒子加速器，即 1957 年为帮助遭受二战重创的欧洲在科学领域重新站稳脚跟而打造的同步回旋加速器。同步回旋加速器看上去就像是基于某人狂热的想象力而打造的虚构之物：一个沐浴在欧洲舞厅荧光灯下华而不实的装置。我们走出大楼，群山在午后的阳光下显得格外青翠和明朗。回到酒店时，我的脑海里一直想象着这样的画面：越来越大的机器追寻探究着越来越小的亚原子粒子，数十年的科学研究一步一步地丰富了人类的知识宝库。

第二天早上，乌云密布的天空终于开始下雨。外面很冷，但浓郁的咖啡，以及似乎只有法国和瑞士才有的黄油、酥酥的羊角面包，令我顿时变得坚强起来。我步行来到了拉佩尔迪拉克（La Perle du Lac）公园，这里是日内瓦别具特色的湖畔公园，乌云阴沉地掠过天空，这座城市仿佛尚未苏醒。那天下午我原本计划再去一次 CERN，但首先我想去参观科学史博物馆，追溯数百年前的时光。

▲ 位于瑞士日内瓦的拉佩尔迪拉克公园。

博物馆是一座建于 19 世纪的别墅，最初是为了巴黎的银行家们而建造。金银细丝饰品装饰的墙壁和镶嵌的木地板，与日内瓦建筑的加尔文主义实用性形成了鲜明对比。每间屋子里的科学仪器都可以追溯到 17 和 18 世纪：手工雕刻的天球仪、日晷、星盘、克鲁克斯管（也称为阴极射线管，最早的X射线管）、第一台显微镜、振荡器和电动机，以及大量的玻璃眼珠。

我本可以在那个小博物馆里呆上一整天，主要是因为这些仪器实在太过精美。这些由黄铜、木头、镜面以及最初摸索而得的电线制成的机器，依然讲述着它们所带来的发现。我透过一台有着 300 年历史的显微镜，想象着第一次观察到跳蚤身上那些曾经看不见的毛发时，会是什么样的感觉。

外面雨还在下着，重重的雨点落下，十分阴冷。前往 CERN 之前，我沿着日内瓦湖畔观看博物馆的户外展，这一系列的展览展示了一些古老的绘图和照片，以及当地科学家对这些图片的描述。日内瓦大学教授 Marc Ratcliff 选择了一幅 18 世纪的水生微生物图。他写道：“在制作这个图版的那个年代，相信无形的东西真实存在的人少之又少。”

乘坐电车从博物馆前往 CERN 非常快捷。20 分钟的行程跨越了好几个百年的发现史。我走到游客中心时，乌云已渐渐升高，映入眼帘的是附近山麓小丘上令人称奇的美景。我能望见雨凝华成雪那清晰的分界处，宛若一条穿树林而过的宇宙射线。

▲ 位于瑞士日内瓦的科学史博物馆。

我在 CERN 见到了负责教育、交流和外联项目的葡萄牙人 Ana Godinho，以及她的比利时籍同事 François Briard。我们讨论了 CERN 是如何变得家喻户晓，以及 CERN 建设更多游客设施的计划。Ana Godinho 表示：“围绕在CERN周围的神秘光环于我们十分有利。这是一项巨大的努力。这里的一切都是巨大的，尽管我们的研究对象是你甚至都看不见的微小粒子。” 令她感到惊叹不已的是，因为希格斯玻色子的发现，全世界都对CERN产生了浓厚兴趣。她表示，甚至就连不以物理为专业的人士也倾心于此，尝试去踏上寻找这种粒子的冒险之旅。

或许是因为我身为外交官的经历，这项有着协作性质的研究也引起了我的兴趣。在强硬的民族主义再度抬头的当下，我在旅行周期间参观的设施似乎未受影响，这一点着实令人欣喜。世界各地的物理学家、政府和大学为构建对撞机献策献力。正如我后来所了解的那样，这是早在大型强子对撞机之前就已经形成的合作文化。

由于现在正处于 CERN 的冬季关闭期（通常从12月底到3月中旬），Briard 得以带我至地下一睹真正的超环面仪器探测器。我站在一个小小的观察台上，目瞪口呆地看着这台几层楼高的机器，现在它的内部处于打开状态，等待检修维护。探测器是一个由镜面和电线组成的巨大网状系统，看起来就像我那天早上在博物馆看到的昆虫眼睛放大的照片。我拍了几十张照片，但没有一张能够真正捕捉到探测器那硕大的范围和宏伟的全貌。2018 年年底，大型强子对撞机将开始为期两年半的重大升级关闭期。Briard 表示，CERN 的参观行程不会受到影响，2019 年和 2020 年来参观 CERN 的游客甚至还可能会有额外收获，因为他们可能有机会参观地下探测器。

▲ François Briard 在瑞士日内瓦

参观结束走出 CERN 时，熟悉的美式英语口音让我竖起了耳朵。我瞥向 CERN 大厅，听了一会关于深层地下中微子实验室（DUNE）的介绍。这种国际合作将在 1287 公里的岩基间像打网球一样来回发射中微子束。我暗自发誓要了解更多这方面的知识，但结果我却在那天晚上和一对热爱交际的瑞士夫妇共进晚餐，享用瑞士奶酪板烧和美酒之余很快就将学习的事抛在了脑后。

然而几天后，我在芝加哥郊区时偶然又想起了 DUNE 项目。当时我刚准备前往费米国家加速器实验室（Fermilab）。费米实验室位于美国伊利诺斯州巴达维亚以西约 72 公里处，是我为期一周的科学之旅的最后一站。大型强子对撞机的前身 Tevatron 粒子加速器就在这里。

与 CERN 一样，费米实验室也对公众开放，除定期参观外，还会在位于威尔逊大厦（Wilson Hall）的总部举办常设展览。威尔逊大厦是建成于上世纪中叶的一座造型前卫的大楼。等待参观之际，我发现 DUNE 的实验实际上就是在费米实验室进行的。科学家们利用安装在南达科他州里德的巨型探测器来探测从费米实验室的质子加速器发出的中微子。费米实验室曾参与打造了大型强子对撞机的重要部件，同样，CERN 也在协助构建 DUNE 的探测器。

每月一次的 Tevatron 6.85 公里长环形隧道和主探测器 DZero 免费之旅开始前，我曾瞥了几眼 DUNE 的主控制室。和现在的 CERN 一样，Tevatron 在 1983 年至 2011 年期间（Tevatron的使用年限）曾是国际物理合作的主要场所。Tevatron 的研究人员发现了另一种亚原子粒子顶夸克（top quark），同时也为 CERN 发现希格斯玻色子奠定了基础。

距离 Tevatron 最近一次发射粒子束才刚刚过去 7 年，但时间的飞逝感觉远比 7 年更加久远。如今，Tevatron 就好比是一个时间胶囊，凸显着科学、机械和计算领域的飞速发展。我们参观团沿着楼梯井向下走去，用作照明的荧光灯不时闪烁着发出嗡嗡的声响。我们随后来到的地方闻起来就像是我祖父的地下室工具间。

与 CERN 锃亮的先进设施、采用视网膜扫描仪进入通往大型强子对撞机的电梯相比，参观 Tevatron 实在是太过老式了。DZero 控制室内，笔记本和铅笔的摆放位置都不曾变过，显示器看上去就像阿波罗太空计划重新回收利用的材料，角落里还摆放着一台闲置的麦金塔电脑（Macintosh IIci，贴在显眼位置的标签显示该电脑系美国政府所有）。旁边是一本久经翻阅的 2000 年费米实验室电话号码簿。

我们往地下走了两层穿过 DZero 探测器。狭窄的通道错综复杂，用来通行的那些梯子可能就是从附近的五金店里买来的。控制杆和扶手上贴着数十张手写的警示说明。地下的温度很低，空气中还飘着古老的电子产品和废弃物混合产生的霉味。但当我爬上摇摇晃晃的梯子进入两层楼高的探测器时，我还是体验到了眼花缭乱的历险感。我目瞪口呆地站在那里，盯着数以万计的红色和绿色的电线、镜面、矩形探测器面板和闪烁的控制灯。这些在 10 年前可都是最尖端的东西。

参观结束后，我乘坐电梯来到了威尔逊大厦顶层的画廊和观景台。在冬日午后一晃而过的日光下，我能够望见描摹在地下沉睡的 Tevatron 路线的环形堤道。附近的一个展览介绍写着“粒子束是一种非常有用的工具”，并列出了由这项研究衍生出的所有应用。例如，我们可以“抑制肿瘤生长、生产更好的子午线轮胎、检测艺术赝品、勘探石油、包装感恩节火鸡”。同样 CERN 也公布了他们的一位研究人员在 1989 年发明万维网的这一事实。但对我而言，这些应用带给我的震撼，远不如基础研究本身以及尝试回答这一最根本问题所带来的那种雀跃：为什么会有物质存在而不是空无一物？

我离开费米实验室时已是黄昏时分，在日薄西山最后的几缕阳光照射下，草原也变成了橘红色。我开车向出口驶去时，一只身形硕大的草原狼在茎类植物和香蒲丛中瞪着我，它与我视线交错的一瞬立刻判断自己是否该跑开还是坚守原地。参观 CERN 和费米实验室之前，或许我只会因为看见野生动物而感到欣喜，继而又会将注意力转移至别处。然而这一次我回到家后依然沉浸在关于草原狼的现实中。

▲ 美国伊利诺斯州巴达维亚的

在日内瓦和伊利诺伊州郊区的一周时间里，我访问了一个名为“科学”的繁荣异邦。这也让我想到了旅行的诸多理由：单纯只为享乐、获得全新的视角与知识，或与自己所爱之人间的距离更近（选择这一条理由是因为我妹妹也是一名科学家）。然而，我不曾预料到的是，科学之旅竟会带给我如此多的启发。粒子对撞机和 300 年前的实验室设备为我们展现了人性中美好的一面。

日内瓦科学史博物馆的一件物品在我脑海里萦绕了好几个星期——一座由铜、锌、毛毡、玻璃和木头组成的细长的塔，闪烁着新时代的希望。这是意大利物理学家亚历山德罗·伏特（Alessandro Volta）在 1800 年发明的“伏打电堆”，是世上第一块电池。和博物馆里的其他东西一样，它的问世是打造费米实验室、CERN 中那些令人称奇的机器的基本要素，也是我们日常生活中使用的电子设备的必要构件。“伏打电堆”旁的说明写道，这块电池“驯服了电”。我很喜欢这样的一幅画面：驯服凶猛的闪电后，轻轻拍了拍它的头，然后将它放入容器中，以供将来使用。

从那以后，我一直都在想象着伏特的同代人以及这位物理学家本人，他们凝视着世上第一块电池，陶醉于发现新事物所带来的喜悦之中，因为这就是我们内心最深处的本性。这也是我享受科普旅游、参观处于人类认知最前沿的科学站的原因所在。这会令人精神振奋，也让我对未来兴奋不已。伏特彼时的喜悦我亦能感同身受。

Peter Kujawinski

本文引自 NYTtravel新视线