《萬物之理》書評：實驗推動進步 - 《華爾街日報》

1895年，威廉·倫琴妻子手部的X光影像。圖片來源：蓋蒂圖片社19世紀末，物理學家們認為他們已經對事物有了相當透徹的理解。宇宙中的一切都是由各種類型的“原子”構成的，他們相信這些原子是物質的最小單位。牛頓的運動定律與新興的電磁學相結合，可以預測這些不變的原子如何行為，無論它們是構成行星的質量還是電動機的部件。“現在只剩下細節需要探索了，”蘇西·希伊在她引人入勝的科學史著作《萬物的本質：好奇心、物理學和不可能的實驗如何改變了世界》中寫道。

然後，在1895年，德國物理學家威廉·倫琴正在擺弄一個帶有兩個電連接（稱為陰極）的真空管。當他讓電流通過管子時，管子發光了。這些“陰極射線”對研究人員來説並不陌生，但並未真正理解。然後倫琴注意到一些特別奇怪的事情：每當管子打開時，附近塗有磷的屏幕也會發光。是否有某種不可見的射線從真空管中發出？倫琴嘗試用紙板和木頭擋住管子，但磷光依然亮起。當他把手放在屏幕前時，他看到了自己骨骼的幽靈般的影像。“從這一刻起，”希伊女士寫道，“物理學將永遠不同。”

全球科學家競相確認倫琴“X射線”的本質。它是一種波嗎？還是粒子？1897年，劍橋大學著名物理學家J·J·湯姆森破解了這個謎題：陰極射線管內的射線由帶負電的粒子組成，其質量比單個氫原子輕2000倍（當這些高能粒子撞擊玻璃管壁時便釋放出X射線）。希伊女士寫道，倫琴與湯姆森共同發現的這種粒子——即我們現在所稱的電子——“徹底打破了原子作為最小不可分割實體的觀念”。經典物理學時代就此終結，亞原子物理學的新紀元——“粒子物理學”——由此開啓。在接下來的一個世紀裏，科學家們將不斷深入探索原子內部精微複雜的世界，並在此過程中徹底革新人類對宇宙的認知。

作為同時任職於牛津大學和墨爾本大學實驗室的粒子物理學家，希伊女士對這個領域充滿熱忱。她稱其為“人類史上最令人敬畏、最精妙複雜且最具創造力的探索之一”。作者還希望讀者理解，前沿物理學本質上是一項高度協作的事業。即使是最傑出的理論，也必須在複雜且往往難以駕馭的物質世界中得到驗證才能被接受——而這需要實驗的支撐。

希伊女士所“實驗”通常不是那種能帶來頓悟時刻的獨立實驗室項目，而更像是需要團隊（常常是競爭團隊）沿着特定技術路徑持續數年之久的研究行動。尋找新粒子主要有兩條路徑：部分粒子源自以某種方式被破壞的原子，研究它們需要建造功率越來越大的加速器（或稱“原子粉碎機”），通過向原子發射粒子來觀察可能釋放出的未知碎片；另一些粒子則似乎憑空出現——可能來自太空，為捕捉這些粒子，研究人員不得不在高山之巔和地底深處建立實驗室。

對於對原子結構及量子力學等概念缺乏基本瞭解的讀者來説，書中跨越一個世紀的科學發現歷程可能略顯艱深。但作者以通俗易懂的文字引領讀者穿越技術叢林。希伊女士還致力於讓公眾認識到，粒子物理學並非抽象的智力遊戲。她在每一章都詳盡列舉（甚至略顯繁瑣）亞原子研究帶來的現實應用：CT、MRI核磁共振和PET掃描儀；用於癌症治療的醫用同位素；智能手機與微波爐；乃至互聯網的誕生。

書中我們邂逅了物理學界的諸多巨擘：喬治·伽莫夫、馬克斯·普朗克、歐內斯特·盧瑟福和路易斯·阿爾瓦雷茨。秉承其技術流視角，希伊對維爾納·海森堡等理論家着墨不多，更鐘情於劍橋大學的實踐派天才——1930年代建造首台原子分裂粒子加速器的歐內斯特·沃爾頓和約翰·考克饒夫。這對搭檔既是思想家又是能工巧匠，他們無畏地組裝高壓設備，甚至用英格蘭銀行的紅封蠟修補真空泄漏。書中還致敬了長期被忽視的女性科學家，如與湯姆森、盧瑟福共事並揭示放射性衰變奧秘的哈麗特·布魯克斯。

到1960年代，粒子物理已從桌面實驗發展為工業級工程。已知亞原子粒子從寥寥數種激增至逾百種。為探尋新粒子，研究者需要更龐大的加速器、更強的能量、更多的人力——以及更驚人的資金。最終，巨型粒子加速器的造價已超出任何單一國家的承受極限。

蘇茜·希伊的故事從這裏開始。作為一名年輕的物理學學生，她曾在瑞士日內瓦附近的跨國研究中心CERN短暫工作。當時，CERN正在完成大型強子對撞機（LHC）的建設。LHC是有史以來最大的粒子加速器，也是歷史上規模最大的科學實驗，涉及約1萬名科學家和技術人員，總投資超過100億美元。

2012年，希伊女士通過直播觀看了CERN項目負責人宣佈一個期待已久的消息：他們確認了希格斯玻色子的存在，這是英國物理學家彼得·希格斯在四十年前預言的一種粒子。這一發現解決了當今粒子物理學標準模型中一些最大的難題。“鏡頭拉近到82歲的彼得·希格斯，一滴淚水從他的臉頰滑落，”她回憶道。

這是否意味着物理學的謎題已接近解答？還有什麼有待發現？希伊女士認為，儘管過去125年有許多發現，我們的宇宙仍然充滿謎團。她寫道，像她這樣的物理學家每天都能找到理由走進實驗室，“尋找那些讓我們覺得‘嗯……這很奇怪’的東西。”

梅格斯先生是曼哈頓研究所的高級研究員，播客“我們如何解決它？”的聯合主持人，曾任《大眾機械》雜誌編輯。

本文發表於2023年1月14日的印刷版，標題為《通過實驗進步》。