《万物之理》书评：实验推动进步 - 《华尔街日报》

1895年，威廉·伦琴妻子手部的X光影像。图片来源：盖蒂图片社19世纪末，物理学家们认为他们已经对事物有了相当透彻的理解。宇宙中的一切都是由各种类型的“原子”构成的，他们相信这些原子是物质的最小单位。牛顿的运动定律与新兴的电磁学相结合，可以预测这些不变的原子如何行为，无论它们是构成行星的质量还是电动机的部件。“现在只剩下细节需要探索了，”苏西·希伊在她引人入胜的科学史著作《万物的本质：好奇心、物理学和不可能的实验如何改变了世界》中写道。

然后，在1895年，德国物理学家威廉·伦琴正在摆弄一个带有两个电连接（称为阴极）的真空管。当他让电流通过管子时，管子发光了。这些“阴极射线”对研究人员来说并不陌生，但并未真正理解。然后伦琴注意到一些特别奇怪的事情：每当管子打开时，附近涂有磷的屏幕也会发光。是否有某种不可见的射线从真空管中发出？伦琴尝试用纸板和木头挡住管子，但磷光依然亮起。当他把手放在屏幕前时，他看到了自己骨骼的幽灵般的影像。“从这一刻起，”希伊女士写道，“物理学将永远不同。”

全球科学家竞相确认伦琴“X射线”的本质。它是一种波吗？还是粒子？1897年，剑桥大学著名物理学家J·J·汤姆森破解了这个谜题：阴极射线管内的射线由带负电的粒子组成，其质量比单个氢原子轻2000倍（当这些高能粒子撞击玻璃管壁时便释放出X射线）。希伊女士写道，伦琴与汤姆森共同发现的这种粒子——即我们现在所称的电子——“彻底打破了原子作为最小不可分割实体的观念”。经典物理学时代就此终结，亚原子物理学的新纪元——“粒子物理学”——由此开启。在接下来的一个世纪里，科学家们将不断深入探索原子内部精微复杂的世界，并在此过程中彻底革新人类对宇宙的认知。

作为同时任职于牛津大学和墨尔本大学实验室的粒子物理学家，希伊女士对这个领域充满热忱。她称其为“人类史上最令人敬畏、最精妙复杂且最具创造力的探索之一”。作者还希望读者理解，前沿物理学本质上是一项高度协作的事业。即使是最杰出的理论，也必须在复杂且往往难以驾驭的物质世界中得到验证才能被接受——而这需要实验的支撑。

希伊女士所“实验”通常不是那种能带来顿悟时刻的独立实验室项目，而更像是需要团队（常常是竞争团队）沿着特定技术路径持续数年之久的研究行动。寻找新粒子主要有两条路径：部分粒子源自以某种方式被破坏的原子，研究它们需要建造功率越来越大的加速器（或称“原子粉碎机”），通过向原子发射粒子来观察可能释放出的未知碎片；另一些粒子则似乎凭空出现——可能来自太空，为捕捉这些粒子，研究人员不得不在高山之巅和地底深处建立实验室。

对于对原子结构及量子力学等概念缺乏基本了解的读者来说，书中跨越一个世纪的科学发现历程可能略显艰深。但作者以通俗易懂的文字引领读者穿越技术丛林。希伊女士还致力于让公众认识到，粒子物理学并非抽象的智力游戏。她在每一章都详尽列举（甚至略显繁琐）亚原子研究带来的现实应用：CT、MRI核磁共振和PET扫描仪；用于癌症治疗的医用同位素；智能手机与微波炉；乃至互联网的诞生。

书中我们邂逅了物理学界的诸多巨擘：乔治·伽莫夫、马克斯·普朗克、欧内斯特·卢瑟福和路易斯·阿尔瓦雷茨。秉承其技术流视角，希伊对维尔纳·海森堡等理论家着墨不多，更钟情于剑桥大学的实践派天才——1930年代建造首台原子分裂粒子加速器的欧内斯特·沃尔顿和约翰·考克饶夫。这对搭档既是思想家又是能工巧匠，他们无畏地组装高压设备，甚至用英格兰银行的红封蜡修补真空泄漏。书中还致敬了长期被忽视的女性科学家，如与汤姆森、卢瑟福共事并揭示放射性衰变奥秘的哈丽特·布鲁克斯。

到1960年代，粒子物理已从桌面实验发展为工业级工程。已知亚原子粒子从寥寥数种激增至逾百种。为探寻新粒子，研究者需要更庞大的加速器、更强的能量、更多的人力——以及更惊人的资金。最终，巨型粒子加速器的造价已超出任何单一国家的承受极限。

苏茜·希伊的故事从这里开始。作为一名年轻的物理学学生，她曾在瑞士日内瓦附近的跨国研究中心CERN短暂工作。当时，CERN正在完成大型强子对撞机（LHC）的建设。LHC是有史以来最大的粒子加速器，也是历史上规模最大的科学实验，涉及约1万名科学家和技术人员，总投资超过100亿美元。

2012年，希伊女士通过直播观看了CERN项目负责人宣布一个期待已久的消息：他们确认了希格斯玻色子的存在，这是英国物理学家彼得·希格斯在四十年前预言的一种粒子。这一发现解决了当今粒子物理学标准模型中一些最大的难题。“镜头拉近到82岁的彼得·希格斯，一滴泪水从他的脸颊滑落，”她回忆道。

这是否意味着物理学的谜题已接近解答？还有什么有待发现？希伊女士认为，尽管过去125年有许多发现，我们的宇宙仍然充满谜团。她写道，像她这样的物理学家每天都能找到理由走进实验室，“寻找那些让我们觉得‘嗯……这很奇怪’的东西。”

梅格斯先生是曼哈顿研究所的高级研究员，播客“我们如何解决它？”的联合主持人，曾任《大众机械》杂志编辑。

本文发表于2023年1月14日的印刷版，标题为《通过实验进步》。