瑞士－法国边界之下的隧道中，巨大的ATLAS探测器已建设成形，它将通过观测最微观的世界，来帮助物理学家揭示整个宇宙的运作原理。
如果你从迷人的法国村庄克罗泽的中央垂直向下打一个100米深的洞，你将到达一处令人联想到007电影中地下魔窟的地方。一条宽3米、灯火辉煌的隧道呈曲线伸向远方，每隔几公里就有一个高大的洞厅，里面装满了重型钢结构、电缆、管道、电线、磁体、管件、连杆、步梯和各种谜一般的部件。
这个高科技地下世界其实是一架极为巨大的科学装置，确切地说是粒子加速器，也是迄今为止威力最大的原子枪。它的名字叫做“大型强子对撞机”（LHC），它的使命简单而宏伟： 破解物质世界的密码，揭密宇宙的组成； 换句话说，就是探求万物的根本。在2008年的某个时刻，将会有两束粒子在这条长达27公里的环状地下隧道内以相对的方向射出。在上千个超低温冷却的、如香肠一般首尾相连的圆柱状磁体牵引下，两束粒子将在隧道内的四个位置上会合，并以接近光速的速度相撞。如果一切进展顺利，物质将会在这种激烈的碰撞下转化为巨大的能量，这些能量又会凝聚成各种各样的奇妙粒子，有的还是人们从未见识过的。实验粒子物理学的精髓就在这里： 把几种东西一起打碎，看看有什么新东西产生。
那些分布在隧道沿途的大型设备会精密检测碰撞中迸发出来的物质。其中最大的一台叫做ATLAS，它的探测器有七层楼高。而最重的一台叫做紧凑μ子螺线管探测器（CMS），比艾菲尔铁塔还要沉。“越是找小东西，越要用大设备”在欧洲核子研究中心可谓至理名言。这座国际实验室早年的简称“CERN”更为人所熟知。
这听起来有点吓人，事实上也的确令人生畏，将大型强子对撞机建在隧道里是审慎之举。虽说粒子束的威力几乎可以穿透任何物体，但最可能遭到破坏的是对撞机本身。已经发生过一起小事故了：2007年3月的一次测试中，一个磁体差点从支架中弹出来。此后，科学家为了修正一个设计缺陷，已经替换了24 个磁体。操作对撞机的技术人员不太乐于谈论可能出现的各种问题，这大概是由于公众往往有种莫名的恐惧，总担心疯狂的科学家会一不留神造出个黑洞，把地球吞掉。
还有一个听起来比较合理的担忧是： 对撞机会有负众望，无法找出物理学家坚持认为深藏在物质世界底层的神秘事物。如此庞大的机器必须要做出重大的科学发现、得出重大问题的答案，才算有个交待； 它不仅得制造出引人瞩目的粒子，还得爆出头版头条的新闻。但即便是这种大手笔的研究项目，也不能解答有关物质和能量的所有重大问题，绝对不能。因为一个世纪以来的粒子物理学发展已使我们领悟了一条真理：物质不会轻易展露它的奥秘。打个比方说，宇宙之谜是个难以砸开的核桃。
回溯至100多年前的19世纪末，看看那时的物理学界：理论体系成熟，学者志得意满。当时有些人相信，只要再弄清物理学中残存的几个小问题，就能完全了解宇宙万物；物质依照一套明晰的秩序，在牛顿作用力的统治下构成一个有条不紊的宇宙，而原子则是物质的根本；根据定义，原子是不可再分的，它的名字就是取自希腊语中的“不可切分”一词。
但后来，不可思议的事物接二连三地从实验室里冒出来：X光、γ 射线、以及被称为“放射性”的神秘现象。物理学家J·J·汤姆孙发现了电子。原来原子还可以再分为若干组分。那么是否如汤姆孙所设想的，原子就像个布丁，电子是嵌在里面的葡萄干？当然不是。1911 年，物理学家欧内斯特· 卢瑟福宣布，原子内大部分是空的，它的质量集中在微小的原子核上，而电子环绕于核外。
物理学经历了一次又一次革命。爱因斯坦的狭义相对论（1905 年）引出了广义相对论（1915年），突然间，就连“绝对空间”和“绝对时间”这等毋庸置疑的概念也遭到摒弃，取而代之的是匪夷所思的时空观。在新提出的时空结构中，永远不存在“同时发生”的两件事情。物质会导致空间弯曲； 空间决定物质的运动状态； 光既是粒子也是波；能量和质量可以互相转化。事物的发展符合概率论，而不是决定论——虽然爱因斯坦从不相信宇宙的格局是老天爷靠掷骰子来敲定的，但这种观念却成了科学界的正统。
20 世纪30 年代初，欧内斯特· 劳伦斯已发明了第一个环形粒子加速器， 即小巧的“回旋加速器”，他一只手就可以拿起来。如今，美国政府设在芝加哥西部费米实验室里的那台加速器，得安置在几平方公里的大草原和一小群野牛之下才能隐藏形迹。若你驱车在加利福尼亚州帕洛阿尔托市附近的胡尼佩罗· 塞拉高速公路上飞驰，就恰好能从一个长达3公里的直线型粒子加速器上方驶过。而大型强子对撞机的规模甚至跨越了国界。现在仍有些物理学家在实验桌上搞研究，想靠着简朴的工具得出大成果，但从现实的角度来看，要打破物质构造的谜团，就必须采用庞大、强力、能量充沛的设备。
虽然我们如今掌握的一些知识是爱因斯坦、卢瑟福、普朗克、玻尔、海森堡等一个世纪前的伟大物理学家根本无法想象的，但距离物质世界的终极理论仍然路途遥远。分子由原子构成； 原子由被称为质子、中子和电子的粒子构成； 质子和中子（合称“强子”，前文提到的对撞机的名称由此而来）由被称为夸克和胶子的奇特物质构成——但刚深入到这个地步，我们的视野已经模糊不清了。夸克是基本粒子呢，还是由更小的粒子构成？电子虽被认为是基本粒子，但谁也不敢打保票。
然而，理论物理学家仍渴求简单的答案。他们想得到一个干净利落、浑然一体的物质模型。他们在上世纪60～70 年代发展出来的标准模型被普遍认为笨拙难用，就像一台挂满了零七碎八的线头和部件的仪器。模型中包括57 种基本粒子，而许多描述这些粒子间相互作用的数据都找不到关联的头绪。费米实验室的理论家乔· 莱肯说：“我们这套模型理论原本是又漂亮又精致，可后来被人改来改去，糟践得不成样子了。”
宇宙的格局植根于由粒子和作用力构成的微观世界，其中有几个重大谜团无法用标准模型来解释。如果说在上个世纪的科学探索中有什么真正非凡的概念浮现出来的话，那就是： 我们现在所处的宇宙曾比一个原子还小。这就是粒子物理学家在探讨宇宙学，而宇宙学家也在探讨粒子物理学的原因： 我们的存在，乃至我们的整个宇宙，都源于一些规模极其微小的事件。宇宙大爆炸理论指出，我们的宇宙曾经没有任何维度——没有上下之分、左右之别，没有时间流逝，只有超出我们想象的物理定律。
一个无限密集的宇宙怎么会变得如此庞大而空旷？其中又如何充满了物质？从理论上讲，在早期宇宙膨胀的过程中，能量会凝结为等量的物质与反物质，而两者一旦接触便会互相抵消，还原成纯粹的能量。这样说来，宇宙应该是空的。然而它内部却遍布着恒星、行星、迷人的法国村庄等等。物质与反物质抵消后刚好有足够盈余，才能形成这个供我们容身的宇宙，大型强子对撞机实验也许能够帮助物理学家了解，这等天赐洪福是从何而来。
那么暗物质之谜呢？对一些遥远星系的动态进行精确观测，结果表明，它们所承受的万有引力，比自身的可见物质所能产生的力要大。这片星空中肯定存在着某些奇特的隐秘物质。有种“超对称”理论可以解释这一现象。该理论认为，在早期的宇宙中，每种基本粒子都与一种质量比它大得多的粒子相匹配。电子可能曾有个颇具分量的伙伴，即物理学家所说的超电子；μ子和夸克同样可能曾对应着超μ子和超夸克。据推测，许多像这样的超对称伙伴都是不稳定的，但其中一种也许刚好足够稳定，得以从时间的起点一直留存至今。也许就在此刻，这种粒子正流过你的身体，却毫不牵动你的血肉骨骼。它也许就是暗物质。
通过使各种粒子相互碰撞、创造自宇宙诞生那一刻以后就再未出现过的能量和温度，大型强子对撞机也许能揭示那些粒子和作用力——正是它们制定了后世万物共同遵守的法则，这会有助于回答这个宇宙中一切有灵性者心中一个最基本的问题：“世界的本原是什么？”有一块“物质拼图”是物理学家尤其渴望从大型强子对撞机的高能碰撞灰烬中找到的，有的人把它称为“上帝粒子”。
若你向物理学家请教“上帝粒子”，最先听到的就是：这是个不得体的称呼。几年前，对造词很有一套的诺贝尔物理学奖得主利昂· 莱德曼为这种粒子起了这么个诨名，自然而然就在记者们当中传开了——他们一听就知道这名字对粒子来说再好不过，可比“μ 子”、“Z玻色子”什么的风光多了。
物理学家通常更愿意将“上帝粒子”称为希格斯玻色子或希格斯粒子，要么干脆叫“希格斯子”，以纪念40多年前提出该粒子存在的爱丁堡大学物理学家彼得· 希格斯。大部分物理学家都认为，一定存在着一种遍布所有空间的“希格斯场”，希格斯粒子就是这种场的载体，并与其他粒子相互作用，就像《星球大战》中绝地武士是“原力”的载体一样。希格斯子是粒子物理学标准模型中的一个关键部分——但从来没有人发现过它的踪迹。
理论物理学家约翰· 埃利斯是在欧洲核子研究中心寻找希格斯子的科学家之一。他埋头工作时，案上的科学论文堆得像图腾柱一样，看上去简直有违重力定律。他留着长长的灰白头发和白胡子，我没有不敬的意思，可他看起来真像是西藏某座山巅上的隐士。
埃利斯解释说，理论上基本粒子的质量就是希格斯场赋予的。他打了个比方：各种基本粒子就好似冲过一片泥地的人群，夸克等粒子穿着大靴子，脚上粘了很多泥； 而电子之类的粒子穿着小号鞋，几乎粘不上什么泥； 光子不穿鞋，仅仅是一尘不染地从泥上滑过。这泥地就是希格斯场。
据推测，希格斯玻色子比大多数亚原子粒子大得多，它的质量可能是质子的100～200倍。正因如此，才需要用庞大的对撞机来制造希格斯子——碰撞的能量越大，诞生于尘埃中的粒子就越大。但与所有特大型粒子一样，希格斯子这样的大块头并不稳定。它不是那种肯好好呆着让你检测的粒子——它在几亿亿亿分之一秒之内就会衰变成其他粒子。大型强子对撞机的功能就是制造出一个微小、紧密的能量团，使希格斯子有可能被创造出来，并维系得足够久、足够活跃，从而可以被检测到。建造这样的设备来寻找希格斯子，有点像是一名单口相声演员初出茅庐，满心盼着哪天登台时能冷不丁抖出个绝妙的包袱，让台下的观众笑翻了天。
你得戴上安全帽，拿着应急用的氧气面罩才可以乘电梯下到大型强子对撞机的隧道里。我去的时候，一个主要的建设项目还在施工，可以听到平日工地上那种焊枪和金属锯的噪音。那是工人在安装磁体。如今他们已经完成了这项工程，总共安装了1600多个磁体，其中绝大多数都有半个篮球场那么长，重达35吨。
古怪的是，这些磁体不是用来给粒子加速的——另有一个单独的设备产生电波，使粒子沿环形隧道加速。这些磁体的任务是一点点地扭转粒子流，让它兜圈子。因为接近光速飞行的大量粒子一辈子的愿望就是笔直地向前冲，科学家只能逐步使之转弯，于是才有了周长27 公里的环形隧道。
当粒子相撞时，它们的能量会转化为质量，产生四散的尘埃。物理学家不会在尘埃中直接观测到希格斯子，但大型强子对撞机将要进行的四大实验中有两个可以记录希格斯子分解时产生的碎片，也就是希格斯子的衰变迹象。据估计，只有极少数碰撞能生成希格斯子——几率不超过几万亿分之一。绝大多数碰撞不会生成什么太有趣的东西。连着探测器的电脑通过筛选几百万G字节的数据，会捕捉到希格斯子——确切地说是它的碎片。
欧洲核子研究中心面临的一个主要问题是： 如何确定找到了希格斯子？需要多少证据？他们有两项寻找希格斯子的实验在同步进行，相互竞争。如果一项实验找到了，是不是即便另一项实验没有找到，他们也会公布这个发现？ATLAS 和CMS 这两大实验的关系就好像可口可乐和百事可乐，做的是同样的“生意”，但使用的是不同技术，而且两者竞争相当激烈。我去参观ATLAS的那天，负责人彼得·詹尼得知我已经看过了CMS，就说：“现在让你看看更大的。”透露出些许“我的设备比他好”的腔调。CMS是在地面上建好的，以后将分成几大块，依次经由一条通道运到隧道沿线的一个大洞穴里。我见到CMS 项目中的一位科学家戴夫· 巴内，不识趣地问了他一句，要是搬运时出了什么差错，有一大块设备跌落——哗啦一下子，那怎么办？“不会发生这种事，”他板起脸说，“要是倒霉到那个份儿上就完啦。”
我意识到，打听对撞机可能会出什么样的差错，就触及了一个敏感话题。不，对撞机不会把世界炸碎的，可这毕竟是高能物理设施。科学家理查德· 雅各布松说，当那些磁体通电以后，在附近挥榔头的工人最好还是戴顶头盔。等大型强子对撞机开始工作以后，欧洲将会立刻成为粒子物理学的心脏，而美国需要想方设法才能保住一席之地。虽说与大型强子对撞机的科研潜能相比，这可能是个无关大体的话题，但却是人们乐于谈论的。自“曼哈顿计划”以来，世人普遍认为美国主导着物理学领域。直到今天，拥有万亿电子伏加速对撞机的费米实验室仍然掌握着能量研究的最前沿。尽管这台对撞机发现了一些重要的粒子，但也许还不足以探寻希格斯子。
大型强子对撞机花费的资金将高达几十亿美元——可能是50 亿，也可能达到100 亿——确切的数目说不准（科学研究是精确的，但它的花费账目却显然遵循的是“测不准原则”），其中部分投资来自美国，但大部分工程是由欧洲的公司完成的。于尔根· 舒克拉夫特负责指导大型强子对撞机的一项名为ALICE的实验（模拟宇宙大爆炸发生后那一瞬间的各种条件），他说：“以前是欧洲的人才流向美国，现在反过来了。”
愤世嫉俗的人可能会说，这些研究没有任何实际用处，那几把粒子喷枪烧掉的财力人力大可以用在别处。但我们的当代文明正是物理学塑成的： 我们知道原子内部蕴藏着极大的能量，一旦向人类引发，瞬间就可令整座城市灰飞烟灭； 我用来写稿的笔记本电脑依靠微处理器运作，如果不是前人发现了量子物理和电子的离奇运动，微处理器就不可能存在； 我会把文章发上万维网——你可能还没听说过，它正是由欧洲核子研究中心的计算机科学家提姆· 伯纳斯－李发明的； 你看文章的时候可能还听着iPod，可是如果没有“巨磁电阻”，它也不会存在。20世纪80年代末，两位科学家各自独立发现了巨磁电阻效应，当时也没想过最终会派上什么用途。后来，它成为使用磁化硬盘的小型日用电子产品的核心工作原理。这两位物理学家获得了2007 年的诺贝尔奖，而你的手里则有了一套比巧克力棒还小的精巧音响。
我问彼得· 詹尼，为什么大型强子对撞机如此重要，他说：“因为人类可不像是一群蚂蚁。我们有求知欲； 我们需要对生命和宇宙的内在原理追根究底。”
谁要是认为这些巨型机器只是没有灵魂的设备，就该听听理查德· 雅各布松是怎么说的。大型强子对撞机正在更换一台他照管了十年的粒子探测器，他已对它的每一寸构造都了如指掌，甚至了解它的心情和癖性。当工程人员来拆卸它的时候，雅各布松情难自禁。“泪水在我眼睛里打转，”他说，“当他们切断电缆的时候，我总以为会有血喷出来。”如今这部新对撞机是物理学家从上世纪80 年代起就梦寐以求的，其中凝聚了不少人的毕生心血。欧洲核子研究中心的很多人都希望对撞机不仅能找出答案，还能发现更多的谜团。约翰· 埃利斯私下说，即便大型强子对撞机找不到希格斯子，他也一点儿都不会介意，“我们很多理论家都觉得失败了反而更有趣，如果只是又找出了一种45 年前就被人预言过的无聊粒子，也没多大意思”。
新谜团的浮现看来是确定无疑的。无论如何，宇宙又不是为了我们研究之便才形成如今的面貌。我们都不过是些稀里糊涂的肉体凡胎，连自己身体里到底生存着多少种细菌都还没弄清楚。有一天，我问诺贝尔物理学奖得主乔治· 斯穆特，他是否认为困扰人类的基本问题最终都能找到答案。
“我对这项事业的信心有时大有时小，要看我当天的心情而定。”他说道，“但我每天去上班的时候都会打个赌： 宇宙的真面目是简单、对称、赏心悦目的——凭着我们有限的智力，总有一天会了解它。” (本文来源：华夏地理 作者：撰文：Achenbach 摄影：Ginter)
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