7 無窮小中的時間
希臘最高山奧林匹斯山看起來很普通，如果不是因為希臘神話裏說它是眾神所居之處，人們很容易走過錯過而對它完全不知。因其最高峰米蒂卡斯海拔近3000米，經常雲霧繚繞，於是便成了人們眼中特別的所在、眾神居住的地方：繆斯女神住在赫利孔山，潘神住在阿卡迪亞麥納洛山的山坡上，阿波羅住在帕納塞斯山。有人大膽提出，在荷馬時代之前，山頂周圍曾有極光現象出現，變幻的彩色光影讓人以為是巨靈族戰鬥時的刀光劍影。總之，古人相信這是眾神的家園，也是雷霆之神宙斯的寶座所在。十二主神都是超自然的存在，飲甘露而長生不死，在天上看著人間眾生，但他們很少會冷眼旁觀，更多情況下是全情投入，摻和凡人之事，既會表現出他們最高尚的一麵，也會表現出他們最卑劣的一麵。
標準模型中的基本粒子相互組合，可以產生上百種不同的物質物態，但絕大部分隻能維持極短的時間。宇宙中的穩定物質都是由電子、質子、中子、光子和中微子組成的——這些是很小一部分粒子，它們不會衰變成其他粒子，而且壽命長到幾乎可以認為永生不滅。這一小部分特選粒子可以看著其他物質形式生生滅滅，演進發展，而無須在意時間的流逝，閱盡風雲依舊鎮定自若。
神奇的是，如果將相應的反粒子也算進來，那麽三種中微子和三種反中微子、電子和正電子、質子和反質子、中子和反中子，再加上光子，這個家族一共有十三個成員，剛好接近奧林匹斯的十二主神，而且，在這種情況下，光子的存在可確保處理雷霆霹靂——長久維護宙斯統治的武器。
天選之子
讓我們再重複一遍：絕大部分基本粒子隻能存在幾乎不可察覺的一瞬間。遺傳學家的最愛——果蠅的壽命不超過兩周，而且一年可以繁殖幾十代，但相對於最不穩定的基本粒子而言，可算是萬壽無疆了。某些基本粒子在萬億分之一秒內就會消失，另一些的存在時間更是短到沒有合適的詞來形容：十億分之一的十億分之一的千萬分之一秒？這也太繞了。這時我們就要借助於數學，寫成10-25秒，盡管我們也很難真的明白這究竟有多短。
與這種瞬息生滅形成鮮明對比的是電子和質子，它們幾乎可算是永生的。電子是最輕的帶電荷輕子，輕和帶電荷這兩種性質讓它免於衰變，否則必然會違反某個守恒定律：衰變成其他帶電荷粒子會違反能量守恒定律，因為其他帶電荷粒子都比電子重很多；衰變成中微子之類的又會違反電荷守恒定律，因為中微子雖輕卻不帶電荷。因此，電子隻能永生不滅。事實上，我們為探測也許極偶發的電子衰變設計了精細複雜的實驗，但都铩羽而歸，一次衰變都沒有發現，倒是從中得出了電子平均壽命不低於1024年的結論，要知道，從大爆炸到現在也才過去了1.4×1010年。也就是說，家裏電線中流動的電子，在我們指尖原子中的電子，都在宇宙誕生之初就來到了這個世界。它們如此古老，卻依舊孜孜不倦地發揮著自己不可或缺的作用，仿佛它們依然年輕而充滿活力。
更令人驚奇的是，質子也是永生的。它不是基本粒子，而是由三個最輕的誇克（兩個上誇克和一個下誇克）組成，互相有膠子傳遞強力。這三個誇克的總質量大約相當於0.01GeV，並被1GeV左右的結合能束縛在一起。結合能是其總質量的100倍，這是非常強大的約束，可以將一切都控製在極小的空間中，形成極為致密牢固的結構。
質子穩固到幾乎能存在於任何環境當中，就連恒星中心極高的溫度和壓力也無法撼動它，質子被迫聚合成更重的原子核時產生的強大能量，也不能讓它解體。因為結合能仿佛不可逾越的高牆，阻止其解體。要想打碎質子，需要高能宇宙射線或現代粒子加速器，或超大質量黑洞的近光速噴射及類似能級的宇宙災變。質子還存在於所有主要物態當中，而且從不衰變成更輕的粒子。科學家們想找到偶然的質子衰變，卻不得不向證據低頭：就算用最強大的設備觀察數年，也看不到一例質子衰變。就我們目前所知，質子是一種幾乎永生的物質狀態，平均壽命超過1033年。宇宙形成恒星、星係、行星係統的過程已經很漫長了，但就算宇宙的年齡是現在的幾十億倍，質子也能安然度過而絲毫無損。
中子則更神奇，它好比質子的堂兄弟，二者的組成非常相似，中子也由最輕的誇克組成，不過是兩個下誇克和一個上誇克。膠子提供強力將它們束縛在一起，形成不帶電荷的粒子，其質量與質子相似但稍重。就因為比質子重，所以中子可以衰變成質子而不違反能量守恒定律。實際上，自由中子，也就是未和質子束縛在一起組成原子核的中子，很容易就衰變成質子。自由中子不會存在很久，很快會衰變成一個質子、一個電子和一個反中微子，平均壽命在一刻鍾左右。神奇的是，中子在原子核內部就不會衰變，它和原子核裏的其他中子及質子相互作用，沒時間想衰變的事，其平均壽命會增加到1031年以上。
中微子和光子也是很穩定的粒子，它們可以被其他物質形式吸收，可以與之相互作用，但獨立存在時也不會衰變成其他粒子。輕盈而羞赧的光子和中微子形成一層薄雲，籠罩著整個宇宙。百十億年前，它們脫離了物質的懷抱，從此在宇宙中長久地遊**。中微子在大爆炸之後不到一秒就掙脫出來了，光子則耐心地等待了38萬年，等到時空的膨脹讓溫度降到足夠低。當那一刻來臨時，它們突然就從物質中逃逸出來。它們從此就自由了，飛向四麵八方，隨著宇宙的膨脹，能量逐漸減弱，從而變成現在包圍著我們的、來自各個方向的原始宇宙輻射。
穩定粒子是所有已知穩定物態的基礎。蝴蝶如何扇動翅膀、致密到一咖啡勺就重達3億噸的中子星如何運動，都可以用它們來解釋。
千百年過去了，這些微小粒子卻未受到絲毫影響，沒有任何損耗的跡象。時間在這個不朽的世界中流過，不留一點點痕跡。一切都讓我們覺得，對於它們來說，時間是不存在的。
我們不知道質子和中子之外的其他粒子有沒有內部結構，如果有，那也應該是非常穩固的，可以無限期地在毫無損耗的情況下運行。
正是有了這些穩定粒子，才有了我們。一個不穩定且不持久的世界，是不可能產生複雜生命體的，而生命體的演化需要數十億年。穩定粒子會無限期地延續下去，即使它們有一個準確的誕生時間，我們也已經能詳細描述每一個細節，但我們還是不知道它們有沒有終結之時。就算有，應該也不會是其內部結構有弱點所致，而是因為完全出乎意料的事情打破了自古維持它們的運行、似乎會永遠持續下去的完美機製。
朝生夕滅的國度
我們剛剛用一首以大調開場的交響樂來讚頌穩定粒子，給人以宏大穩定之感，但突然殺出的增四度(1)又讓我們陷入不安。
豐特阿維拉那修道院建在馬爾凱的亞平寧山脈的卡特裏亞山的林間，離文藝複興名城烏爾比諾隻有50多公裏。它始建於10世紀末，公元980年前後，一些修士選擇到此隱居。它是歐洲最古老的修道院之一，也是嘉瑪道理會的會堂——嘉瑪道理會奉行隱修，名稱來自阿雷佐附近的卡馬爾多利隱修院(2)。
豐特阿維拉那修道院的建築結構很複雜，仿佛迷宮一般，這是多次改建、擴建的結果。修道院內有古老的書寫室，光線很好，以前的抄寫員就在這裏抄寫最古老的經卷。珍貴手抄本被保存在富麗堂皇的圖書館中，圖書館入口處用希臘文寫著“psychés iatreíon”——“治愈靈魂之地”，很好地體現了文化的重要性。
管理修道院的修士允許遊客在舊宿舍內過夜。宿舍雖然都已經改造過，但依然有著名修士在此居住的痕跡——他們的名字被標記在門頭上。機緣巧合之下，我被分到了圭多·莫納科（即阿雷佐的圭多）的房間，於是，我有幸在現代記譜法發明者住過的地方過了一夜。
這位本篤會修士在1035年至1040年任豐特阿維拉那修道院的院長。修道院圖書館裏保存著他的一些手稿，遊客可以申請查看，但不能觸摸。圭多·莫納科創造了現代記譜法，1000年後的今天，我們還是用施洗約翰讚歌各句的首音節來唱那些音符：Ut Re Mi Fa Sol La。
圭多·莫納科最早發現相距三個全音的不協和音程會讓人特別難受，甚至讓聽眾的血液凝固，以至人們認為它是魔鬼親手所造的。難怪20世紀70年代重金屬搖滾樂隊“黑色安息日”最著名的樂段、許多恐怖片的原聲、警笛和火警警報都用到了這“魔鬼之音”。
增四度製造出一種緊張和恐懼的氛圍，仿佛宣告著有什麽可怕的事情將要發生。而在這裏，我們也要迅速換個調子，從穩定粒子的光輝世界轉向瞬息生滅、令人不安的物質形式。就好像各部齊奏的交響曲在一瞬間停下，空氣中隻剩幾個無規律的顫音，以及回**在遠處的鼓點。
我們墜入不穩定粒子的可怕旋渦。不久前，我們還根本不知道這些粒子的存在。它們瞬息生滅，就像讓哈姆雷特陷入深深絕望的鬼魂。
除了上一節說過的穩定粒子，其他基本粒子及其組合都很不穩定，產生之後很快就會消失，如煙花一般。它們可由宇宙射線的撞擊產生，或在加速器中產生，但它們的壽命都很短，因為它們會立刻變成穩定粒子。
衰變是隨機的。隻要遵守能量守恒、電荷守恒等定律，較重粒子就會衰變成較輕粒子，直到最終產生穩定粒子，衰變才結束。這一過程是自發的、無法控製，且概率不隨時間變化。也就是說，如果在一段時間內有1/3的粒子衰變，比如90個中有30個衰變，那麽接下來在相同時間內，剩下的60個會衰變20個，以此類推。
這種完全隨機的機製讓粒子的生死與生命體非常不一樣。如果人口的預期平均壽命是80歲，那小時候就死去的概率會很低，隨著年齡增長，死亡概率也增高，接近平均壽命時死亡概率達到峰值，隨後又陡然下降。許多人能活得很久，有些還會成為百歲老人，但誰也不能活上幾百年。基本粒子就不一樣了，衰變概率不隨時間變化，許多粒子會立刻解體，但也有些走運的粒子能活5個甚至10個平均壽命。
不穩定次原子粒子的平均壽命取決於讓它們衰變的力，力越強平均壽命越短。最走運的、活得最久的是弱力作用下衰變的粒子，它們能存在大約10-6到10-13秒。如果衰變由電磁力導致，粒子的平均壽命就會下降到大約10-16到10-20秒。如果衰變由強力導致，粒子壽命則可短至10-23秒左右。
是什麽在控製這些現象？是否有一個內部時鍾？這些都不知道。我們隻知道衰變是隨機過程，受能量漲落控製，而能量漲落與粒子的量子行為有關。這些粒子瞬間出現又瞬間消失，100年前我們甚至都還忽略了它們，但事實證明，它們對於理解控製物質的法則至關重要。在大爆炸之後的極端條件下，就是它們充滿了初生的宇宙。在實驗室研究它們，就可以知道宇宙誕生之初發生了什麽，以及在形成今天這些穩定物質之前它們又經曆了哪些轉變。最重要的是，這個不穩定而瞬息萬變的世界，讓我們掌握了物質基本粒子的深層對稱。如果沒有這些“鬼魂”的幫助，科學家就會像哈姆雷特一樣，永遠無法明白究竟發生了什麽。
渺子勇猛的一生
渺子和電子一樣是帶電粒子，所以會受到電磁場的影響，但是，由於它的質量大約是電子的200倍，因此其加速度要比電子慢得多，也很少放出光子。渺子比電子更能穿透物質，穿透性僅次於不帶電、隻和物質有弱相互作用的中微子。渺子可以不受阻礙地穿透幾千米厚的致密岩層，要想截獲它們總是很難。
渺子穿透力的限製之一是它的不穩定性——它會衰變成電子和中微子。因為使其衰變的是弱相互作用，所以渺子的平均壽命相對較長，有2.2微秒（1微秒等於百萬分之一秒）。這看似很短，但相對於其他不穩定粒子來說可算是長命百歲了。當它們以接近光速的速度運動時，就會變得所向披靡，也大有用途。由於渺子的質量大約相當於0.1GeV，所以加速到接近光速相對容易，這時，其平均壽命也會大幅增加。
最常見的近光速渺子來自宇宙射線，能幾乎不受阻礙地穿過我們，就像看不見的細雨從四麵八方而來。它們由高能質子產生，這些質子走過宇宙深空，與離地麵15到20千米的大氣層外層中的原子撞擊而產生這些渺子。不過，若沒有很強的相對論效應，這些渺子也絕不可能到達地麵，就算以最高速度（光速）運動，它們也跑不過700米。但是，我們在海平麵甚至地下深處的洞穴中卻能探測到穩定的渺子流。這是對狹義相對論的又一有力印證。高層大氣中產生的渺子中，有將近一半以99.9%以上的光速運動，因此，它們的壽命是其平均壽命的25倍，可以毫無問題地穿過16千米以上的大氣層。通常在它們的參照係中，時間不會改變，衰變還是按照2.2微秒的平均壽命規律地進行，但對於從外部觀察的我們來說，它們的存在時間被拉長了。這就是為什麽就算我們在沙灘上曬太陽，或在日內瓦附近地下100米進行緊湊渺子線圈（Compact Muon Solenoid，縮寫為CMS）(3)實驗的洞穴裏工作，也會有一部分渺子能來到我們身邊。
我們可以想象乘著渺子飛翔，就像斯坦利·庫布裏克的電影《奇愛博士》中“金剛”少校乘著核彈一樣，但我們要做好被這種情況下會發生的種種異象嚇到的準備。現代粒子加速器中碰撞產生的渺子可達到幾千GeV的能量級，相對論性的時間拉伸導致其平均壽命明顯延長。LHC能產生1TeV能量級的渺子，其平均壽命約為1/50秒，這意味著如果方向合適，渺子可以暢通無阻地穿過整個地球，出現在新西蘭附近的南太平洋地區。渺子中的能量冠軍由最強宇宙射線產生，能量級可達到LHC渺子的100倍，它們可以存活幾秒。
宇宙射線渺子的穿透力有意想不到的用處。幾年前，報紙刊登過埃及胡夫金字塔內發現密室的新聞。這一消息引起了轟動，特別是其中尋找密室的技術，不靠印第安納·瓊斯式的冒險，也不靠走密道，考古學家和科學家運用了渺子成像技術，也就是利用穿過金字塔的渺子流來給金字塔拍片，就好像我們在醫院裏使X射線穿過我們身體進行CT掃描一樣。如果被穿過的物體不均質、有空洞而導致局部密度較小，那渺子與這部分的相互作用也少，這樣就可以按粒子流的變化形成一個圖像。用來掃描金字塔內部的這項技術也被用於其他研究，比如給大型火山的岩漿室成像。
渺子的平均壽命可以拉長這一點，催生了最近的渺子加速器計劃。這種機器的優勢非常大。渺子的撞擊非常“幹淨”，因為它和電子一樣是點粒子，但它又可以達到非常高的能級，可被加速到幾十TeV而沒有顯著輻射，就和質子一樣。另一個不可忽略的優點是其加速環軌可以比未來環形對撞機（Future Circular Collider，縮寫為FCC）等巨型設備小得多，一個渺子加速器可以被安置在更小的隧道中，從而節省很多磁力和基建成本。
為了使渺子的壽命足夠長，以便注入加速器中使其循環、碰撞，需要設計一個預加速階段，來讓渺子的能級達到幾十GeV，這就足以將其平均壽命延長幾百倍。
建造這種“夢想加速器”的主要難題是如何產生大量適合放進對撞機加速的渺子。現在至少有好幾項研究正在尋找合適的技術方案，如果能夠取得成功，很快就會在加速器領域開辟一條新路徑，屆時，渺子加速器將和傳統的電子加速器、質子加速器並肩而立。
誇克的美麗、璀璨和羞怯
我們給b和c兩種重誇克取了非常直觀的名字：b（beauty），美誇克；c（charm），粲誇克。它們也是不穩定的，和渺子一樣會通過弱相互作用衰變，但它們的平均壽命比渺子要短得多，一般在10-12秒到10-13秒之間。這個時間短到連最精細的時鍾都很難度量出來。這一次，又是時間的相對論性拉伸拯救了我們。
這兩種誇克比較重，粲誇克的質量大約相當於1.3GeV，美誇克的質量則可達4GeV以上，它們各自都比質子還重。它們和其他誇克組合成的物質狀態更重，也更不穩定。由於它們的質量很大，將它們加速到接近光速很不容易，不像電子和渺子那樣很快能做到。不過，用現代粒子加速器將粲誇克和美誇克的質量增加到幾十GeV還是不難實現的。
為了測量粲誇克和美誇克的平均壽命這樣短的時間，我們要從時間轉向空間，也就是說，我們要測量粒子在衰變為次生粒子之前以光速走過了多少距離。誇克誕生時“赤身**”，但是我們無法看到它的這種狀態，“強相互作用禁閉”使我們無法將它們作為單個誇克來研究。由於誇克帶色荷，所以會參與強相互作用，而強力讓它們立刻結合，仿佛光著身子很害羞，生怕別人瞥見自己最隱秘的樣子一樣。它們從高能碰撞中誕生後立刻就會聚合，變得更規整、更複雜，但隻要新粒子衰變了，它們的存在也就顯露無遺了。如果發現了隻屬於粲誇克和美誇克的平均壽命，那也就有無可辯駁的證據證明在表麵之下隱藏著這兩種誇克。
真正的挑戰在於找到“次級頂點”。我們能以不錯的精度知道粒子流相撞點，而且撞擊（比如LHC中兩質子相撞）產生新粒子的點——“初級頂點”也可以通過撞擊區域電痕跡的交叉來確定。同樣，我們可以通過衰變區電痕跡的交匯來確定“次級頂點”，也就是美誇克衰變並放出一場“煙花”的那個點，這樣便可通過次級頂點與初級頂點的距離，間接測得美誇克的平均壽命。
一切都歸結於痕跡測量的精度。次級頂點與初級頂點的距離極小，有時隻相隔幾分之一毫米，隻有用最先進的痕跡測量設備才能測出。幸虧超敏感、極精確的新式傳感器被研發了出來，直到幾十年前還像做夢一樣的事情現在變成了常規操作。
隨著特殊設備的出現，我們的痕跡測量精度現在能達到10微米以下（1微米等於千分之一毫米），並且可以找出與初級頂點相距小於100微米的次級頂點。憑借如此強大的工具，測量短至10-13秒的平均壽命並不困難，可將這個時間轉換為衰變前走過30微米左右。如果考慮到LHC中撞擊產生的美誇克和粲誇克都幾乎是以光速運動，那麽衰變前走過的距離會變成1毫米左右，這是可以精確測得的。不過，測量短至10-13秒的平均壽命已經是目前通過不穩定粒子的運動測量其平均壽命的極限。
要測量短至10-16秒的平均壽命，可以嚐試一些特別的方法，但需要放棄對撞機而采用固定靶，讓粒子束擊打固定的目標。通過這種方式，可以實現萬倍以上的時間拉伸，但即使是這種極限技術，也無法測量與強相互作用相關的極短平均壽命。
找出次級頂點並以此推斷撞擊產生重誇克的方法促成了許多發現，包括發現最重的誇克——頂誇克。
頂誇克是所有已知基本粒子中的質量冠軍，產生之後立刻衰變。它如此急於從環軌中消失，以致還來不及“穿衣服”就解體了。它是唯一“光著身子”死去的誇克，平均壽命據估計在5×10-25秒左右。它在衰變前走過的距離是無法測得的。其衰變雖由弱相互作用導致，卻是在極短時間內發生的，因為頂誇克太重，而它被彈射到的環境太冷、太不友好，因此它連一瞬間都活不到。隻有在周圍的能量密度極大時，它才能安心待著。宇宙誕生的瞬間，它曾有過短暫的幸福時光、稍縱即逝的黃金時代——溫度高到讓它可以和其他誇克、膠子一起自由奔跑，但新生宇宙一冷卻，一切就都戛然而止了。
有趣的是，頂誇克衰變時總會放出W玻色子和美誇克，而美誇克自己也會在走過一段可測量的距離後衰變。因此，通過搞清楚美誇克的衰變，再配上一個W玻色子，就可以知道哪些粒子來自頂誇克。正是由於這種明確的特征，1995年美國費米實驗室使用正負質子對撞機第一次發現包含頂誇克的事件。今天，LHC還在用相似的技術來反推上百萬頂誇克，並詳細研究其所有性質。
希格斯玻色子雖然比頂誇克輕，但也是很重的基本粒子，壽命也很短，平均壽命估計在10-22秒左右，基本在初級頂點就會衰變產生粒子。這又是給實驗物理學家下達了幾乎不可能完成的任務：這麽短的平均壽命怎麽測？下一節我們就將看到，要做到這一點，還是要靠量子力學。
(1).?亦稱三全音，即音程上三個全音的距離?(六個半音)，這個音程的聲響特性就是極度的不安定、詭異。
(2).?嘉瑪道理會的意大利文是Ordine?Camaldolese，卡馬爾多利是Camaldoli，音譯有別。——譯注
(3).?大型強子對撞機的粒子探測器部分，采用巨型螺管式磁鐵來測量光子、電子、渺子等粒子的動能。