“幽灵粒子”中微子是怎么被发现的？
近日，我国重大科技基础设施——江门中微子实验建设进入收官阶段。这个位于江门开平的
大科学装置
深藏在地下700米，建成后将主要研究宇宙中的一种
“
幽灵粒子
”——中微子
。
据悉，该装置将于2025年8月正式运行取数，将运行约30年，进行超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子、质子衰变等多项重大前沿交叉研究。
10月10日，工人在安装中心探测器上的
光电倍增管
。新华社记者 金立旺 摄
中微子是构成世界的基本粒子，是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子。由于
中微子质量
轻、运动速度接近光速，而且几乎不与任何东西发生反应，探测中微子非常困难，科学界对其基本性质了解很少。
从20世纪初科学家在研究
β衰变
过程中发现中微子的存在，到
21世纪初中微子成为高能物理学的宠儿
和各国争相占据的战略高地
，人类对中微子的探索已经走过了一个世纪的历程。
那么，中微子是如何被发现的？量子力学如何一路走到现在？这就得从英国
剑桥大学卡文迪许实验室
这座
“诺贝尔奖的摇篮”
说起。今天，让我们翻开高能基本粒子理论物理学领域的国际知名专家吉诺·塞格雷的著作《哥本哈根的浮士德》，去回顾这段惊心动魄的历史。
图片
中子、中微子与“大科学”的诞生
吉诺·塞格雷 著 舍其 译
摘自《哥本哈根的浮士德》
01
发现中子
作为卡文迪许实验室的二把手，詹姆斯·查德威克的职责之一，是每天上午向卢瑟福汇报过去二十四小时发生的会让人感兴趣的进展，无论是发生在卡文迪许实验室还是别的什么地方。1932年2月剑桥一个寒冷的早晨，有件事他很想跟卢瑟福讨论一番。
那天早上他读到一篇论文，作者是伊雷娜·居里（Irène Curie）和她丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot），他们俩都是颇有建树的实验家，在巴黎实验室工作，实验室的头儿是伊雷娜的母亲居里夫人。文章标题为《极具穿透力的γ射线令含氢材料发射出高速质子》，是两周前提交给法国科学院院刊的，并马上发表了。查德威克觉得实验可能做对了，但对结论持怀疑态度。
玛丽和伊雷娜·居里 （Marie and Irène Curie） 母女二人组都是诺贝尔奖得主。此为1925 年，伊雷娜·居里和母亲居里夫人在实验室里。
*·博特（Walter Bothe）是柏林一位著名的实验物理学家，1920年代末，他发现铍原子核在用α粒子轰击后，会发射出一种穿透力极强的辐射，他认为是γ射线，也就是光子束。居里和约里奥夫妇在得知博特的实验结果后，借助居里实验室强大的α粒子源，像博特那样去轰击铍原子核，随后把富含氢元素的石蜡暴露在铍原子核发出的辐射下。他们发现，按说应该是光子束的这种辐射把氢原子核（质子）以极高的速度从石蜡里打了出来，比他们预计的速度高了整整300万倍。他们的论文说的就是这个。
查德威克认为，γ射线（光子）极不可能达到居里和约里奥夫妇观测到的效果。关于γ射线驱使电子运动起来的实验已经做过很多了，但要说能让质量差不多是电子2000倍的质子以那么高的速度运动起来，似乎怎么都不大靠谱。打个比方，使劲儿把三轮车推动是一回事，但用同样的推力去推一辆卡车就是另一回事了。
但是，如果刚开始的α粒子是把铍原子核里某种很有分量的东西给撞了出来，那么这个质量很大的东西再把标靶中的质子撞出来就很容易了。而刚好，卢瑟福和查德威克脑子里想着这件很有分量的东西已经很长时间了。
从1920年起卢瑟福就一直在强调，
原子核里必定还有电子和质子以外的粒子。
要不然怎么解释大质量原子核是怎么结合起来的？他认为这种另外的
粒子——他称之为中子——是电中性的
，质量与质子大致相当，可能就是质子跟轻得多的电子紧密结合在一起。跟他合作很久的查德威克想起他们曾经常讨论这个问题，也因为找不到这种大质量粒子存在的任何证据而沮丧万分，于是他们认为，之所以这么难发现，是因为这种粒子是电中性的。好几年过去了仍然没有发现，难觅其踪的中子也一直让这两位科学家很有挫折感。
1919年，卢瑟福(Ernest Rutherford)应邀担任英国剑桥大学卡文迪什实验室主任，他用α粒子轰击干燥的氮气，击中氮原子核，使氮转化为氧，并释放出一个质子，实现了人类有历史以来第一次人工核反应。
现在查德威克问自己，如果博特、居里和约里奥全都错了呢？如果铍原子核发出的射线其实是中子呢？这个实验很有可能会改变所有人对原子核的看法。
跟往常一样，上午11点查德威克去见卢瑟福。对于卢瑟福听到巴黎传来的消息后的反应，他记得很清楚：“我一边告诉他居里和约里奥夫妇的观测结果和他们的看法，一边看着他越来越惊诧。到最后他脱口而出：‘我不相信。’这么不耐烦的话完全不符合他的性格，跟他合作了这么多年，我想不起他还有过类似的时候。”在卢瑟福的鼓励下，查德威克开动了。
经常有人说查德威克长得像只鸟，圆圆的玳瑁框眼镜戴在细细的鼻梁上，脸很长，样子很严肃。卡文迪许实验室的驱动力仍然是卢瑟福，但负责实验室日常工作的是四十一岁的查德威克。在内心深处，他仍是一个充满激情的实验物理学家，驱使他就算在一战期间的德国拘留营中挨着饿都还要做物理实验的精神，到现在仍然十分鲜活。
对巴黎传来的消息，查德威克的反应是准备证明或否定巴黎的结论。他很快确认了居里和约里奥夫妇的实验结果，随后便开始用铍原子核发出的辐射系统化地轰击大量其他材料。他和卢瑟福的直觉是对的，结论也是必然的：查德威克发现了中子。
查德威克(James Chadwick)是卢瑟福的学生。1932年，他精心设计了一个实验，用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核，他测量了被打出的氢核与氮核的速度，由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释，这种粒子不带电，就被称为“中子”了。
2月17日，他在桌子前坐下来，写下自己的发现。他几乎连轴转地干了十天，平均每晚最多睡三个小时。但现在他完成了。他写给《自然》杂志的报告题为《论中子存在的可能性》，得出了这样的结论：
如果我们假设这种辐射不是γ辐射，而是由质量跟质子极为接近的粒子组成，那么跟碰撞有关的所有困难，包括碰撞过程中向不同质量的粒子转移的能量与频率的问题，就都会消失。要解释这种辐射强大的穿透能力，我们还需要进一步假设，这种粒子不带电……我们可以假定，这就是卢瑟福在1920年获得皇家学会贝克尔奖的获奖演说中谈到的“中子”。
十多年过去，查德威克终于捕获了自己的猎物，捕猎结束。
那天晚上，查德威克的好友彼得·卡皮查带他去吃晚饭。卡皮查非常好交际，也是非常杰出的物理学家，他在剑桥组织了晚饭后即兴发挥的物理学讨论，总是充满乐趣，后来人们称之为“卡皮查俱乐部”会议。在查德威克做完实验的这天晚上，恰好也轮到查德威克主讲。小说家兼科学家查尔斯·珀西·斯诺当时也在场，他还记得查德威克简要介绍了自己的伟大发现，随后带着疲倦的神情说：“现在我只想被放倒，一觉睡上两个星期。”
查德威克一直在连轴转，因为他知道巴黎团队随时都可能认识到自己的错误，比他先得到结果。卡文迪许实验室轻松获胜，查德威克也很快赢取了诺贝尔物理学奖。似乎是卢瑟福坚持不要让居里和约里奥夫妇共同获奖，他说：“中子的奖给查德威克一个人就好了，约里奥两口子太聪明了，很快就会因为别的事情拿到诺奖的。”结果表明，这个预测也非常正确。1935年，查德威克因发现中子独享诺贝尔物理学奖，而约里奥夫妇也在这一年去了斯德哥尔摩，领取他们凭借1934年探测到人工诱导放射性而获得的诺贝尔化学奖。
F·约里奥与居里夫人的长女伊雷娜·居里结婚后，这对夫妇同时将他们的姓氏更改为约里奥-居里。
查德威克引领着那个紧锣密鼓研究核物理的时代，他的成就几乎跟卢瑟福于1913年最早提出原子中有原子核同样重要，但这一次对物理学家们产生的影响极为不同。1913年的结果完全出乎意料，有如平地一声雷，让整个物理学界乃至卢瑟福本人都一时手足无措，不知道该怎么进行下去。发现中子的消息就很不一样了，尽管并非所有人都有预感，但这一结果落在肥沃的土地上，几乎马上解开了大量谜题，也为新的谜题提供了营养。
02
哥本哈根与中子
1932年春天玻尔研究所的会议就在查德威克发现中子两个月后召开，这种新粒子的存在成了会上最令人兴奋的话题。这一新实验结果的影响尚不明朗，然而哥本哈根会议是讨论该结果所有影响的最佳场所。长达一周的会议讨论没有预先设定议题，他们可以尽情讨论这个实验可能会带来什么后果，就下一步如何进行交换意见，想讨论多久就讨论多久。那一周提出的有些问题是新的，但也有一些多年来大家一直在思考，需要在这一新视角下重新审视。
最突出的老问题有两个，就是原子核质量没法解释，以及让原子核没有四分五裂的神秘作用力究竟是怎么来的。
氮原子核中的质量缺失可能是因为原子核里那7个中子吗？能证明吗？
如果确实如此，那么所谓的错误统计问题，也就是为什么氮原子核表现得像是由偶数个而非奇数个粒子组成的问题，可能也就迎刃而解了，因为7+7=14。是这样吗？
让大型原子核没有分裂开的也是中子吗？如果确实如此，中子是怎么做到的呢？
中子和中微子在原子核里是怎么组合起来的？原子核为什么会发出β射线
（电子）
？会议期间的讨论进行到如此复杂的地步时，玻尔就会反复说他最喜欢的一句谚语，
“伟大真理的背面同样也是伟大真理”
，以此缓解气氛，并鼓励年轻的追随者们大胆假设。
玻尔
那一周相聚在哥本哈根的物理学家们认定，要想了解中子的性质，就必须确定中子是跟电子和质子有同样的地位，抑或只不过是电子和质子结合在一起形成的。与会人员不太愿意引入更多新粒子，因而似乎倾向于后一种选择。查德威克说：“目前除了也许能解释比如氮-14等原子核中的统计错误问题，中子是基本粒子的可能性很小。”
在其他人还在思考中子究竟是不是基本粒子的时候，一贯务实而大胆的海森堡行动起来。会议结束后没几个月，他就提出了一个简洁的量子力学理论，涉及中子和质子之间的作用力，跟中子是不是基本粒子没有任何关系。他的理论很快成为后来沿这一思路进行下去的所有工作的基础，再次证明了派尔斯曾评价过的海森堡的智慧：
“他在面对一个问题的时候，几乎总是凭直觉就能知道答案会是什么，然后就会去找一个很可能可以得出这个答案的数学方法。”
维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg），德国著名物理学家，德国研制*核武器的领导人，与核裂变的发现者之一哈恩一起研制核反应堆。
新兴的核物理学领域继续突飞猛进。到1934年，已经有明确证据表明，中子和质子都是原子核的组块，而且也和电子与质子一样，属于基本粒子。但这些结果仍然不能解释β衰变。如果原子核里本来没有电子，原子核又怎么能发射出电子来？
1933年底，费米提出了一个大胆而简练的解决方案。需要一种新的作用力，而且从概念上讲和万有引力和电磁力这两种已知的作用力同样属于基本作用力。费米给这种作用力起名叫弱相互作用，跟另外两种作用力的不同之处在于会让粒子改变身份：按费米的设想，电子在弱相互作用下会变成中微子，质子则会变成中子。稍微延伸一下，
这种作用力甚至可以让一个中子完全消失，变成一个质子、一个电子和一个中微子。这种新的作用力几乎任何时候都藏得很严实，只有一种情况下清晰可见，就是发出β射线的核衰变。
突然之间，费米就这么解决了β衰变的主要问题，也就是如果说原子核里本来没有电子，那又怎么能发射出电子来。我们必须认为原子核由中子和质子组成，但在弱相互作用下，其中的中子会变成质子，同时产生的能量极高的电子和中微子也会立即逃出原子核。
基本粒子可以变换身份，这个想法甚至比存在一种新的作用力还要石破天惊。然而一经提出，对费米和其他人来说，似乎就成了必然结果。我叔叔埃米利奥还记得，1933年年终滑雪趴的时候，他们在多洛米蒂滑了一天雪，之后几个好朋友坐在酒店房间里，听费米跟他们讲解自己的发现。费米完全知道这个发现有多重要，但他还是平心静气地告诉他们，这很可能是他到现在为止，甚至可能会是他一生中，最重要的发现，大家听得目瞪口呆。
费米
费米对实验工作的细节了如指掌，也研究过测量电子的能量得出的曲线，他得出的结论用他自己的话说就是，中微子的质量“等于零，要不就是不管怎么样，跟电子质量比起来非常小”。如何测量小小中微子的质量，是我七十年后在慕尼黑参加的这次中微子会议的中心议题。我们总是会听到科学大步前进的各种故事，但有些事情就是急不得。
费米很快就这个主题写了一篇简短的论文，介绍他提出的理解β衰变的方案，并寄给了《自然》杂志，希望能很快发表。然而杂志社对新的作用力和未检测到的粒子持怀疑态度，他们拒绝发表这篇文章，还给作者写了篇编辑评论：“这些猜测与物理现实过于脱节。”
但理论物理学家并不认可杂志社的观点，他们很快就接受了费米的假说，后来那些年，
事实证明费米的理论几乎完全正确。费米提出的理论如今已成为基本粒子物理学的基础
，《自然》杂志的退稿，也成了期刊在选文时过于谨小慎微的典型案例。
不过我还是有些理解《自然》杂志的编辑们。除了专家，新物理学的发展速度和复杂程度对所有人来说都太让人不知所措了。两年前这个世界还是由电子和质子组成，这些基本粒子靠静电引力结合在一起。才不过两年后就又说有两种新粒子，中子和中微子，还有两种未知机制，一种让中子和质子结合，另一种则允许中子衰变。而且其中一种新粒子一开始也叫中子，刚刚才改名为中微子，仿佛还嫌不够乱似的。
然而，所有这些想法都是对的。过去半个世纪，有十几位物理学家在这一方向拿到了诺贝尔奖，获奖原因包括：证明弱相互作用破坏宇称，展现弱相互作用究竟是怎么作用的，证明中微子存在，以及展示中微子如何在太阳内的核反应中产生，等等等等。
但所有这些成果都源自1930年代初泡利和费米的想法，甚至还可以进一步追溯到由卢瑟福、查德威克、埃利斯、迈特纳和他们的合作者完成的令人叹为观止的实验。
科学大旗就是这样编织出来的。
1933年9月玻尔研究所的学术讲座上。前排左起：玻尔、狄拉克、海森堡、埃伦菲斯特、德尔布吕克、迈特纳。
03
奇迹之年
发现中子堪称石破天惊，但这一年最轰动的结果，也是概念上最为激进的，要到哥本哈根会议结束后才出现。1932年夏末，在加州理工工作的美国年轻人卡尔·安德森
（Carl Anderson）
给出毫无争议的证据，
证明存在与电子质量相同但所带电荷相反的粒子
。这种粒子不可能是质子，因为质子的质量差不多是电子的2000倍。安德森没听说过狄拉克的理论
（到这时人们仍然认为那只是个深奥难懂的数学概念）
，但反电子就这样被他发现了，并很快得名正电子。
这个结果一出来，很多实验物理学家就意识到，他们在自己的实验设备中也看到过正电子，不过都被当成是实验误差而未予理会，或是错误解读了实验结果——正电子在一个方向上运动的轨迹可能会被误认为是电子在朝着相反方向运动。剑桥大学甚至还有两名杰出的实验物理学家，在看到正电子的一些证据后，跟狄拉克讨论过正电子存在的可能性。然而他们犹犹豫豫不敢公布，也不愿接受有反物质存在这一看起来荒诞不经的想法。即使在进行了更多实验，进一步支持了狄拉克的假说后，他们发表的论文最后仍只是小心翼翼地承认这种粒子存在：“在对这种带正电的电子的性质有过更多详细研究后，或许就能检验狄拉克理论的这些预测了。似乎没有证据能否定其正确性。”
其他人同样表示怀疑，因为狄拉克的理论跟过去太不一样了。海森堡说：
“发现反物质可能是本世纪所有重大飞跃中最重大的。这个发现极其重要，因为它改变了我们对物质的整个看法。”
刚开始玻尔也不相信安德森的实验结果，而他之所以这么犹豫，是因为狄拉克理论中带空穴的、由负能量状态组成的无边无际的海洋看起来非常不可能。这一构想在玻尔和泡利看来非常难以接受，他俩甚至分别写信给狄拉克说，就算证明了反电子存在，他们也无法接受他的理论。
保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac），英国理论物理学家、量子力学奠基者之一、诺贝尔物理奖获得者。提出了狄拉克方程，并且从理论上预言了正电子的存在。
莉泽·迈特纳决定验证安德森和剑桥二人组的结论。他们的实验基于对宇宙射线所引发反应的分析，这里宇宙射线是个通称，指来自外太空的辐射。没有任何先验理由认为来自宇宙的光子和实验室产生的光子有任何不同，而她知道，实验室里进行的实验可以很好地控制，也可以重现，还没有什么能真正取代实验室实验的这些优势。她一上手就很快确认了他们的结果，还加以进一步的拓展。
光子产生反物质的能力存在一个阈值，最早验证这个阈值的就是迈特纳的实验。爱因斯坦著名的质能方程E=mc2反映了质量中含有多少能量，但物理学家还没想到过，粒子的质量可以完全消失，然后变成能量重新出现。然而，粒子遭遇其反粒子时发生的，正是这种情形。电子和正电子湮灭后可以只有光子出现，能量是守恒的，但这对粒子的质量在两者相遇后已完全消失。反过来，如果光子的能量足够高，两个光子就可以转变为正负电子对，等于是完全用能量创造出了质量。要让这一过程发生，光子的能量必须至少等于电子和正电子的质量之和乘以光速的平方。迈特纳的实验证实了这个预测，从此，对产生成了物理学家词汇表中的新词。
理论推动了实验，实验又反过来促进理论发展，一直就是这个样子。迈特纳的助手德尔布吕克在1932年写给玻尔的一封信中自称是迈特纳的“家庭理论物理学家”，他也参与了这些工作。现在德尔布吕克开始思考，反物质可能会对光子产生什么影响。大家都知道，其他光子的出现不会改变已有光子的路径，但如果有些光子能转变成正负电子对，就算只是一小会儿，也会改变这一情形。迈特纳的论文附上了对这个问题的讨论，让人很感兴趣。对这一我们现在称之为
德尔布吕克散射
的现象的解释，结果成了他对理论物理学最知名的贡献，直到现在都还有人在研究。
正电子和中子的发现是这一重大年份中最出人意料也最饱受赞誉的两大实验成果，前者证实狄拉克理论本质上是对的，后者则开启了核物理研究领域。汉斯·贝特
（Hans Bethe）
因为阐明太阳核心处的核物理反应的细节而获得了诺贝尔奖，他说，
1932年以前是“核物理学的史前时期，从1932年开始，历史进入了核物理时代”。中子的发现是分界线，而1932年也被称为奇迹之年。
汉斯·贝特（Hans Bethe），德国物理学家，因为阐明太阳核心处的核物理反应的细节而获得了诺贝尔奖
之前那些年最重大的进步是量子力学的发展。但风水轮流转，1932年因为出现了这么多影响深远的开创性实验，物理学的风水离开了理论这边。并不是说1932年到1934年没有取得重大理论进步，但这一时期的理论进步通常都是由新的、意想不到的实验数据推动的。现在是实验在引导物理学前进。其中有个特别重要的实验完成于1932年4月，也就是哥本哈根会议正在进行的时候。
卡文迪许实验室的约翰·科克罗夫特和欧内斯特·沃尔顿经过三年多的建设和规划，终于做到了当年卢瑟福在跟伽莫夫聊过后交待他们去做的事情：“给我造一台100万电子伏的加速器，我们就能不费吹灰之力，把锂原子核敲开了。”
他们用质子做发射物，一字不差地做到了。
在得知科克罗夫特和沃尔顿的成果后，玻尔写信给卢瑟福说：“现在原子核研究领域的进展实在是太快了，大家都在想，下一篇文章会带来什么。”没过多久他就知道了答案。卢瑟福的消息出来没多久，汉堡的实验物理学家奥托·施特恩，他特别擅长做超级难的实验，便告诉玻尔自己成功测量了质子的所谓磁矩，也就是能说明质子在磁场中会怎么运动的物理量。如果质子和预计的一样跟电子是同一种粒子，只是质量更大、电荷相反，那么狄拉克方程就已经能给出答案。
奥托·施特恩（Otto Stern）德裔美国核物理学家、著名实验物理学家
1920年代泡利在汉堡的时候跟施特恩就是好朋友，他知道施特恩有多喜欢做难做的实验，便告诉他继续进行下去，试着测量一下，尽管泡利也声称，所有人早就知道答案了。然而出乎意料，
又一颗重磅*爆炸了。施特恩的结果是预测结果的3倍，无论是泡利还是其他人，都小看了质子。
这是最早表明质子和中子自身也有内部结构的实验证据。
20世纪初物理学家面临的挑战是证明物质由原子组成，随后卢瑟福证明原子由原子核及绕核旋转的电子组成。然后在原子核里发现了质子和中子，如今又证明质子和中子也有自己的结构。
这简直是马拉松式的发现之旅，任何结局都无法事先预料。
04
大科学诞生
有件事很清楚：越大越好。但说来有些矛盾，
探测原子核里越来越小的尺度需要用到的能量越来越大。
考虑到这一点后，对于未来新的实验规划，现在人们有了一个设想。套用卢瑟福的话来说，要传达的信息就是：“给我造一台10亿电子伏的加速器，我们就能不费吹灰之力，把质子敲开了。”但建造这样一台机器需要用一套截然不同的办法。
卢瑟福是卡文迪许实验室的头儿，他的方式是强调自己动手，克勤克俭。你自己建造、组装，做自己的实验，可能也会跟别人合作，偶尔还会有三个人一起工作的时候，但人数不会再多了。不需要分配任务，不需要专门的技术人员，也不需要团队协作。大体上来讲，其他实验物理学家，比如施特恩和迈特纳，也都是这么搞研究的。但是，如果物理学家想建造并操作10亿电子伏的加速器，就不可能仍然走这条老路了。
这种新的物理实验形式首次出现也是在1932年。这年9月，加州大学伯克利分校的欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）用自己新发明的回旋加速器的第一台原型机，重现了科克罗夫特和沃尔顿的实验结果。劳伦斯受到鼓舞，很快谈起打算建造更大、更先进的回旋加速器。刚开始只是过家家的实验，却很快变成了伟大事业，需要专业的技术人员和固定员工，而所有这些都需要相当高的建设和维护费用。
欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence），回旋加速器之父
在技术进步的推动下，这场新冒险的领导者从欧洲人变成了美国人，接下来五十年也一直由美国领先。未来粉碎原子的大业属于伯克利，不属于卡文迪许实验室，一个时代也就此结束了。到1930年代结束时，美国已经有十多台回旋加速器，欧洲只有5台。接下来几十年，仪器造得越来越大，现在则变成了需要全世界通力合作的事情。
欧洲核子研究中心有早年那些加速器最大的后继者，在那里工作三年后，我也开始认识到这个地方有多么不同凡响。这一组织由多个欧洲国家于1954年联合组建，位于法国和瑞士交界处的日内瓦郊区，意在让欧洲夺回亚原子研究的领先地位。现在那里有大约三千名员工，每年的运行费用将近10亿美元，主要工作人员仍然是欧洲人，但来自全球各地的访问学者也都会参与到它的研究项目中。这里已经成为科学界的小小联合国，是跨越国界的国际合作最好的例子。
1990年代，欧洲核子研究中心的研究活动主要围绕大型正负电子对撞机（LEP）展开。在这台对撞机里，电子束和正电子束会被高强度的磁场加速到接近光速。加速器的环形地下隧道长27公里，正反电子束在隧道里以相反方向每秒转一万多圈，在瑞士和法国之间来回穿梭。为尽量避免两束粒子与空气分子发生碰撞，隧道保持着极高的真空度，还不到标准大气压的十亿分之一。正反电子束在引导下进入4台巨大的碰撞探测器并发生碰撞，这4台探测器分别叫阿列夫、德尔菲、L3和欧泊，运行每一台探测器的国际合作团队都有三百多名物理学家。
1930年代，物理学家无比惊讶地发现了正电子，而到了1990年代，正电子束已经成为了研究工具。这些实验极其灵敏，就连日内瓦湖的水位变化都必须考虑进来。尽管日内瓦湖在10公里以外，但湖中水位高低的季节性变化会给湖岸上的压力带来变化，足以使正反电子束的位置移动个几分之一毫米。这样的干扰，以及过往火车、月球轨道的变化都必须考虑，如此才能得到所需要的最大精度。此外，那4台碰撞探测器得出的数据量极为庞大，检查实验结果让欧洲核子研究中心那么强大的算力也只能满负荷运转。
为协调世界各地物理学家一起参与这些数据的分析工作，欧洲核子研究中心还开发了一种工具，叫万维网，首字母缩写就是www，即今天互联网的前身。
从卢瑟福发现原子核到查德威克发现中子有二十年，到物理学家开始认识到质子和中子也有内部结构又是二十年，再到人们意识到准确答案是3个夸克又过去了二十年。还需要二十年，科学界里的很多人才会开始认为，这些夸克是超弦在振动。现在，我们正在等待万亿电子伏加速器的出现。大型正负电子对撞机在欧洲核子研究中心的后继者是大型强子对撞机（LHC），预计会在未来几年投入使用，可能会为剩下的一些问题*。
这些仪器已经花了数十亿美元、瑞士法郎和欧元，实验团队也从一两个人变成了数百人。为了给这些仪器筹集资金，用这些仪器做实验，人们跨越了国界。
1932年，大科学诞生了。
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“幽灵粒子”中微子是怎么被发现的？
近日，我国重大科技基础设施——江门中微子实验建设进入收官阶段。这个位于江门开平的
大科学装置
深藏在地下700米，建成后将主要研究宇宙中的一种
“
幽灵粒子
”——中微子
。
据悉，该装置将于2025年8月正式运行取数，将运行约30年，进行超新星中微子、地球中微子、太阳中微子、大气中微子、质子衰变等多项重大前沿交叉研究。
10月10日，工人在安装中心探测器上的
光电倍增管
。新华社记者 金立旺 摄
中微子是构成世界的基本粒子，是宇宙中最古老、数量最多的物质粒子。由于
中微子质量
轻、运动速度接近光速，而且几乎不与任何东西发生反应，探测中微子非常困难，科学界对其基本性质了解很少。
从20世纪初科学家在研究
β衰变
过程中发现中微子的存在，到
21世纪初中微子成为高能物理学的宠儿
和各国争相占据的战略高地
，人类对中微子的探索已经走过了一个世纪的历程。
那么，中微子是如何被发现的？量子力学如何一路走到现在？这就得从英国
剑桥大学卡文迪许实验室
这座
“诺贝尔奖的摇篮”
说起。今天，让我们翻开高能基本粒子理论物理学领域的国际知名专家吉诺·塞格雷的著作《哥本哈根的浮士德》，去回顾这段惊心动魄的历史。
图片
中子、中微子与“大科学”的诞生
吉诺·塞格雷 著 舍其 译
摘自《哥本哈根的浮士德》
01
发现中子
作为卡文迪许实验室的二把手，詹姆斯·查德威克的职责之一，是每天上午向卢瑟福汇报过去二十四小时发生的会让人感兴趣的进展，无论是发生在卡文迪许实验室还是别的什么地方。1932年2月剑桥一个寒冷的早晨，有件事他很想跟卢瑟福讨论一番。
那天早上他读到一篇论文，作者是伊雷娜·居里（Irène Curie）和她丈夫弗雷德里克·约里奥（Frédéric Joliot），他们俩都是颇有建树的实验家，在巴黎实验室工作，实验室的头儿是伊雷娜的母亲居里夫人。文章标题为《极具穿透力的γ射线令含氢材料发射出高速质子》，是两周前提交给法国科学院院刊的，并马上发表了。查德威克觉得实验可能做对了，但对结论持怀疑态度。
玛丽和伊雷娜·居里 （Marie and Irène Curie） 母女二人组都是诺贝尔奖得主。此为1925 年，伊雷娜·居里和母亲居里夫人在实验室里。
*·博特（Walter Bothe）是柏林一位著名的实验物理学家，1920年代末，他发现铍原子核在用α粒子轰击后，会发射出一种穿透力极强的辐射，他认为是γ射线，也就是光子束。居里和约里奥夫妇在得知博特的实验结果后，借助居里实验室强大的α粒子源，像博特那样去轰击铍原子核，随后把富含氢元素的石蜡暴露在铍原子核发出的辐射下。他们发现，按说应该是光子束的这种辐射把氢原子核（质子）以极高的速度从石蜡里打了出来，比他们预计的速度高了整整300万倍。他们的论文说的就是这个。
查德威克认为，γ射线（光子）极不可能达到居里和约里奥夫妇观测到的效果。关于γ射线驱使电子运动起来的实验已经做过很多了，但要说能让质量差不多是电子2000倍的质子以那么高的速度运动起来，似乎怎么都不大靠谱。打个比方，使劲儿把三轮车推动是一回事，但用同样的推力去推一辆卡车就是另一回事了。
但是，如果刚开始的α粒子是把铍原子核里某种很有分量的东西给撞了出来，那么这个质量很大的东西再把标靶中的质子撞出来就很容易了。而刚好，卢瑟福和查德威克脑子里想着这件很有分量的东西已经很长时间了。
从1920年起卢瑟福就一直在强调，
原子核里必定还有电子和质子以外的粒子。
要不然怎么解释大质量原子核是怎么结合起来的？他认为这种另外的
粒子——他称之为中子——是电中性的
，质量与质子大致相当，可能就是质子跟轻得多的电子紧密结合在一起。跟他合作很久的查德威克想起他们曾经常讨论这个问题，也因为找不到这种大质量粒子存在的任何证据而沮丧万分，于是他们认为，之所以这么难发现，是因为这种粒子是电中性的。好几年过去了仍然没有发现，难觅其踪的中子也一直让这两位科学家很有挫折感。
1919年，卢瑟福(Ernest Rutherford)应邀担任英国剑桥大学卡文迪什实验室主任，他用α粒子轰击干燥的氮气，击中氮原子核，使氮转化为氧，并释放出一个质子，实现了人类有历史以来第一次人工核反应。
现在查德威克问自己，如果博特、居里和约里奥全都错了呢？如果铍原子核发出的射线其实是中子呢？这个实验很有可能会改变所有人对原子核的看法。
跟往常一样，上午11点查德威克去见卢瑟福。对于卢瑟福听到巴黎传来的消息后的反应，他记得很清楚：“我一边告诉他居里和约里奥夫妇的观测结果和他们的看法，一边看着他越来越惊诧。到最后他脱口而出：‘我不相信。’这么不耐烦的话完全不符合他的性格，跟他合作了这么多年，我想不起他还有过类似的时候。”在卢瑟福的鼓励下，查德威克开动了。
经常有人说查德威克长得像只鸟，圆圆的玳瑁框眼镜戴在细细的鼻梁上，脸很长，样子很严肃。卡文迪许实验室的驱动力仍然是卢瑟福，但负责实验室日常工作的是四十一岁的查德威克。在内心深处，他仍是一个充满激情的实验物理学家，驱使他就算在一战期间的德国拘留营中挨着饿都还要做物理实验的精神，到现在仍然十分鲜活。
对巴黎传来的消息，查德威克的反应是准备证明或否定巴黎的结论。他很快确认了居里和约里奥夫妇的实验结果，随后便开始用铍原子核发出的辐射系统化地轰击大量其他材料。他和卢瑟福的直觉是对的，结论也是必然的：查德威克发现了中子。
查德威克(James Chadwick)是卢瑟福的学生。1932年，他精心设计了一个实验，用α粒子轰击铍，再用铍产生的射线轰击氢、氮，结果打出了氢核和氮核，他测量了被打出的氢核与氮核的速度，由此推算出了这种新粒子的质量。他认为，只有假定从铍中放出的射线是一种质量跟质子差不多的中性粒子才能解释，这种粒子不带电，就被称为“中子”了。
2月17日，他在桌子前坐下来，写下自己的发现。他几乎连轴转地干了十天，平均每晚最多睡三个小时。但现在他完成了。他写给《自然》杂志的报告题为《论中子存在的可能性》，得出了这样的结论：
如果我们假设这种辐射不是γ辐射，而是由质量跟质子极为接近的粒子组成，那么跟碰撞有关的所有困难，包括碰撞过程中向不同质量的粒子转移的能量与频率的问题，就都会消失。要解释这种辐射强大的穿透能力，我们还需要进一步假设，这种粒子不带电……我们可以假定，这就是卢瑟福在1920年获得皇家学会贝克尔奖的获奖演说中谈到的“中子”。
十多年过去，查德威克终于捕获了自己的猎物，捕猎结束。
那天晚上，查德威克的好友彼得·卡皮查带他去吃晚饭。卡皮查非常好交际，也是非常杰出的物理学家，他在剑桥组织了晚饭后即兴发挥的物理学讨论，总是充满乐趣，后来人们称之为“卡皮查俱乐部”会议。在查德威克做完实验的这天晚上，恰好也轮到查德威克主讲。小说家兼科学家查尔斯·珀西·斯诺当时也在场，他还记得查德威克简要介绍了自己的伟大发现，随后带着疲倦的神情说：“现在我只想被放倒，一觉睡上两个星期。”
查德威克一直在连轴转，因为他知道巴黎团队随时都可能认识到自己的错误，比他先得到结果。卡文迪许实验室轻松获胜，查德威克也很快赢取了诺贝尔物理学奖。似乎是卢瑟福坚持不要让居里和约里奥夫妇共同获奖，他说：“中子的奖给查德威克一个人就好了，约里奥两口子太聪明了，很快就会因为别的事情拿到诺奖的。”结果表明，这个预测也非常正确。1935年，查德威克因发现中子独享诺贝尔物理学奖，而约里奥夫妇也在这一年去了斯德哥尔摩，领取他们凭借1934年探测到人工诱导放射性而获得的诺贝尔化学奖。
查德威克一直在连轴转，因为他知道巴黎团队随时都可能认识到自己的错误，比他先得到结果。卡文迪许实验室轻松获胜，查德威克也很快赢取了诺贝尔物理学奖。似乎是卢瑟福坚持不要让居里和约里奥夫妇共同获奖，他说：“中子的奖给查德威克一个人就好了，约里奥两口子太聪明了，很快就会因为别的事情拿到诺奖的。”结果表明，这个预测也非常正确。1935年，查德威克因发现中子独享诺贝尔物理学奖，而约里奥夫妇也在这一年去了斯德哥尔摩，领取他们凭借1934年探测到人工诱导放射性而获得的诺贝尔化学奖。
F·约里奥与居里夫人的长女伊雷娜·居里结婚后，这对夫妇同时将他们的姓氏更改为约里奥-居里。
查德威克引领着那个紧锣密鼓研究核物理的时代，他的成就几乎跟卢瑟福于1913年最早提出原子中有原子核同样重要，但这一次对物理学家们产生的影响极为不同。1913年的结果完全出乎意料，有如平地一声雷，让整个物理学界乃至卢瑟福本人都一时手足无措，不知道该怎么进行下去。发现中子的消息就很不一样了，尽管并非所有人都有预感，但这一结果落在肥沃的土地上，几乎马上解开了大量谜题，也为新的谜题提供了营养。
02
哥本哈根与中子
1932年春天玻尔研究所的会议就在查德威克发现中子两个月后召开，这种新粒子的存在成了会上最令人兴奋的话题。这一新实验结果的影响尚不明朗，然而哥本哈根会议是讨论该结果所有影响的最佳场所。长达一周的会议讨论没有预先设定议题，他们可以尽情讨论这个实验可能会带来什么后果，就下一步如何进行交换意见，想讨论多久就讨论多久。那一周提出的有些问题是新的，但也有一些多年来大家一直在思考，需要在这一新视角下重新审视。
最突出的老问题有两个，就是原子核质量没法解释，以及让原子核没有四分五裂的神秘作用力究竟是怎么来的。
氮原子核中的质量缺失可能是因为原子核里那7个中子吗？能证明吗？
如果确实如此，那么所谓的错误统计问题，也就是为什么氮原子核表现得像是由偶数个而非奇数个粒子组成的问题，可能也就迎刃而解了，因为7+7=14。是这样吗？
让大型原子核没有分裂开的也是中子吗？如果确实如此，中子是怎么做到的呢？
中子和中微子在原子核里是怎么组合起来的？原子核为什么会发出β射线
（电子）
？会议期间的讨论进行到如此复杂的地步时，玻尔就会反复说他最喜欢的一句谚语，
“伟大真理的背面同样也是伟大真理”
，以此缓解气氛，并鼓励年轻的追随者们大胆假设。
玻尔
那一周相聚在哥本哈根的物理学家们认定，要想了解中子的性质，就必须确定中子是跟电子和质子有同样的地位，抑或只不过是电子和质子结合在一起形成的。与会人员不太愿意引入更多新粒子，因而似乎倾向于后一种选择。查德威克说：“目前除了也许能解释比如氮-14等原子核中的统计错误问题，中子是基本粒子的可能性很小。”
在其他人还在思考中子究竟是不是基本粒子的时候，一贯务实而大胆的海森堡行动起来。会议结束后没几个月，他就提出了一个简洁的量子力学理论，涉及中子和质子之间的作用力，跟中子是不是基本粒子没有任何关系。他的理论很快成为后来沿这一思路进行下去的所有工作的基础，再次证明了派尔斯曾评价过的海森堡的智慧：
“他在面对一个问题的时候，几乎总是凭直觉就能知道答案会是什么，然后就会去找一个很可能可以得出这个答案的数学方法。”
维尔纳·海森堡（Werner Heisenberg），德国著名物理学家，德国研制*核武器的领导人，与核裂变的发现者之一哈恩一起研制核反应堆。
新兴的核物理学领域继续突飞猛进。到1934年，已经有明确证据表明，中子和质子都是原子核的组块，而且也和电子与质子一样，属于基本粒子。但这些结果仍然不能解释β衰变。如果原子核里本来没有电子，原子核又怎么能发射出电子来？
1933年底，费米提出了一个大胆而简练的解决方案。需要一种新的作用力，而且从概念上讲和万有引力和电磁力这两种已知的作用力同样属于基本作用力。费米给这种作用力起名叫弱相互作用，跟另外两种作用力的不同之处在于会让粒子改变身份：按费米的设想，电子在弱相互作用下会变成中微子，质子则会变成中子。稍微延伸一下，
这种作用力甚至可以让一个中子完全消失，变成一个质子、一个电子和一个中微子。这种新的作用力几乎任何时候都藏得很严实，只有一种情况下清晰可见，就是发出β射线的核衰变。
突然之间，费米就这么解决了β衰变的主要问题，也就是如果说原子核里本来没有电子，那又怎么能发射出电子来。我们必须认为原子核由中子和质子组成，但在弱相互作用下，其中的中子会变成质子，同时产生的能量极高的电子和中微子也会立即逃出原子核。
基本粒子可以变换身份，这个想法甚至比存在一种新的作用力还要石破天惊。然而一经提出，对费米和其他人来说，似乎就成了必然结果。我叔叔埃米利奥还记得，1933年年终滑雪趴的时候，他们在多洛米蒂滑了一天雪，之后几个好朋友坐在酒店房间里，听费米跟他们讲解自己的发现。费米完全知道这个发现有多重要，但他还是平心静气地告诉他们，这很可能是他到现在为止，甚至可能会是他一生中，最重要的发现，大家听得目瞪口呆。
费米
费米对实验工作的细节了如指掌，也研究过测量电子的能量得出的曲线，他得出的结论用他自己的话说就是，中微子的质量“等于零，要不就是不管怎么样，跟电子质量比起来非常小”。如何测量小小中微子的质量，是我七十年后在慕尼黑参加的这次中微子会议的中心议题。我们总是会听到科学大步前进的各种故事，但有些事情就是急不得。
费米很快就这个主题写了一篇简短的论文，介绍他提出的理解β衰变的方案，并寄给了《自然》杂志，希望能很快发表。然而杂志社对新的作用力和未检测到的粒子持怀疑态度，他们拒绝发表这篇文章，还给作者写了篇编辑评论：“这些猜测与物理现实过于脱节。”
但理论物理学家并不认可杂志社的观点，他们很快就接受了费米的假说，后来那些年，
事实证明费米的理论几乎完全正确。费米提出的理论如今已成为基本粒子物理学的基础
，《自然》杂志的退稿，也成了期刊在选文时过于谨小慎微的典型案例。
不过我还是有些理解《自然》杂志的编辑们。除了专家，新物理学的发展速度和复杂程度对所有人来说都太让人不知所措了。两年前这个世界还是由电子和质子组成，这些基本粒子靠静电引力结合在一起。才不过两年后就又说有两种新粒子，中子和中微子，还有两种未知机制，一种让中子和质子结合，另一种则允许中子衰变。而且其中一种新粒子一开始也叫中子，刚刚才改名为中微子，仿佛还嫌不够乱似的。
然而，所有这些想法都是对的。过去半个世纪，有十几位物理学家在这一方向拿到了诺贝尔奖，获奖原因包括：证明弱相互作用破坏宇称，展现弱相互作用究竟是怎么作用的，证明中微子存在，以及展示中微子如何在太阳内的核反应中产生，等等等等。
但所有这些成果都源自1930年代初泡利和费米的想法，甚至还可以进一步追溯到由卢瑟福、查德威克、埃利斯、迈特纳和他们的合作者完成的令人叹为观止的实验。
科学大旗就是这样编织出来的。
1933年9月玻尔研究所的学术讲座上。前排左起：玻尔、狄拉克、海森堡、埃伦菲斯特、德尔布吕克、迈特纳。
03
奇迹之年
发现中子堪称石破天惊，但这一年最轰动的结果，也是概念上最为激进的，要到哥本哈根会议结束后才出现。1932年夏末，在加州理工工作的美国年轻人卡尔·安德森
（Carl Anderson）
给出毫无争议的证据，
证明存在与电子质量相同但所带电荷相反的粒子
。这种粒子不可能是质子，因为质子的质量差不多是电子的2000倍。安德森没听说过狄拉克的理论
（到这时人们仍然认为那只是个深奥难懂的数学概念）
，但反电子就这样被他发现了，并很快得名正电子。
这个结果一出来，很多实验物理学家就意识到，他们在自己的实验设备中也看到过正电子，不过都被当成是实验误差而未予理会，或是错误解读了实验结果——正电子在一个方向上运动的轨迹可能会被误认为是电子在朝着相反方向运动。剑桥大学甚至还有两名杰出的实验物理学家，在看到正电子的一些证据后，跟狄拉克讨论过正电子存在的可能性。然而他们犹犹豫豫不敢公布，也不愿接受有反物质存在这一看起来荒诞不经的想法。即使在进行了更多实验，进一步支持了狄拉克的假说后，他们发表的论文最后仍只是小心翼翼地承认这种粒子存在：“在对这种带正电的电子的性质有过更多详细研究后，或许就能检验狄拉克理论的这些预测了。似乎没有证据能否定其正确性。”
其他人同样表示怀疑，因为狄拉克的理论跟过去太不一样了。海森堡说：
“发现反物质可能是本世纪所有重大飞跃中最重大的。这个发现极其重要，因为它改变了我们对物质的整个看法。”
刚开始玻尔也不相信安德森的实验结果，而他之所以这么犹豫，是因为狄拉克理论中带空穴的、由负能量状态组成的无边无际的海洋看起来非常不可能。这一构想在玻尔和泡利看来非常难以接受，他俩甚至分别写信给狄拉克说，就算证明了反电子存在，他们也无法接受他的理论。
保罗·狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac），英国理论物理学家、量子力学奠基者之一、诺贝尔物理奖获得者。提出了狄拉克方程，并且从理论上预言了正电子的存在。
莉泽·迈特纳决定验证安德森和剑桥二人组的结论。他们的实验基于对宇宙射线所引发反应的分析，这里宇宙射线是个通称，指来自外太空的辐射。没有任何先验理由认为来自宇宙的光子和实验室产生的光子有任何不同，而她知道，实验室里进行的实验可以很好地控制，也可以重现，还没有什么能真正取代实验室实验的这些优势。她一上手就很快确认了他们的结果，还加以进一步的拓展。
光子产生反物质的能力存在一个阈值，最早验证这个阈值的就是迈特纳的实验。爱因斯坦著名的质能方程E=mc2反映了质量中含有多少能量，但物理学家还没想到过，粒子的质量可以完全消失，然后变成能量重新出现。然而，粒子遭遇其反粒子时发生的，正是这种情形。电子和正电子湮灭后可以只有光子出现，能量是守恒的，但这对粒子的质量在两者相遇后已完全消失。反过来，如果光子的能量足够高，两个光子就可以转变为正负电子对，等于是完全用能量创造出了质量。要让这一过程发生，光子的能量必须至少等于电子和正电子的质量之和乘以光速的平方。迈特纳的实验证实了这个预测，从此，对产生成了物理学家词汇表中的新词。
理论推动了实验，实验又反过来促进理论发展，一直就是这个样子。迈特纳的助手德尔布吕克在1932年写给玻尔的一封信中自称是迈特纳的“家庭理论物理学家”，他也参与了这些工作。现在德尔布吕克开始思考，反物质可能会对光子产生什么影响。大家都知道，其他光子的出现不会改变已有光子的路径，但如果有些光子能转变成正负电子对，就算只是一小会儿，也会改变这一情形。迈特纳的论文附上了对这个问题的讨论，让人很感兴趣。对这一我们现在称之为
德尔布吕克散射
的现象的解释，结果成了他对理论物理学最知名的贡献，直到现在都还有人在研究。
正电子和中子的发现是这一重大年份中最出人意料也最饱受赞誉的两大实验成果，前者证实狄拉克理论本质上是对的，后者则开启了核物理研究领域。汉斯·贝特
（Hans Bethe）
因为阐明太阳核心处的核物理反应的细节而获得了诺贝尔奖，他说，
1932年以前是“核物理学的史前时期，从1932年开始，历史进入了核物理时代”。中子的发现是分界线，而1932年也被称为奇迹之年。
汉斯·贝特（Hans Bethe），德国物理学家，因为阐明太阳核心处的核物理反应的细节而获得了诺贝尔奖
之前那些年最重大的进步是量子力学的发展。但风水轮流转，1932年因为出现了这么多影响深远的开创性实验，物理学的风水离开了理论这边。并不是说1932年到1934年没有取得重大理论进步，但这一时期的理论进步通常都是由新的、意想不到的实验数据推动的。现在是实验在引导物理学前进。其中有个特别重要的实验完成于1932年4月，也就是哥本哈根会议正在进行的时候。
卡文迪许实验室的约翰·科克罗夫特和欧内斯特·沃尔顿经过三年多的建设和规划，终于做到了当年卢瑟福在跟伽莫夫聊过后交待他们去做的事情：“给我造一台100万电子伏的加速器，我们就能不费吹灰之力，把锂原子核敲开了。”
他们用质子做发射物，一字不差地做到了。
在得知科克罗夫特和沃尔顿的成果后，玻尔写信给卢瑟福说：“现在原子核研究领域的进展实在是太快了，大家都在想，下一篇文章会带来什么。”没过多久他就知道了答案。卢瑟福的消息出来没多久，汉堡的实验物理学家奥托·施特恩，他特别擅长做超级难的实验，便告诉玻尔自己成功测量了质子的所谓磁矩，也就是能说明质子在磁场中会怎么运动的物理量。如果质子和预计的一样跟电子是同一种粒子，只是质量更大、电荷相反，那么狄拉克方程就已经能给出答案。
奥托·施特恩（Otto Stern）德裔美国核物理学家、著名实验物理学家
1920年代泡利在汉堡的时候跟施特恩就是好朋友，他知道施特恩有多喜欢做难做的实验，便告诉他继续进行下去，试着测量一下，尽管泡利也声称，所有人早就知道答案了。然而出乎意料，
又一颗重磅*爆炸了。施特恩的结果是预测结果的3倍，无论是泡利还是其他人，都小看了质子。
这是最早表明质子和中子自身也有内部结构的实验证据。
20世纪初物理学家面临的挑战是证明物质由原子组成，随后卢瑟福证明原子由原子核及绕核旋转的电子组成。然后在原子核里发现了质子和中子，如今又证明质子和中子也有自己的结构。
这简直是马拉松式的发现之旅，任何结局都无法事先预料。
04
大科学诞生
有件事很清楚：越大越好。但说来有些矛盾，
探测原子核里越来越小的尺度需要用到的能量越来越大。
考虑到这一点后，对于未来新的实验规划，现在人们有了一个设想。套用卢瑟福的话来说，要传达的信息就是：“给我造一台10亿电子伏的加速器，我们就能不费吹灰之力，把质子敲开了。”但建造这样一台机器需要用一套截然不同的办法。
卢瑟福是卡文迪许实验室的头儿，他的方式是强调自己动手，克勤克俭。你自己建造、组装，做自己的实验，可能也会跟别人合作，偶尔还会有三个人一起工作的时候，但人数不会再多了。不需要分配任务，不需要专门的技术人员，也不需要团队协作。大体上来讲，其他实验物理学家，比如施特恩和迈特纳，也都是这么搞研究的。但是，如果物理学家想建造并操作10亿电子伏的加速器，就不可能仍然走这条老路了。
这种新的物理实验形式首次出现也是在1932年。这年9月，加州大学伯克利分校的欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence）用自己新发明的回旋加速器的第一台原型机，重现了科克罗夫特和沃尔顿的实验结果。劳伦斯受到鼓舞，很快谈起打算建造更大、更先进的回旋加速器。刚开始只是过家家的实验，却很快变成了伟大事业，需要专业的技术人员和固定员工，而所有这些都需要相当高的建设和维护费用。
欧内斯特·劳伦斯（Ernest Lawrence），回旋加速器之父
在技术进步的推动下，这场新冒险的领导者从欧洲人变成了美国人，接下来五十年也一直由美国领先。未来粉碎原子的大业属于伯克利，不属于卡文迪许实验室，一个时代也就此结束了。到1930年代结束时，美国已经有十多台回旋加速器，欧洲只有5台。接下来几十年，仪器造得越来越大，现在则变成了需要全世界通力合作的事情。
欧洲核子研究中心有早年那些加速器最大的后继者，在那里工作三年后，我也开始认识到这个地方有多么不同凡响。这一组织由多个欧洲国家于1954年联合组建，位于法国和瑞士交界处的日内瓦郊区，意在让欧洲夺回亚原子研究的领先地位。现在那里有大约三千名员工，每年的运行费用将近10亿美元，主要工作人员仍然是欧洲人，但来自全球各地的访问学者也都会参与到它的研究项目中。这里已经成为科学界的小小联合国，是跨越国界的国际合作最好的例子。
1990年代，欧洲核子研究中心的研究活动主要围绕大型正负电子对撞机（LEP）展开。在这台对撞机里，电子束和正电子束会被高强度的磁场加速到接近光速。加速器的环形地下隧道长27公里，正反电子束在隧道里以相反方向每秒转一万多圈，在瑞士和法国之间来回穿梭。为尽量避免两束粒子与空气分子发生碰撞，隧道保持着极高的真空度，还不到标准大气压的十亿分之一。正反电子束在引导下进入4台巨大的碰撞探测器并发生碰撞，这4台探测器分别叫阿列夫、德尔菲、L3和欧泊，运行每一台探测器的国际合作团队都有三百多名物理学家。
1930年代，物理学家无比惊讶地发现了正电子，而到了1990年代，正电子束已经成为了研究工具。这些实验极其灵敏，就连日内瓦湖的水位变化都必须考虑进来。尽管日内瓦湖在10公里以外，但湖中水位高低的季节性变化会给湖岸上的压力带来变化，足以使正反电子束的位置移动个几分之一毫米。这样的干扰，以及过往火车、月球轨道的变化都必须考虑，如此才能得到所需要的最大精度。此外，那4台碰撞探测器得出的数据量极为庞大，检查实验结果让欧洲核子研究中心那么强大的算力也只能满负荷运转。
为协调世界各地物理学家一起参与这些数据的分析工作，欧洲核子研究中心还开发了一种工具，叫万维网，首字母缩写就是www，即今天互联网的前身。
从卢瑟福发现原子核到查德威克发现中子有二十年，到物理学家开始认识到质子和中子也有内部结构又是二十年，再到人们意识到准确答案是3个夸克又过去了二十年。还需要二十年，科学界里的很多人才会开始认为，这些夸克是超弦在振动。现在，我们正在等待万亿电子伏加速器的出现。大型正负电子对撞机在欧洲核子研究中心的后继者是大型强子对撞机（LHC），预计会在未来几年投入使用，可能会为剩下的一些问题*。
这些仪器已经花了数十亿美元、瑞士法郎和欧元，实验团队也从一两个人变成了数百人。为了给这些仪器筹集资金，用这些仪器做实验，人们跨越了国界。
1932年，大科学诞生了。