40分钟讲透：改变物理学的一场意外发现（完整文稿）
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量子色动力学据估计已花掉几百亿美元。这是人类史上规模最大的科学工程之一。而这一切，始于一个冷门实验，和一位倔强的物理学家。
量子色动力学，简称QCD。它描述强相互作用力，正是这股力把原子核结合在一起。发现QCD是科学史上最大的突破之一。这就是它的故事，第一次由亲历者亲口讲述。基本想法就是，去没人去过的地方。回想起来，我们当时都疯了。这。
就是我们真正发现夸克的精彩故事。
故事从六十年代中期说起。量子力学诞生约四十年，是描述原子的主流理论。它把原子描述成电子云，围绕由质子和中子组成的核。这个理论成功描述了电磁力、电子的行为，还有光和物质的相互作用，原子核的秘密已揭开。核由质子和中子组成，它们是靠强核力粘在一起的基本粒子。
当时认为，质子的秘密基本揭开了，它不过是个带正电的小团。
物理学家霍华德·乔治说，那段粒子物理岁月真是无聊透顶。所以这时造史上最贵最强的电子枪，也许真不是个好时机。但它真的发生了。在。
一九六二年，不顾多方劝阻，斯坦福大学开始建世界最大的电子加速器。斯坦福直线加速器，简称SLAC。工程规模巨大，精度空前。二百五十万立方码的土方被移走。浇筑了上百立方码混凝土，两英里长的结构里有一万吨钢筋。里面是加速器的核心部件：一根纯铜管，直径四英寸，长一万英尺，笔直得不超过一枚硬币的厚度。人类将借此最精细地探索原子核。它花了一亿多美元，相当于今天的十亿美元。它野心大得离谱，绰号叫M计划，M就是怪物的意思。
电子先加速到接近光速，十万分之一秒后，撞向质子靶，那在一个叫终点站A的巨大房间里。目标是把质子测绘得更细，但说实话，没几个人指望会有惊天大发现。二〇〇六年，我曾为BBC拍过一部关于SLAC的片子。我记得站在山坡上，俯瞰那条直线加速器，那景象真是壮观极了。这就是斯坦福直线加速器，在旧金山以南几英里。我脚下，是巨型电子枪的一端。
高能电子束从两英里外的山里出发，穿过隧道，钻过高速公路下面，从这头出来，进入实验区。那边灰色建筑叫终点站A，物理学最重要的发现之一就在那里诞生。马蒂·布赖登巴赫是六十年代实验团队的一员。第一眼望去，终点站大得吓人。那是座带屏蔽的建筑。
我记得墙差不多两米厚，屋顶一米厚，都是铁块。房子大概，我记不清，大概二十乘四十米，差不多。往里大概十米，有个转轴。三台谱仪装在轴上旋转。它们靠电机驱动，在控制室就能转动。
但它到底干什么用？物理学家戈德哈伯认为，电子早就搞透了，搞不出新物理。大家都觉得不会有啥结果。
五六十年代多年实验表明，电子撞上质子，就是被弹开而已。这叫弹性散射。质子内部没变化。物理学家觉得质子无聊，是因为这类实验早就做烂了，SLAC建成前几十年，结果都能预测。到六十年代初，加速器给电子更高能量，出现了第二种反应。在某些特定电子能量下，质子会突然吸收能量，短暂跳到更高的内部能态。
有点像敲钟，这就是共振。质子能量变了，所以叫非弹性散射。
SLAC还没建，这些早就搞清了。
这就有了帕诺夫斯基，SLAC的主任。他个子不高，精力充沛，不怕批评。我一见到他，就觉得这人真了不起。虽然大伙都不看好，他觉得有责任用更强的电子继续探索质子。基本思路就是去没人去过的地方，他有能力做到。他可以探索质子，从简单开始。
用电子轰击质子，用的能量和能量损失，远超以往所有实验。我说这是再明显不过的做法。我愿意相信帕诺夫斯基有种直觉，他强烈感觉有怪事要发生。真相可能永远不知道，但一九六八年，SLAC的首批结果出来了。
一开始低能量下，电子只是弹性弹开质子。能量守恒，早有人见过，不意外。我记得最早真正跑的实验就是弹性散射，结果基本都在预料之中。当时合作方是SLAC、MIT和加州理工。加州理工觉得深度非弹性会很无聊。于是他们退出，去费米实验室做中微子。随着电子能量不断提升，到某个点，弹性散射变成非弹性，电子把能量传给了质子。质子被激发到共振态。而更高能量下，从没人达到过的能量，电子束越来越接近光速时，他们看到了截然不同的东西。
还是非弹性散射，但共振不见了。SLAC的科学家把这些早期结果画成图。纵轴是各角度探测到的电子数，横轴是电子传给质子的能量。第一个峰是低能弹性散射，电子直接弹开。能量升高出现更多峰，进入非弹性区，这些是共振。质子的激发态，每个峰对应电子传递的特定能量。
高能量下出现了新情况。电子能量太猛，质子明显被砸碎了。可图上却有条又长又浅的尾巴。说明电子还在反弹回来。可是从什么东西上弹回来？说不通。
六十年代中期，物理学家比约肯在SLAC工作，人称BJ。他以洞察力著称，总能拨开复杂，找到简单的答案。一听说实验员看到新奇的非弹性散射结果，他就着迷了。他说：我迷上了这问题，两年都没抬头。比约肯的天才之处，是他想出巧妙的点子，看透质子内部的情况。他用的是一个冷门的数学框架，叫流代数。
这让他有办法思考高能电子质子碰撞。但对几乎所有人来说，他的数学根本没法懂。听我说，我当时是年轻实验员，不是理论家，流代数我从没搞懂。直到今天我还是不懂。流代数实在太过数学化了。要是有哪种直观的办法能理解他在说什么，他从没跟我们讲过。
流代数让比约肯想到一个有力的新想法：标度。
想体会他的意思，看这三个橙子。放大倍数提高，能看到单个橙子。再放大，能看到粗糙的表面。再放大，能看到果皮上的凹坑细节。一般放大越大，细节越多。但SLAC的电子表现却大不一样。比约肯用流代数整理实验结果，发现电子探测质子的分辨率越高，散射的整体图样几乎不变。这就是标度。如果电子是从点状成分上散射，就会这样。因为点放大多少倍还是点。这就是比约肯的领悟。电子反弹回来，加上标度。
一步步把他引向惊人结论。质子里似乎有自由运动的点状成分。天才的一刻，他意识到那些烧脑的数学，也许能给出检验的办法。比约肯请SLAC的实验员，在不同电子能量下反复做深度非弹性散射。他会算出所谓的结构函数，得到一条曲线。再比较不同能量下的结构函数曲线。如果曲线重合，就有标度。有标度就意味着点状粒子。
到一九六七年，实验员能把电子能量提到20吉电子伏。是当时其他装置的两倍多。电子接近光速飞行，然后撞上靶上的液氢。探测器架在各角度测电子，然后就能算比约肯的结构函数。一切就绪。
这是SLAC深度非弹性实验的著名图。内容很密，我只讲重点。曲线下面这些东西先不管。这是结构函数的图。重要的是这些点，都是数据点，来自实验测量。他们发现，不管电子束能量是多少，所有这些点，全都聚在顶部这条直线上。这说明比约肯的假设是对的，质子确实有内部结构。
这一切意味着什么？质子里真有点粒子吗？
点在质子里自由活动，却粘得极紧，从外面看，质子就像一团没有结构的模糊物。这一切看着太不可能了，SLAC的科学家都不确定，要不要把发现埋掉。但随后，他们意外得到了一些鼓励。
几百英里外的洛杉矶，Caltech里有几位物理学天才，也在这么想，但原因完全不同。他们是盖尔曼和费曼，二十世纪最有趣、最有创见的两位理论物理学家。零五年，我去看了他们的办公室。这间四百五十六号，原是费曼的。妙的是，走廊再走两扇门，就是盖尔曼的办公室。这两位巨匠之间竞争激烈，但也互相激发创意。两人性格截然不同，费曼爱装小丑，盖尔曼是文化精英。盖尔曼嫌费曼嗓门大，费曼就爱逗他。
可以说，六七十年代，这两位天才在Caltech主导了粒子物理学界。
六十年代中期，盖尔曼提出一个新想法，后来费曼也独立想到了类似的。他们开始觉得，粒子物理背后，藏着一种深刻的简洁。质子和中子这些基本粒子，也许并不那么基本。对，这些想法背后的物理，我不细讲，太精彩了，留给另一部片子。关键在于，费曼和盖尔曼都设想，质子里面有这些点状的粒子。费曼叫它们部分子，盖尔曼叫它们夸克。当时，两人当时都认为，夸克和部分子，可能只是个巧妙的数学解释，说明质子和中子怎么相互关联。但SLAC的新结果，突然暗示了更有意思的事。
也许夸克、部分子是真实存在的。据说费曼听说了SLAC的发现，一九六八年秋天跑来看看。
他来SLAC看我们，部分子理论他全都想通了。就是我们说的费曼效应。去听费曼讲课，不管他讲什么，听起来都特别清楚。太棒了，他讲得真好，你全听懂了。可讲完之后，你跟同事说费曼讲得真好，说着说着才发现，自己根本没懂。
费曼到了SLAC，他们给他看深度非弹性散射实验。他还了解到比约肯标度。他找比约肯讨论。比约肯很紧张，说得含含糊糊。他不敢说出结果到底意味着什么。费曼这人天不怕地不怕，大胆得多。他说，你们找到的，就是我的部分子。你们找到了质子内部的结构。费曼声望太高，大家都想，他说是真的，准是真的。这就是转折点。从那时起，大家才相信，质子是由更小的基本粒子组成的。在。
一九六八年九月，SLAC所长潘诺夫斯基，在维也纳的会议上，首次谨慎地公布了结果。他特别谨慎，把声明埋在一堆官腔废话里。他说，这些数据有可能，为核子内点状电荷结构的行为，提供证据。但大多数科学家还是不信。后来，尤其在理解了部分子之后，这个词的意思变成了，点状结构。
但我们非常非常小心。早期论文，还有我的论文。
完全没提点状这些字。是潘诺夫斯基吧，在那次维也纳会上，只说了一句，与点状结构相一致。那是当时最大胆的说法。也许那时候的科学家，活在另一个世界。今天谁拿到这种数据，第一天就会大喊：点状结构！我后来才明白，那时的人非常保守，说话特别小心，怕说错。
值得停下来，细说费曼和盖尔曼的想法。他们的想法是：部分子，后来通称夸克，组合起来构成所有核粒子。为此他们设想夸克有类型，也叫味：最早是上、下、奇三种。这理论也解释了质子和中子的电性。夸克必须带分数电荷。上夸克是正三分之二，下和奇是负三分之一。
质子和中子都是三个夸克组成。质子是上上下，总电荷正一。中子是上下下，总电荷为零。别的粒子有别的组合。正派介子是上夸克加反下夸克。lambda零粒子是上、下、奇。夸克虽能解释质子，但有个问题。此前物理学家认为，原子核靠所谓强核力结合在一起。它把带正电的质子和中性的中子，紧紧抱成一团。但这幅图景显得过于简单。如果质子和中子由点状夸克组成，强相互作用就必须以很奇特的方式运作。
散射的电子看来，质子里的夸克就像点粒子，能在质子内自由移动。但不同在于：像引力或电磁力，两粒子靠得越近，力就越强。可在原子核里，强相互作用反而弱得多。用夸克来看，这力其实很独特。这种力远距离时强得惊人，凑近了反而弱得惊人。很多物理学家，包括盖尔曼，都提出夸克还有另一种属性，叫做颜色。夸克的颜色，有点像电子的电荷，所以常叫色荷。别按字面理解，不是说夸克真有我们眼中的不同颜色。
色荷就是把夸克绑在一起的东西。要理解强相互作用和色荷，得先弄懂量子力学的另一个概念。带电粒子之间的力，也就是电磁力，可以看作交换一种传力粒子，就是光子。就像两个电子相互作用时会交换光子，电磁力的载体，两个夸克也会交换强力的传力粒子。
这种新强相互作用的载体，就叫胶子。夸克之间的互动，就是交换胶子。这个想法妙就妙在这里。强相互作用把不同颜色的夸克绑在一起，让质子和中子总是无色，也就是白色。
想法不错，但还是说不通。强力怎么既能把质子紧紧抓住，又让夸克在里面像自由粒子呢？
起初多数物理学家拒绝接受夸克理论，除非问题解决。一九七三年，物理学家格罗斯、维尔切克、波利策发表了解答。他们都在强相互作用及其载体胶子身上，发现了惊人的东西，对单个裸夸克到底是怎么起作用的。解释之前，先回到电磁力和电子、光子。
带负电的电子和带正电的质子，是通过电磁力相互作用。最简单的量子描述里，就是电子和质子交换一个虚光子。传递着能量和动量。量子力学还表明，这个虚光子会涨落，产生一对虚电子和正电子，然后又变回虚光子。
现在想象一个裸电子。它带电，所以周围会形成电磁场。
理论认为，这个场其实是一团不停涨落的云，虚电子和正电子不断出现又消失。但裸电子会跟周围的虚粒子相互作用。它会轻微吸引带正电的虚正电子，排斥带负电的虚电子。结果就是，电场的形态从根本上改变了。这些虚粒子屏蔽了裸电子上的电荷。靠近电子时力显得很强，但远处，虚正电子会稀释它的强度。
但格罗斯、维尔切克和波利策发现，夸克和胶子跟电子和光子不一样。跟光子一样，夸克间的相互作用可以看作交换虚胶子。这个场也会涨落，产生虚夸克和反夸克对。再想象一个裸夸克。它周围也有一团涨落云，虚夸克不断出现又消失。这也会产生一些屏蔽效应。但这里有个关键区别。要知道，光子是电中性的，但胶子本身带色荷。所以它们不仅跟夸克作用，自己之间也会作用，还会产生更多虚胶子。
所以裸夸克周围的云，其实是虚夸克和虚胶子组成的复杂团块。所以虽然虚夸克帮忙屏蔽裸夸克的色荷，虚胶子的作用恰恰相反。它们让有效色荷在远处显得更强，近处反而更弱。它没有屏蔽夸克周围的色荷，反而把它放大了。在斯莱克电子探测的距离上，夸克之间作用非常弱，看起来就像自由点状粒子。
格罗斯、维尔切克和波利策称之为渐近自由。这是量子色动力学的重大洞见之一。它终于解释了比约肯六九年的发现。
斯莱克的超高能电子探测质子，尺度小到强相互作用几乎影响不到夸克。所以它们看起来才像自由的点状粒子。
但现实是，直到七十年代中期，科学界大多数人还认为夸克只是数学工具。但线索越来越多。一九七四年，斯莱克和布鲁克海文实验室都发表了第四种夸克的证据，它叫粲夸克。我们就这么干起来了，好像是周四晚上。凌晨两点，我回家睡觉。好友兼同事莫尔豪斯打电话说：成了！
但现在还缺一个真正的铁证。别忘了，理论坚称，因为色荷，夸克永远不会单独现身。于是实验者把目光转向强相互作用的载体——胶子。保罗·索丁是汉堡德国最大加速器的资深科学家。但我记得很清楚，胶子这个词压根就没出现过，夸克这个词，也只是非常谨慎地提到。
因为担心很多人会说，他们靠夸克来论证，可夸克根本不存在，我们不会给这种研究拨经费。所以我们得小心。即使到了一九七六年，夸克和胶子也是这么被对待的。胶子不提，夸克小心。挺有意思的。回头看真不可思议，我们当时都瞎了眼。但确实如此。
这就是索丁寻找胶子用的加速器，叫佩特拉，一九七八年建成。佩特拉和斯拉克完全不一样。它不是把电子打向固定靶，而是把电子和正电子沿这条管道，在二点三公里的环上反向加速。然后它们对撞、湮灭，产生惊人的巨大能量。这样会产生正反夸克对，朝相反方向飞开。夸克不能单独出现，所以飞开时，它们之间色场的能量越来越大。
能量够大时，真空中会诞生新的正反夸克对。它们组合成不带色的粒子。红和反红合成无色介子，或者和其他夸克组成重子。不管哪种，都会喷出一束粒子。
到一九七九年，这座大楼里装了个叫塔索的探测器。不像斯拉克，塔索的先进探测器能识别产生的粒子图案。通常看到的是两股反向喷注，分别来自夸克和反夸克。但量子色动力学预言，夸克偶尔会先辐射出一个胶子，再变成无色粒子。这个胶子会自己形成一股喷注。所以有时看到的不是两股，而是三股。
这就是铁证。
很明显，必须有类似胶子的东西。叫胶子也好，叫别的也行。别的理论用不同名字称呼它，但总有什么东西能束缚住核子里的成分。我觉得这是常识。佩特拉还有另一件武器，天才科学家吴秀兰。
她在想，如果有三股喷注，怎么让它显形。比如，三股喷注会处在同一个平面上。她巧妙地写了个算法来找这个平面。他们花了几周，之后其他小组也有了类似的图像，但我们就是第一个。我想这主要归功于她的远见，我们才能抢先一步。
佩特拉超强功率加吴秀兰的新算法，十年最重大的发现即将上演。一九七九年六月，佩特拉团队看到了这个。他们本以为正负电子湮灭会产生两股喷注，一股来自夸克，一股来自反夸克。结果却出现了三股喷注。还看到了这个。除了夸克和反夸克，还产生了一个胶子，这证明胶子真实存在！量子色动力学大获全胜。
然后我记得是在一九七九年八月，芝加哥开了一场大型会议。到那时各个小组都有证据了。场面非常盛大，胶子被正式宣布发现了。那时没人再有理由怀疑了。那真是个激动人心的时代。
此后量子色动力学越来越完善。后来发现，夸克其实有六种味。上、下、奇、粲，还有顶夸克和底夸克。夸克组合成质子和中子，还有一大堆别的粒子。量子色动力学最漂亮的成就，是算出了质子质量。因为三个价夸克，两个上夸克加一个下夸克，裸质量只占测量值的百分之一。那其余的质量从哪来？
强相互作用把夸克关在极小空间里，量子力学另一特性就起作用了，不确定性原理。它说，如果粒子被限制在确定位置，动量的不确定性就会暴涨。这种大动量可以看作能量。再加上束缚夸克的胶子场能量，还有虚夸克反夸克对。
能量和质量等价，这些能量都算进了质子的质量。
二零零八年，用超级计算机详细算量子色动力学，算出质子质量和实验值惊人接近，只差百分之几。这是量子色动力学的有力验证，也让人深思。称体重时，量子色动力学告诉我们，我身体里质子中子的质量，只有一小部分来自夸克。其余的我，是能量，是夸克和胶子被困住的躁动能量。
自从上世纪七十年代中期诞生，欧洲核子中心的大型强子对撞机，一直在补齐量子色动力学的实验空白，这领域如今依然火热。欧洲核子中心、费米实验室、DESY、SLAC、布鲁克海文等，都在用最大的加速器，还在建更新更强的机器，继续探索夸克和胶子的物理。自一九六九年起，量子色动力学几乎主导了粒子物理研究。当年比约肯的巧妙数学，加上SLAC的M计划，那台巨型加速器，都证明了质子里面有更基本的东西。