當(dāng)高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器用60億電子伏的質(zhì)子轟擊銅靶之后，接下來(lái)的任務(wù)就是探測(cè)并識(shí)別生成的任何反質(zhì)子。一種搜尋方案是由本文作者、歐文?張伯倫(Owen Chamberlain)和托馬斯?伊普西蘭蒂思(Thomas Ypsilantis)提出的，他們利用了3個(gè)便于確定的特性。首先，粒子的穩(wěn)定性意味著它的壽命應(yīng)該足夠長(zhǎng)，能夠穿過(guò)長(zhǎng)長(zhǎng)的儀器；其次，粒子經(jīng)過(guò)外加磁場(chǎng)時(shí)，它們的偏轉(zhuǎn)方向可以反映粒子的帶電性，因此通過(guò)這一點(diǎn)，就可以判斷出反質(zhì)子的負(fù)電性。最后，在磁場(chǎng)強(qiáng)度和粒子速度已知的情況下，反質(zhì)子的質(zhì)量可通過(guò)它的運(yùn)行軌道的彎曲度計(jì)算出來(lái)。

　　到去年10月宣布反質(zhì)子的發(fā)現(xiàn)時(shí)，上面的三位科學(xué)家已經(jīng)記錄了60件事例，平均產(chǎn)生率大約相當(dāng)于每運(yùn)行高能質(zhì)子同步穩(wěn)相加速器一小時(shí)，就能發(fā)現(xiàn)4個(gè)反質(zhì)子。這些反質(zhì)子都已通過(guò)了我們?cè)趯?shí)驗(yàn)前預(yù)先設(shè)定的所有測(cè)試。一位剛剛完成了一項(xiàng)重要且困難的介子實(shí)驗(yàn)、擁有很高聲望的同行對(duì)這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)的評(píng)價(jià)讓我們十分開心。他在檢查了我們的實(shí)驗(yàn)之后說(shuō)：“我希望自己的μ介子實(shí)驗(yàn)也能夠像這個(gè)實(shí)驗(yàn)一樣令人信服。”至此，那些一直打賭反質(zhì)子存在的人開始得到回報(bào)了，我們知道的最大賭注是500美元(我們自己倒沒有參與)。

　　八、希格斯玻色子存在嗎？

　　撰文 馬蒂納斯•J•G•韋特曼(Martinus J. G. Veltman)

　　1999年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，本文刊登于1986年11月《科學(xué)美國(guó)人》

　　希格斯玻色子是以英國(guó)愛丁堡大學(xué)的彼得?W?希格斯(Peter W. Higgs)的名字命名，這種粒子是標(biāo)準(zhǔn)模型中最重要的缺失部分。標(biāo)準(zhǔn)模型是描述物質(zhì)基本構(gòu)成，以及各成分間基本相互作用力的主流理論。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型，所有物質(zhì)都是由夸克和輕子構(gòu)成，它們彼此之間通過(guò)4種力相互作用：引力、電磁力、弱力和強(qiáng)力。舉例來(lái)說(shuō)，強(qiáng)力將夸克束縛在一起形成質(zhì)子和中子，構(gòu)成原子核；電磁力將原子核和電子(輕子的一種)“綁”在一起，形成原子，剩余的電磁力再將原子組合成分子；弱力在某些原子核衰變中起作用。弱力和強(qiáng)力僅在很短的、不超過(guò)原子核半徑的范圍內(nèi)起作用；引力和電磁力的作用范圍無(wú)窮大，所以它們最為人們所熟知。

　　盡管對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型知根知底，我們?nèi)杂欣碛扇蝿?wù)它還不完備，這時(shí)就輪到希格斯玻色子出場(chǎng)了。具體來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)模型需要希格斯玻色子賦予自己在數(shù)學(xué)上的完整性，使它的適用能量范圍雖然超越了現(xiàn)有粒子加速器的能力，但很快可由未來(lái)加速器實(shí)現(xiàn)。除此之外，希格斯玻色子被認(rèn)為是所有基本粒子的質(zhì)量之源——從某種意義上說(shuō)，粒子通過(guò)“吞食”希格斯玻色子來(lái)獲得質(zhì)量。

　　希格斯玻色子的一大缺陷是，科學(xué)家到目前為止還未發(fā)現(xiàn)過(guò)它存在的證據(jù)(歐洲核子中心于2012年7月4日宣布，他們發(fā)現(xiàn)了一種符合希格斯粒子屬性的粒子，并且有極高的可信度)。相反，有很多間接證據(jù)已經(jīng)暗示，這種神秘粒子其實(shí)并不存在。的確，近代理論物理學(xué)在不斷向真空中添加希格斯玻色子之類的、五花八門的新玩意兒，讓人們覺得在晴朗的夜空中還能看到星星是多么不可思議！雖然，未來(lái)的加速器或許能找到希格斯玻色子存在的證據(jù)，并且證明假設(shè)存在的原因是正確的，但我仍堅(jiān)信事情并不是那么簡(jiǎn)單。我必須指出，這不意味著整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型都是錯(cuò)誤的。相反，標(biāo)準(zhǔn)模型很可能只是對(duì)真實(shí)世界的一個(gè)近似反映——盡管已經(jīng)很接近真實(shí)世界。

　　通過(guò)在高能物理實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的散射實(shí)驗(yàn)，人們可以研究基本粒子間的相互作用。例如，一束電子能被質(zhì)子散射。通過(guò)分析入射粒子的散射模式，就能獲得關(guān)于相互作用力的信息。

　　電弱理論成功預(yù)言了電子與質(zhì)子相互作用的散射模式，也同樣成功預(yù)言了電子同光子、W玻色子(傳遞弱場(chǎng)的粒子)和中微子的相互作用。然而，該理論在試圖預(yù)言W玻色子彼此之間的相互作用時(shí)遇到了困難。特別是從該理論出發(fā)可以得出，在足夠高的能量下，一個(gè)W玻色子被另一個(gè)W玻色子散射的幾率大于1。這樣的結(jié)果顯然有悖常理，相當(dāng)于說(shuō)即使一個(gè)人向靶子的相反方向扔飛鏢，仍能正中靶心一樣。

　　就在這時(shí)，“救星”希格斯玻色子出現(xiàn)了。希格斯玻色子同W玻色子以某種方式耦合，能讓散射幾率回落到允許的范圍：0到1之間的一個(gè)固定值。換句話說(shuō)，將希格斯玻色子引入電弱理論后，“消除”了不合理的結(jié)論。

　　了解了希格斯玻色子是讓電弱理論重新變得正常的關(guān)鍵之后，就很容易理解應(yīng)該如何搜尋這種難以捉摸的粒子了：W玻色子必須要以極高的能量(等于或大于一萬(wàn)億電子伏)相互散射。這一能量能在規(guī)劃中的“超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)”上達(dá)到，它可以實(shí)現(xiàn)20TeV能量的對(duì)撞。美國(guó)正在考慮建造它。如果粒子的散射模式與重整后的電弱理論相符，那么必定存在一個(gè)抵消力，而希格斯玻色子就是一個(gè)最明顯的候選者。如果模式與預(yù)言不符，那么W玻色子之間就很可能是強(qiáng)力相互作用，這將開辟一個(gè)全新的研究領(lǐng)域。
　　九、技術(shù)應(yīng)用
　　光學(xué)激光器引領(lǐng)信息革命
　　撰文 亞瑟•L•肖洛(Arthur L. Schawlow)
　　1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，本文刊登于1961年6月《科學(xué)美國(guó)人》
　　至少半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，通信工程師都?jí)粝霌碛幸环N設(shè)備，能像產(chǎn)生無(wú)線電波那樣高效、精確地產(chǎn)生光波。一個(gè)普通白熾燈泡輻射出的電磁波的純度，同無(wú)線電波發(fā)生器產(chǎn)生的電磁波相比，簡(jiǎn)直有天壤之別。電磁振蕩器產(chǎn)生的無(wú)線電波的波長(zhǎng)，限制在很窄的電磁波波段，“噪音”很低，可以用作信號(hào)載波。相反，所有傳統(tǒng)光源基本上就是“噪音”源，除非以最粗略、原始的方式用作信號(hào)，這類光源幾乎不適合做任何事。然而就在去年，隨著光學(xué)激光器的出現(xiàn)，精確控制光波的產(chǎn)生成為可能。
　　雖然光學(xué)激光器只是剛剛出現(xiàn)，但它們已經(jīng)產(chǎn)生了極高強(qiáng)度且高度定向的光束。與來(lái)自其他光源的光束相比，這種光束的單色性要好得多。
　　光學(xué)激光器是全新的光源，需要一些想象力才能預(yù)測(cè)它的潛在應(yīng)用。當(dāng)然，信息傳遞是最顯而易見的應(yīng)用，這個(gè)方向的應(yīng)用獲得的關(guān)注也最多。雖然自古代以來(lái)，人類都在使用光線來(lái)傳遞信號(hào)，但由于自然光源的強(qiáng)度很弱，“噪音”很大，使它的應(yīng)用受到了限制。我們可以把普通光束看做一種純凈的、均勻的載波，只是光源里的那些一個(gè)個(gè)原子會(huì)隨機(jī)發(fā)出光脈沖，變成“噪音”。但光學(xué)激光器能夠提供幾乎理想的均勻波，除了人工加入的信號(hào)外，沒有任何噪音。
　　如果能找到合適的調(diào)制方法，相干光波(頻率、振動(dòng)方向和相位差都相同的兩列波)應(yīng)該能夠攜帶海量信息。因?yàn)楣獾念l率很高，即使在可見光范圍內(nèi)一個(gè)很窄的波段里，一秒鐘也會(huì)包含數(shù)量巨大的振蕩周期。光波能傳遞的信息量與每秒的周期數(shù)成 正比，因此也同波段寬度成比例。在傳播電視信號(hào)時(shí)，載波帶有的信號(hào)具有400萬(wàn)個(gè)周期的有效頻寬。一個(gè)光學(xué)微波激射束完全能夠攜帶一個(gè)頻率(或者說(shuō)頻寬)為1000億個(gè)周期的信號(hào)。當(dāng)然，前提是能找到生成這種信號(hào)的途徑。具有這一頻率的信號(hào)能夠攜帶的信息量，相當(dāng)于現(xiàn)在所有無(wú)線電通信頻道的總和。必須承認(rèn)，沒有光束能夠很好的穿透霧、雨或雪，因此想要在實(shí)際的通信系統(tǒng)中應(yīng)用，光束必須被封閉在管道里。
　　十、攔截導(dǎo)彈
　　撰文 漢斯•A•貝蒂(Hans A. Bethe)，理查德•L•加溫(Richard L. Garwin)，庫(kù)爾特•戈特弗里德(Kurt Gottfried)，亨利•W•肯德爾(Henry W. Kendall)
　　1967年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主(貝蒂)，1990年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主(肯德爾)
　　本文刊登于1984年10月《科學(xué)美國(guó)人》
　　去年，美國(guó)總統(tǒng)羅納德?里根在電視演講里，號(hào)召全美科學(xué)界“給予我們新技術(shù)，放棄這些老舊無(wú)用的核武器”，表達(dá)了對(duì)技術(shù)革命的渴望，希望新技術(shù)的出現(xiàn)，能讓美國(guó)有能力“在戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈落到我們或者盟國(guó)的土地上之前，對(duì)導(dǎo)彈實(shí)施攔截。”
　　有能夠消除核滅絕威脅的彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)嗎？
　　我們對(duì)彈道導(dǎo)彈防御系統(tǒng)前景的分析，將集中在助推階段的攔截上。
　　助推階段的攔截需要許多非武器的設(shè)備原件。我們通過(guò)探測(cè)助推器噴出的火焰，提供早期的攻擊預(yù)警。在確定來(lái)襲導(dǎo)彈的數(shù)量、運(yùn)行軌跡及其型號(hào)(有可能的話)之后，鎖定它們，然后就準(zhǔn)備、瞄準(zhǔn)并發(fā)射攔截武器，并且評(píng)定此次攔截是否成功，接著發(fā)射下一輪攔截武器(如果時(shí)間允許)。
　　為了摧毀助推器，我們必須在看到導(dǎo)彈之前，就開始進(jìn)行攔截(如果等到發(fā)現(xiàn)它之后再攔截，就來(lái)不及了)。所以，防御系統(tǒng)必須從數(shù)千千米高的太空中開始助推器階段的攔截。為此，目前有兩種“定向能”武器(高度精準(zhǔn)的武器)正在研發(fā)中：一種是利用激光束，它的速度是光速(300000千米/秒)；另一種是粒子束，速度也差不多和光速一樣快。目前，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)出了一種能夠追蹤助推器紅外信號(hào)的防爆彈。
　　此外，其它攔截方案，包括化學(xué)激光武器、中性粒子束武器和自動(dòng)追蹤武器，都必須要安置在地球低軌道上。
　　目前，最亮的一種激光是，由氟化氫化學(xué)激光器產(chǎn)生的紅外激光束。美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃，于1987年底之前展示一部?jī)砂偃f(wàn)瓦特功率的這種激光器。假設(shè)人們目前已經(jīng)擁有2500萬(wàn)瓦特功率的氟化氫激光器，以及性能完美的10米直徑反光鏡。這就相當(dāng)于得到了一種具備3000千米“殺傷半徑”的武器。如果每一部激光器都能發(fā)揮其最大功效，那么，300部位于低軌道上的這種激光器，就能夠摧毀1400枚洲際彈道導(dǎo)彈的助推器。
　　粒子束武器發(fā)射的高能帶電粒子束，能夠鉆進(jìn)導(dǎo)彈彈體深處，擾亂其導(dǎo)航系統(tǒng)中的半導(dǎo)體元件。然而，這些帶電粒子束會(huì)受到地球磁場(chǎng)的影響，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲。也就無(wú)法精確瞄準(zhǔn)遠(yuǎn)距離目標(biāo)。因此，人們需要制造出中性粒子束。此外，攻擊導(dǎo)彈可以使用具有極強(qiáng)抗輻射能力的砷化鎵半導(dǎo)體(它的抗輻射能力比硅半導(dǎo)體強(qiáng)1000倍)，以保護(hù)導(dǎo)彈的導(dǎo)航計(jì)算機(jī)免受損傷。
　　十一、對(duì)時(shí)間的精確測(cè)量
　　撰文 韋恩•M•板野(Wayne M. Itano)，諾曼•F•拉姆齊(Norman F. Ramsey)
　　拉姆齊是1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，本文刊登于1993年7月《科學(xué)美國(guó)人》
　　隨著捕捉、冷卻原子和離子的新技術(shù)出現(xiàn)，我們完全能夠讓時(shí)鐘比現(xiàn)有的水平精確1 000倍。
　　最有希望的一種方案是利用被捕捉的帶電離子的共振頻率。被捕捉的離子能夠懸浮在真空中，所以它們幾乎完全不受外界干擾，也不會(huì)同其他離子或者器壁發(fā)生碰撞。
　　捕捉帶電離子兩種“陷阱”。“潘寧阱”利用非均勻靜電場(chǎng)和均勻靜磁場(chǎng)的組合束縛住離子；在射頻阱(通常稱為“保羅阱”)則用振蕩的非均勻電場(chǎng)束縛離子。惠普公司、噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，以及其他地方的研究人員研制出了使用保羅阱的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)裝置。被捕捉的“獵物”是汞199離子，其最大Q值(Q代表粒子的穩(wěn)定性，Q值越高，穩(wěn)定性越好)標(biāo)準(zhǔn)超過(guò)了1012。這一數(shù)值比當(dāng)前銫束原子鐘的Q值高10000倍。
　　中性原子捕捉和冷卻比捕捉離子更困難，在過(guò)去幾年里，它的技術(shù)取得了很大進(jìn)展。其中的激光冷卻技術(shù)使用的是沿三條互相垂直的路徑上傳播的三對(duì)相向激光束，特別有效，可以使任何運(yùn)動(dòng)方向的原子慢下來(lái)。研究人員受此啟發(fā)，設(shè)計(jì)出了“光學(xué)粘膠(optical molasses)”。與離子阱相比，中性原子阱能夠儲(chǔ)存的原子密度更高。這是由于離子帶電，會(huì)因相互排斥作用而保持距離。在其他參數(shù)相同的情況下，原子越多信噪比越高。
　　使用中性原子作為頻率標(biāo)準(zhǔn)的主要障礙是，原子在阱里的共振會(huì)受激光場(chǎng)的強(qiáng)烈影響。現(xiàn)在，一種被稱作“原子噴泉”的器件克服了這一難題。在一些樣品原子被阱捕捉并冷卻后，它們被向上推，進(jìn)入沒有激光的區(qū)域；然后，原子會(huì)由于引力的作用再落回來(lái)。在向上、向下的運(yùn)動(dòng)路徑上，原子都會(huì)經(jīng)過(guò)振蕩的場(chǎng)。通過(guò)這種方式，共振轉(zhuǎn)換被激發(fā)，就像位于不同振蕩場(chǎng)束的器件一樣。
　　阱里的激光冷卻離子是目前研究的熱點(diǎn)，它是一種光學(xué)共振，頻率高達(dá)數(shù)千吉赫茲(吉：十億)。因?yàn)樗黁值很高，這種標(biāo)準(zhǔn)為精確時(shí)鐘提供了很有前景的基礎(chǔ)。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)研究所的研究人員，在單激光冷卻被捕捉離子的紫外頻段共振振蕩上，觀測(cè)到了高達(dá)1013的Q值。這個(gè)數(shù)值是迄今為止，光學(xué)或微波原子振蕩中發(fā)現(xiàn)的最高Q值。
　　對(duì)時(shí)鐘準(zhǔn)確度的期望越高，越能促使我們優(yōu)化當(dāng)前的技術(shù)。這將打開通往新功能的一扇門。也許只有時(shí)間能告訴我們這些新功能是什么。
　　十二、碳元素的奇妙王國(guó)
　　撰文 安德烈•K•海姆(Andre K. Geim) 菲利普?金(Philip Kim)
　　海姆是2010年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主，本文刊登于2008年4月《科學(xué)美國(guó)人》
　　每當(dāng)用鉛筆在紙上畫上一道，紙面上留下的痕跡里面就包含些許當(dāng)下物理學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域最熱門的新材料：石墨烯。石墨，即鉛筆里的芯，是純碳的一種形式。它由平的、一層層堆砌起來(lái)的碳原子構(gòu)成，石墨烯是對(duì)其中一層原子的稱呼。它由不斷重復(fù)的六角形網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的碳原子構(gòu)成，厚度僅為一個(gè)原子。它不僅是所有材料中最薄的，還十分牢固堅(jiān)硬。此外，它在純態(tài)、室溫下傳導(dǎo)電子的速度比任何其他物質(zhì)都要快。目前，世界各地實(shí)驗(yàn)室的工程師們都在研究這種物質(zhì)，以確定它是否能被用來(lái)制造智能顯示器、超高速晶體管以及“量子點(diǎn)”計(jì)算機(jī)。
　　另外，石墨烯在原子尺度上的奇異特性，還可以幫助物理學(xué)家們深入研究那些必須用相對(duì)論量子物理描述的現(xiàn)象。在這以前，對(duì)此類現(xiàn)象進(jìn)行研究，一直都是那些使用著價(jià)值數(shù)百萬(wàn)美元的望遠(yuǎn)鏡或粒子加速器的天文物理學(xué)家和高能粒子物理學(xué)家們的“專利”。石墨烯的出現(xiàn)，使實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們用實(shí)驗(yàn)室里的小型儀器就能測(cè)試那些相對(duì)論量子力學(xué)預(yù)言了。
　　石墨烯的這兩個(gè)特點(diǎn)使其成為一種獨(dú)特的材料。首先，雖然它是以相對(duì)原始的方法被生產(chǎn)出來(lái)的，但石墨烯的結(jié)構(gòu)卻非常完美。這是由于其含有的高純碳，以及碳原子排列成的晶格高度有序性的共同結(jié)果。至今，研究人員還未發(fā)現(xiàn)石墨烯里面有一個(gè)原子缺陷——比如，晶格某些原子位上存在空缺，或者哪個(gè)原子的位置不對(duì)。這種完美的晶體結(jié)構(gòu)秩序似乎來(lái)自于雖牢固卻可高度曲彎的碳原子間的化學(xué)鍵，進(jìn)而讓它成為一種比鉆石還堅(jiān)硬，同時(shí)在施加外力時(shí)又可以平面彎曲的物質(zhì)。它的高質(zhì)量晶格還賦予了石墨烯極高的導(dǎo)電性。它里面的電子能夠自由運(yùn)動(dòng)，不用擔(dān)心會(huì)被晶格缺陷和外來(lái)原子散射出去。
　　石墨烯的第二個(gè)獨(dú)有特性是，它的導(dǎo)電電子運(yùn)動(dòng)速度比那些穿過(guò)普通金屬和半導(dǎo)體里的電子要快得多，仿佛質(zhì)量比它們輕許多。實(shí)際上，石墨烯里的電子(或“電荷載體”)是一種奇妙的東西，屬于由類似相對(duì)論量子力學(xué)等理論規(guī)則支配的神奇世界。石墨烯固體里的這種相互作用是獨(dú)一無(wú)二的。由于石墨烯的出現(xiàn)，相對(duì)論量子力學(xué)不再局限于宇宙學(xué)或高能物理學(xué)中，終于走進(jìn)了普通實(shí)驗(yàn)室。
　　有一個(gè)研究方向特別值得提出，那就是基于石墨烯的電子器件研發(fā)。我們前面已經(jīng)提到，石墨烯里的電荷載體運(yùn)動(dòng)速度很快，而且?guī)缀醪粫?huì)同自身晶格里的原子碰撞、損失能量。這一特性可用來(lái)制造彈道晶體管，這是一種比現(xiàn)有晶體管響應(yīng)速度快得多的超高頻器件。
　　更誘人的是，石墨烯能幫助微電子工業(yè)延長(zhǎng)摩爾定律的適用期。即使在納米尺度上，石墨烯仍然具有出眾的穩(wěn)定性和電子導(dǎo)電性，我們可以用它制造尺度小于10納米，甚至小到一個(gè)苯環(huán)尺度的單獨(dú)晶體管。在不遠(yuǎn)的未來(lái)，我們或許可以在一片石墨烯上刻制出整個(gè)集成電路。
　　無(wú)論這個(gè)只有一個(gè)原子厚的奇妙物質(zhì)未來(lái)前景如何，至少它在以后數(shù)十年必將仍是研究的熱點(diǎn)。工程師們將繼續(xù)努力把創(chuàng)新型的石墨烯副產(chǎn)品推向市場(chǎng)，物理學(xué)家們也將繼續(xù)測(cè)試它奇異的量子特性。但是，最令人震驚的也許是，如此神奇的東西，竟然在普通鉛筆里隱藏了幾個(gè)世紀(jì)。