隐藏在原子的内心的，是宇宙结构的秘密。

基本粒子物理学——关于物质的最终结构单元以及它们的结合规则的探索——是有关于小得不可再小的东西，宇宙学——关于星体、星系以及宇宙本身的起源和演化的研究——讨论天地万物中最大者。在这两个极端之间，其它科学可以按照它们所研究的系统的大小排成次序。科学的阶梯从粒子物理学开始，向上到核子物理学，原子物理学，化学，生物学，地质学，天文学，最后是宇宙学。那些在这阶梯的两端的科学研究者涉及五花八门的根据日常经验提出来的推测。宇宙学家和粒子物理学家看来其趣味相距之大超过任何其他科学家。

但粒子物理学和宇宙学仍有许多共同点，对于这两门科学，其基本规则尚未确立。宇宙是大爆炸的唯—产物，还是存在一个永远无限和不断自动复制的宇宙？夸克和轻子是物质的基本结构单元，抑或它们（以及光子和其它“基本粒子”）是小得不可思议的超弦的载体？

没有这样大的不确定性困扰着其它科学。化学可以说充满着令人惊奇的东西，但它的基本规则都已在本世纪初期被发现，可以肯定不会有变化了，生物学，也充满着奇昇的东西，我们仅模糊地理解其大部分——例如，人类悟性的奇迹——但是每个生物学家知道，生命基本上是一种化学现象，是由电子和原子核组成的复杂聚合物中的电磁相互作用的产物。宇宙学家和粒子物理学家是关于根本的演化最后下结论的人。

在最近几十年，特别在最近十年，这两门极端学科已经结下不解之缘。我们正在看到关于小得无法测量与大得不可思议的东西的研究统一起来了。这种结合是根据关于科学的一个基本原则——我们在地球上学到的物理学定律对于整个空间和时间都适用。我们在地球上研究原子和粒子，我们就学到了很多关于星体如何诞生、发光和死亡的知识；并且我们也开始懂得关于星系、化学元素和整个宇宙的起源。

反过来，通过观测得到的宇宙的性质给予我们大量的粒子物理知识。例如，宇宙并没有在它本身的引力作用之下坍缩这个简单的事实告诉我们，中微子，这种最丰富的粒子，必定极其轻微，如果不是完全无质量的话。在更复杂的论证中，观测到的宇宙中氦元素的丰度限制了中微子的种类数不大于四。至今，物理学家们已经看到两种中微子，并十分确信第三种存在——在三个已知的基本粒子族中每一族应有一种中微子，宇宙学家告诉我们，至多还存在一种中微子和一个粒子族，这个预见将在一年之内受到在日内瓦的西欧核子中心的大型加速器的检验。

我们懂得宇宙越多，我们就懂得粒子物理越多，反过来亦然。科学的阶梯自身闭合起来了，像一条头尾碰在一起的蛇。

如果要挑选一年作为宏观物理与微观物理开始汇合的一年，它应当是1938年。是在这一年巴特（Hana Bathe）研究出太阳能量的来源是它中心部分的原子核的聚合反应。今天我们了解这个聚合过程的详情，以及它是如何控制太阳和其它星体的演化的。这个过程是所有四种已知自然力复杂的相互作用的结果。

引力使太阳内部成为火的地狱：温度高达1500万度，压力高达每平方英寸100兆磅、高热和高压剥光了原子中的电子，于是光核（大部分是质子，因为太阳大部分是由氢元素组成的）互相碰撞。在两个质子的碰撞过程中，弱力使一个质子转化为一个中子，后者受强力作用与另一个质子结合。在几次核反应之活的净结果是两个质子和两个中子聚合成一个氦核。此过程释放出相当大的能量。电磁力，即第四种力，使能量的释放受到控制——带正电荷的质子相互排斥，实际上仅有极少数的碰撞产生聚合。多亏电磁力，太阳才未爆炸，而是平稳地燃烧了几十亿年。

自现在几十亿年后，一旦太阳用完了它的氢，它将开始聚合氦元素为更大的元素，使太阳膨胀为一颗红巨星，大得足够吞没地球和其它内行星。也许这是一个戏剧性的结果，但是太阳的命运比起其它起初大得多的恒星在爆炸中一下子死亡来说，不过是苟延残喘一而那类恒星处理“氢危机”无甚困难；它内部的温度和压力是那样高，以致能不断聚合较重的元素直至最后剩下由铁构成的核心。至此聚合作用停止了，再无热源抵抗引力，此恒星发生猛烈的向内爆炸。大约有一个太阳质量的物质落向其中心并紧缩成一个巨大的原子核：中子星。此坍缩过程释放出巨量的引力能，使向内爆炸突然变成向外爆炸。此恒星这时成为超新星，变得比整个星系还要亮 。

这种天体演化理论至今是极为成功的。然而在最近几年，在遭逢一门新的观测学科时，它不仅取得了胜利 · 也不得不受到挫折，这门新的学科就是中微子天文学，它使微观物理与宏观物理变得更为密切了。

首次挫折是由于戴维斯（Raymond Davis）的研究，他几乎在20年中一直耐心监视来自太阳的中微子。每当在太阳核心中有一个质子被转化为一个中子时，有两个其它粒子产生了：一个正电子和一个中微子。此正电子立即遇上一个自由电子并发生湮灭，因此释放出它的能量，此能量慢慢地扩散到太阳表面并作为太阳光出现。另一方面，中微子，则畅通无阻地穿过太阳。大约有10%的太阳能量是以这些神出鬼没的粒子的形式发放出来的，在每秒钟内有许多兆这种粒子无害地穿过你的身体。

在南达科他州的一个金矿的地下深埋着一个巨大的纯净液体容器，戴维斯曾经希望它在一个月中抓住大约一打太阳中微子。使人烦恼的是，他仅抓获了理论预见应抓到的中微子数量的三分之一，也许在太阳内部发生了我们所不知道的某种怪事，也可能我们的太阳模型有毛病，似乎在太阳内有一个黑洞。或者我们的粒子物理学的知识还不完善。这个“太阳中微子问题”是天文粒子物理学前沿的一大奥秘。大型中微子望远镜正在建立中，希望能解答这个问题。

最近，此天体演化理论取得了一项主要胜利。1987年2月，天文学家和其他天文观察者看到了地球上四个世纪未见到的东西：一颗最接近的超新星，它显示出多么奇异的豫像；而在所有事情中最奇异的，也是物理学家们所关心的，是从这个正在死亡中的恒星迸发出来的中微子脉冲。正如理论家们所预料的，我们所看到的超新星——超新星1987 A用肉眼可清楚看到——仅是它的活动的一小部分。大约99%的爆发能量是以中微子的形式发放出来的。

有少数几个超新星的中微子居然在地球上被探测到，是一个偶然的珍奇的发现，一个令人难以置信的事实，也是说明粒子物理学与天文物理学已经汇合到什么程度的一个完全的例证。在do年代早期，在超新星1987 A被看到之前，大型地下探测器已经布置好了，不仅是为了探测超新星，也是为了搜寻质子自发衰变，由此所有地球物质注定要毁灭的证据。物理学家们成功地统一了弱力和电磁力，在大统一除引力以外的所有自然力方面推进了，他们为此而自豪。在由格奥吉（Howard Georgi）和我所提出来的最简单的这类模型中，预见质子的平均寿命应为年。如果仔细地观测数量远大于1080个的质子，应当能找到几个质子的衰变。

不幸的是，实验至今未能看到质子衰变——这一次我的理论没有成功。但是它们确实抓获大约20个来自超新星的中微子，因此证实了天体物理学家真正懂得了超新星是怎么回事。

并且，观测也揭示了中微子的某些情况。所有来自超新星的中微子到达探测器的时间间隔还不到10秒。这就告知我们它们是以几乎同样的速度运行的，实际上是以光速运行的。由此推出被探测到的中微子——已知它们是电子型中微子——几乎是无质量的。

这个结果与另一个基本奥秘有关。人们在几个世纪中使用望远镜观测天空中一切东西，从低空气体柑灰尘的云直到星体、星系和星系团，直到大约10年之前，天文学家们才得到一个惊人的和使他们自己为难的发现：他们发现大部分宇宙物质不是上述的东西（“none of the above”）。它不是以发光星体和星团的形式出现的，也不是以气体和尘埃的形式出现，气体和尘埃由于会吸收遥远恒星的光线而暴露出自身的存在。根据所测量到的星系旋转速度，天文学家们指出星系的自旋大大快于当它们全由发光物质构成时所应有的速度。星系的80% ~ 90%的质量看来贮存在由神秘的，暗的和看不见的物质所组成的晕圈中。

这种材料是什么？中微子是一种可能，如果有一种中微子的质量是电子质量的大约千分之十的话，但是否有这种中微子还是个问题。它不可能是电子型中微子——超新星已证实电子型中微子是太轻了。我们又知道其它两种中微子，大部分宇宙学家已作出结论，中微子并不很符合要求。星系形成的计算机模拟指出，如果它是超重中微子，则我们所居住的宇宙将会很不相同，因此，这些暗物质很可能在今天所知的粒子种属之外。

这里正是粒子物理学家和宇宙学家变得真正密切之处，宇宙正在告诉我们必须有某种新粒子或新东西来构成它的质量的大部分。看来古希腊哲学家们又说对了！他们告诉我们，地上物质是由四神元素构成，而天上物质是由第五种完全元素构成。火，水，土和气已被质子，中子，电子和中微子所代替，我们现在正热衷于追踪这种宇宙的第五要素。

至于暗物质是什么，有好多名字被提出来了，它们是：轴子、光微子、磁单极子，以及弱相互作用重粒子是几种可能。我的朋友们和我有我们自己中意的候选者：带电巨大粒子（Charged massive Particles，或CHAMPS）。如果我们说对了，物质的这种新形态把自己伪装成普通化学元素的超重同位素。其中一半以氢元素出现，但它的原子要重一百万倍，而其它一半（反带电巨大粒子）模拟其它元素的同位素。因为它们太重了，当它们在星际空间与其它粒子碰撞时不会失去能量，不会比一辆大车被苍蝇碰在其挡风玻璃上所失去的能量多。因为它们不能放慢，它们不能坍缩形成恒星，并且保持暗不发光。

但是它们有可能平均有一个分子在每秒钟内打在地球上每一平方英寸的范围上。一旦带电巨大粒子在大气中形成超重水分子，会像雨水一样落在地球表面上。经过几十亿年一个分子一个分子的积累之后，这种带电巨大粒子在今天应该占地壳重量的大约十亿分之十：它们应该多于金而略少于银。

在哈佛的一个团体已经开始热切地搜寻带电巨大粒子。他们从深海沉积这种有希望的物质样本着手。他们从样本中抽出水并使之离析，因此使带电巨大粒子浓缩为细小的水滴，如果它们存在的话。他们然后去测量此水滴的密度去看它是否比人们所想象不存在带电巨大粒子的情况下为高。这是一项相当容易做的实验，但就我们所知，以前还未有人做过。作为暗物质的带电巨大粒子的概念看来是完全符合于我们的理论知识的，但是它有点儿不正常。实验也许会一无所获，理由很简单，是由于它们不存在。

但是如果它们真正存在，要大量提取它们应是很容易的事。我们就能使带电巨大粒子和反带电巨大粒子分离，然后让它们在加速器中湮灭。因为它们是那么重，我们无需将它们加速很久就能达到高能量，换句话说，带电巨大粒子能提供一种廉价的方法去研究高能物理——并且可能产生大量安全有用的能量。它们甚至可能用作为宇宙飞船的燃料，我希望能找到它们。

高能物理学，不管有无带电巨大粒子存在，仍然是很值得研究的。在过去的几十年中，它一直是我们研究比恒星还要渺远的新领域，即人类想象力的新领域的途径。物理学和宇宙学的真正令人激动之处是在这里：试图去理解导致、150亿年前大爆炸的神奇的机制，今天我们的宇宙是冷极了的——仅在绝对零度之上三度，这大约是液体氨的温度。当宇宙在几十万年的年龄时，它的热分布是均匀的——大约是焊接火焰那样的温度。就在这时原子开始形成。比这更早些，当它在诞生之后仅几分钟时，它是更热，大约100亿度左右，这对应于具有100万电子伏特能量的高逨粒子。我们之所以懂得宇宙早期的历史，仅由于我们已经研究了在加速器中以这种能量进行的核反应。

在过去几年中，在西欧核子中心和在伊利诺斯的费米实验室的大型正负质子对撞机已经开始探索能量在一兆电子伏特时的现象，这些能量对应于当宇宙诞生后仅一秒的一兆分之几时的温度。至今，实验已经证实电磁力和弱力的统一理论。另一方面，没有发生令人激动的事。现在看来，最令人激动的事，还在这之前。

52英里长的超导体超级对撞机，如果按现时的计划在得克萨斯州建成的话，可能揭示出一些事情。它将把高能物理学的新领域再次推进20倍。这将足够解答粒子物理的最令人烦恼的问题。当宇宙在最早期燃烧发光之时，我们所知的所有粒子都是无质量的，并且弱力和电磁力之间的对称是完全的。它与我们现在居住的寒冷的和混乱的宇宙很不相同。不知怎的，此对称破坏了，弱力变弱，而各种夸克和轻子以及弱玻色子需要有它们现在具有的，看起来是随机的质量。所有这些是怎么来的？超级对撞机可能提供宇宙形成之时的情景，有助于解决这个谜题。

但不管是超级对撞机，还是在它以后更先进的机器，都不能解决宇宙的起源这个最终的问题。要重现宇宙诞生之时的温度，我们需要有一个长度以光年计的加速器。然而，这并不意味着我们永远不能得知最早期的宇宙的性质了。我们具有一个肯定能胜任这项任务的工具：人脑。的确，当我们到达这成就辉煌的十年的结尾之际，我的许多同事和我深有所感，感觉我们将要达到一个具有深远意义的新的综合，即有希望完成我们的神圣职责，最大程度地理解我们生身之母的宇宙的新的综合。有一个希望我们仍然在不泯于心，即有朝一日，通过纯思想的威力（借助子实验物理学家和天文学家的帮助），我们人类将开始真正理解宇宙是如何演化过来的及其缘由，以及在人类灭绝以后很久的事情。

[Discover，1989年10月]