近年來，科學(xué)家已經(jīng)展開了對粒子物理、天體物理和宇宙學(xué)交叉領(lǐng)域的探索，所有這些努力都在逐步模糊粒子物理學(xué)或天體粒子物理學(xué)的界線。

向規(guī)模要效益

在阿根廷西部安第斯山脈附近，一個蔓延數(shù)百千米的大草原被灌木和草場所覆蓋，它或許是喂養(yǎng)牛羊的最佳地方，或許是拍攝西部電影的理想寶地，又或許是在一個風清月明的夜晚凝視滿天繁星、暢想宇宙奧妙之地。然而．1980年諾貝爾物理學(xué)獎獲得者、美國芝加哥大學(xué)的粒子物理學(xué)家詹姆斯·克羅寧，為了捕獲來自深空的粒子(這些粒子攜帶了比地球粒子加速器大幾百萬倍的能量)卻選擇了這里．以圖解決天體物理學(xué)中一個長期懸而未決的問題。

克羅寧及其同事在草場上鋪設(shè)了1600個探測器(探測器之間相距1.5千米)，當宇宙射線沖入大氣時，這些探測器便可以探測由此產(chǎn)生的雪崩粒子。如果像預(yù)計的那樣，幾年后他們就將發(fā)現(xiàn)宇宙射線的源頭?！澳壳斑€無法做到這一點。如果能做到的話那將是一個巨大的突破?！?，克羅寧說。他因發(fā)現(xiàn)在物質(zhì)和反物質(zhì)之間的細微不對稱性而分享了1980年的諾貝爾物理學(xué)獎，也就是眾所周知的CP破缺。忠實于物理學(xué)家所受的訓(xùn)練，克羅寧信奉一個簡單的信條：“向規(guī)模要效益?！?/p>

粒子天體物理學(xué)的進步不僅完善了粒子物理學(xué)，而且也改變了天體物理學(xué)和天文學(xué)。粒子物理學(xué)家已經(jīng)習(xí)慣了在對撞機前從事大量的實驗，他們把許多技術(shù)和實驗方法引入了這個領(lǐng)域，從而使得該領(lǐng)域的實驗無論在尺度上還是復(fù)雜度上都取得了長足的進步?！澳阏跒檫@個領(lǐng)域(天文學(xué)和天體物理學(xué))引入所需的新文化和新方法?！泵绹ゼ痈绱髮W(xué)粒子物理學(xué)家布魯斯·溫斯坦說，目前他從事大爆炸的余輝(宇宙微波背景輻射)的相關(guān)研究。

然而，粒子天體物理學(xué)能否持續(xù)繁榮則依賴于計劃中的實驗是否能得出有希望的發(fā)現(xiàn)。事實上，一些人指出，這個領(lǐng)域的未來可能部分依賴于大型強子對撞機的新發(fā)現(xiàn)。

宇宙之關(guān)聯(lián)

就天體物理學(xué)而言．在某種程度上粒子物理學(xué)正在重返過去。1932年。物理學(xué)家通過宇宙射線首次發(fā)現(xiàn)了反物質(zhì)——反電子，或稱為“正電子”。幾年之后，他們發(fā)現(xiàn)了超出組成我們?nèi)粘Ｉ钗镔|(zhì)的第一種粒子——d介子(粒子天體物理學(xué)從空間上已經(jīng)超出了粒子的研究范疇)，把粒子物理學(xué)的研究領(lǐng)域變成了宇宙學(xué)和天文學(xué)的領(lǐng)域。在這個領(lǐng)域中，盡管粒子物理學(xué)家有時看不到任何粒子，但他們卻正在追逐宇宙中最神奇的畫卷。

大多數(shù)物理學(xué)家認為．這一領(lǐng)域的發(fā)展可以追溯到20世紀七八十年代的宇宙學(xué)和粒子物理學(xué)概念的連接。如理論物理學(xué)家們意識到了宇宙中氦的豐度給中微子種類設(shè)定了限制(現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)有3種中微子)；而當觸及大爆炸理論時，一些物理學(xué)家則注意到CP破缺大概解釋了為什么宇宙包含了如此多的正物質(zhì)和如此少的反物質(zhì)。

如此的聯(lián)系使得粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)變得無法區(qū)分，以至于歐洲核子中心的理論物理學(xué)家喬納森·埃利斯發(fā)現(xiàn)，很難區(qū)分什么時候他寫的是有關(guān)粒子物理方面的文章，什么時候又是有關(guān)宇宙學(xué)的文章。而受到近些年重大發(fā)現(xiàn)的影響，很多原先從事實驗的科學(xué)家已經(jīng)加入到了粒子天體物理學(xué)的行列中。

另一個領(lǐng)域是通過研究遠距離恒星爆發(fā)來追溯宇宙膨脹的歷史。1998年，兩個小組分別獨立地報告了最遠的超新星要比所預(yù)計的還遙遠，從而顯示了宇宙的膨脹是加速的。這一驚人的發(fā)現(xiàn)表明了某種神奇的“暗能量”充滿了整個宇宙空間。2003年，根據(jù)NASA的威爾金森探測器的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家支持了上述革命性的觀點——通過分析宇宙微波背景輻射的微小溫度變化，發(fā)現(xiàn)宇宙中有7％的暗能量、24％的暗物質(zhì)和僅僅5％的普通物質(zhì)。

伯克利國家實驗室的粒子物理學(xué)家納塔利·羅說，暗能量和暗物質(zhì)的概念已經(jīng)點燃了科學(xué)家想象的火種，“既然已經(jīng)意識到夸克僅占宇宙的5％，我想他們很自然地要問余下的95％是什么。所以對于粒子物理學(xué)家而言，暗能量和暗物質(zhì)是進一步探尋的目標”。

開始行動

當科學(xué)家解釋“轉(zhuǎn)行”到粒子天體物理學(xué)時，絕大多數(shù)人表示，他們是被這一領(lǐng)域的誘人前景所驅(qū)使?！霸跇藴誓Ｐ捅蛔罱K敲定和論證以前，粒子物理學(xué)領(lǐng)域是最令人興奮的?！泵绹碚撐锢韺W(xué)家史蒂文·溫伯格說。其1979年因在標準模型上的貢獻而獲得了諾貝爾獎，目前正在從事宇宙學(xué)的研究?！霸谟钪鎸W(xué)里，許多問題更加開放。”

納塔利曾花費10年時間研究夸克的性質(zhì)。她認為，當研究者不知道從實驗中能期望得到什么的時候，就需要拓展新的領(lǐng)域了。還有其他科學(xué)家表示，他們轉(zhuǎn)向粒子天體物理學(xué)是為了尋求一個更加適宜的工作環(huán)境。華盛頓天主教大學(xué)的粒子物理學(xué)家丹尼爾·阿克里波說，他之所以離開了對撞機研究，是想在新的領(lǐng)域中有更多親身實踐的機會?，F(xiàn)在他加入了低溫暗物質(zhì)搜尋計劃的研究中。

美國的大衛(wèi)·西納博曾在費米國家加速器實驗室工作，但2005年美國能源部突然終止了這個項目，使他面臨著進退兩難的境地。西納博本可以參加LHC的研究，然而他卻加入了斯隆數(shù)字巡天這一全新的天文學(xué)嘗試(使用2.5米光學(xué)望遠鏡繪制1／4天區(qū)中的所有天體)。西納博現(xiàn)在正從事超新星和暗能量的研究?！昂孟裼只氐搅舜髮W(xué)時代，就像剛進入大學(xué)的學(xué)生一樣無知?！北M管如此，他還是為他的決定感到高興。

而少數(shù)幾個科學(xué)家表示，他們從事粒子天體物理學(xué)的研究純粹是為了好奇。“對我而言，這是一個不花錢就能去南極探險的機會?！泵绹拇笮l(wèi)·貝森開玩笑說，他目前正在南極從事中微子探測器原型機的研究。在南極麥克默多考察站的電話采訪中貝森說，探測宇宙中粒子撞擊冰面所產(chǎn)生的射電信號是一件浪漫的事情，“這就像把你帶回到了5歲大的時候，充滿了好奇，但是在我成長的新澤西州是無法做到這一點的”。重組設(shè)備

隨著對粒子天體物理學(xué)研究的深入，經(jīng)費也注入到了相關(guān)的研究領(lǐng)域。如2000年美國國家自然科學(xué)基金會設(shè)立了一個粒子和天體物理學(xué)項目，現(xiàn)在每年有1600萬美元的預(yù)算。從1994年至今，英國在為粒子物理和天文研究委員會正常撥款的同時，還另外為粒子物理學(xué)、粒子天體物理學(xué)和天文學(xué)提供了經(jīng)費。然而，正如粒子天體物理學(xué)的發(fā)展擴充了粒子物理學(xué)的研究范圍一樣，也由此改變了天文學(xué)和天體物理學(xué)。

顯然，粒子物理學(xué)家還帶來了通往新的探尋之路所必需的技術(shù)。如NASA發(fā)射的γ射線大視角空間望遠鏡，給天文學(xué)家打開了一扇能窺視宇宙甚高能量光子的窗口。或許更為重要的是，粒子物理學(xué)家對把技術(shù)、管理和資金推向極限的大項目喜愛有加?！八麄兪悄切┝?xí)慣于對大事毫不懼怕的人?！痹?003年10月～2006年4月間任美國國家自然科學(xué)基金會數(shù)學(xué)和物理學(xué)理事會副主任的芝加哥大學(xué)宇宙學(xué)家邁克爾·特納說。隨著粒子物理學(xué)家進入了天體物理學(xué)和宇宙學(xué)的領(lǐng)域，他們“向規(guī)模要效益”的風格正在加速項目規(guī)模的增長。

然而當粒子天體物理學(xué)發(fā)展之時，一些研究者對未來憂心忡忡。NASA的粒子物理學(xué)家、GLAST項目科學(xué)家史蒂文·里茨擔心，粒子天體物理學(xué)的興起會沖擊地面加速器計劃?！坝袝r候，一些項目所傳達的意思是沒必要建造地面加速器，因為這在太空中就能做到，但是這并不正確。”受此影響，有些對撞機項目被喊停了，尤其是在美國。

最糟糕的是，粒子天體物理學(xué)的未來依賴于目前計劃中的實驗發(fā)現(xiàn)。斯坦福大學(xué)理論天體物理學(xué)家羅杰·布蘭德福認為，首要的大型實驗將來自于對暗物質(zhì)的探測?！拔覀冾A(yù)先設(shè)想了暗物質(zhì)是由超對稱粒子組成的，但是我們可能完全錯了?！比绻僭O(shè)是正確的，發(fā)現(xiàn)了超對稱粒子，粒子天體物理學(xué)的研究前景將日漸光明，反之，則會暗淡無光。

而目前，從事粒子天體物理學(xué)的科學(xué)家正為置身于如此年輕、充滿活力的領(lǐng)域而樂此不疲，其間充滿了重大發(fā)現(xiàn)的期望。