本月初,爭議不斷的大型強(qiáng)子對撞機(jī)再次啟動,用能量更高的鉛離子進(jìn)行碰撞。它是否會找到神秘的希格斯粒子,為游離于“標(biāo)準(zhǔn)模型”之外的引力正名,還是制造出黑洞毀滅地球?應(yīng)瑞士國家形象委員會邀請,本刊記者來到歐洲核子研究中心,一睹其真容。
　　
　　我們的車停在瑞法邊境,遠(yuǎn)處的汝拉山頂云霧氤氳,近處的牧場里牛群悠閑地吃草,深秋的午后的陽光撒在紅黃交錯的闊葉林上,如同一張凝固的明信片。
　　此刻,這幅寧靜的場景下面,CERN(歐洲核子研究中心)的大型強(qiáng)子對撞機(jī)(Large Hadron Collider,LHC)正在地下100米深處一條長約27千米的環(huán)形隧道內(nèi)發(fā)射出兩束粒子流。想到這些微粒正在接近光速運(yùn)動,“相對論”這個詞就不由得蹦上我的腦海。
　　和你一樣,我少年時也看過《奧秘》和《十萬個為什么》,對于宇宙如何產(chǎn)生,宇宙之前是什么,宇宙之外又是什么,既著迷又困惑。好在,現(xiàn)代物理學(xué)不斷地嘗試解答宇宙起源這個最基本的疑問,尋找大爆炸理論(big bang)的更多證據(jù)并對其補(bǔ)充。CERN,正被學(xué)界認(rèn)為是解讀宇宙奧秘的重要一站。我?guī)е鵁o數(shù)問題來到這里,將目睹物理學(xué)家如何向大眾解釋萬物之源。
　　
　　如果不是上帝,到底是誰創(chuàng)造人類
　　來CERN之前,我知道那是個花錢如流水的地方,全歐洲最不環(huán)保的地方(耗電大戶),也是聚集最多高能物理學(xué)家的地方。傳說CERN養(yǎng)活了地球上一半的粒子物理學(xué)家,而他們主要的工作就是想方設(shè)法把粒子剁碎,找到組成你我及世間萬物的最小成分,這聽上去不太浪漫。
　　當(dāng)我們坐進(jìn)CERN的會議室,物理學(xué)教授沃思(Rüdiger Voss)說,CERN的第一使命就是探索大爆炸的秘密,以及宇宙最初所有物質(zhì)的狀態(tài)。
　　且慢,你怎么知道宇宙必然是大爆炸產(chǎn)生的,而不是上帝創(chuàng)造的?
　　好吧,看看兩個著名的證據(jù)。其一是紅移現(xiàn)象。我們都知道,當(dāng)一列火車向你迎面開來時,汽笛聲升高(聲波的波長變短),當(dāng)它離你遠(yuǎn)去時,音調(diào)就不斷降低(聲波的波長變長),這就是多普勒效應(yīng)。與聲波一樣,光同樣有多普勒效應(yīng),當(dāng)一個星系離我們遠(yuǎn)去時,譜線波長越長,也就越接近紅色。
　　20世紀(jì)20年代,當(dāng)天文學(xué)家開始觀察遙遠(yuǎn)恒星的光譜時,異常情況發(fā)生了:它們所缺失的顏色和銀河系的恒星情況相同――它們看起來都越來越紅。“對此,唯一合理的解釋就是星系都在遠(yuǎn)離我們�！庇�國物理學(xué)家霍金(Stephen Hawking)在其著作《萬物至理》(the Theory of Everything)中稱。1929年,天文學(xué)家哈勃提出了著名的哈勃定律:一個星系的退行速度與其距離成正比�！斑@些星系不是以實(shí)際的速度遠(yuǎn)離我們而去,取代的是在其間的空間延展,即現(xiàn)在宇宙在不斷膨脹中�！�
　　另一個支持大爆炸理論的證據(jù)在1964年被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時,彭齊亞斯、威爾遜兩位貝爾實(shí)驗室的工程師用一臺接受衛(wèi)星信號的微波探測器對準(zhǔn)天空,接收到一種奇怪的噪音。無論探測器指向哪里,無論早晚春秋,多余的噪音始終不變,所以它必然來自太陽系外甚至銀河系外,不因地球位置而改變。后來科學(xué)家推算出這種噪音所對應(yīng)的是溫度為零下270攝氏度的黑體輻射出的電磁波(即大爆炸后的余波,理論物理學(xué)家早已預(yù)言過)。該發(fā)現(xiàn)讓兩人在1978年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
　　數(shù)十年來,根據(jù)嚴(yán)格的觀測和物理推理,大爆炸理論已經(jīng)被絕大多數(shù)宇宙學(xué)家和天文物理學(xué)家所接受:宇宙始于137億年前發(fā)生的大爆炸。在隨后不到1秒的時間里,宇宙是一團(tuán)炙熱的“濃湯”,只有最基本的不安分的粒子。隨著膨脹和冷卻,不同層次的結(jié)構(gòu)依次出現(xiàn),先是中子和質(zhì)子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系團(tuán),最終形成超星系團(tuán)。
　　但是,對于宇宙形成初期的狀態(tài),只有理論,缺少實(shí)驗�！癈ERN在2008年耗資100億瑞郎(約80億美元)建成的大型強(qiáng)子對撞機(jī)正是要解決這個問題,”沃思教授說,“通過高速質(zhì)子的撞擊,來創(chuàng)造一個能量高達(dá)10萬億電子伏特(TeV)的大爆炸,或許能從中找到宇宙初期的粒子�！�
　　
　　沒有時光機(jī),如何回到137億年前
　　描述組成物質(zhì)的那些詞里,質(zhì)子、中子和電子我們都不陌生,那強(qiáng)子又是什么呢?
　　在CERN做研究的波士頓大學(xué)的閆真博士告訴我,這是粒子物理學(xué)的說法。強(qiáng)子所代表的是參與強(qiáng)作用力的粒子,例如質(zhì)子或者重離子(比如本月初正在加速器里對撞的鉛原子核)。
　　強(qiáng)子(hadron)這個詞最早出自希臘語“hadrós”,意為“笨重的”。組成原子核的質(zhì)子或中子都叫強(qiáng)子,也可以理解為重粒子;而輕子(比如電子)雖然組成物質(zhì),但質(zhì)量輕,在加速過程中能量很容易損失,因此不適用于高能碰撞。
　　CERN的大型強(qiáng)子對撞機(jī)是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器(排名第二的是美國費(fèi)米實(shí)驗室的粒子對撞機(jī),能量為1萬億電子伏特),主要由幾部分構(gòu)成。閆真博士介紹,首先是一系列初級加速器,將逐級提升粒子速度,隨后粒子進(jìn)入主加速環(huán)的兩個質(zhì)子束管,反向而行,分道揚(yáng)鑣。當(dāng)粒子束將以99.999%的光速飛行,每秒可以在27公里的管道里飛行超過一萬圈。
　　粒子束在主加速環(huán)里有4個碰撞點(diǎn),每個撞擊點(diǎn)都有一個大型探測器,其中特定粒子探測器是ALICE(大型離子對撞機(jī))和LHCb(底夸克探測器),通用粒子探測器是CMS(緊湊μ子螺線管)和ATLAS(超環(huán)面儀器)。很難想象,我所在的ATLAS是這個星球上最大的粒子探測器,其面積近占兩個籃球場,約15層樓高。為了展現(xiàn)其直觀尺度,CERN在ATLAS實(shí)驗室馬路對面的農(nóng)場里,做一個鏤空的超級大球體,頗為壯觀。
　　27公里長的加速管內(nèi)部包覆著超導(dǎo)體,以液氦來冷卻,保持管道超低溫零電阻,才能讓粒子運(yùn)動接近光速。加速管是由超過1700段超導(dǎo)體管焊接而成,最多的是藍(lán)色的二極磁體管,其總長約20公里,作用是讓粒子束保持高速飛行及轉(zhuǎn)向;白色的四極磁體管負(fù)責(zé)將粒子束聚焦;靠近每個探測器的紅色磁體管負(fù)責(zé)吸引粒子碰撞。
　　在2008年9月,正是因為某兩段超導(dǎo)體的焊接問題,導(dǎo)致液氦泄漏,最終不得不停機(jī)檢修。這一停足足浪費(fèi)了18個月光陰,直到今年3月才重新運(yùn)轉(zhuǎn)。2010年11月8日,最震撼人心的時刻到了。
　　這一天,大型強(qiáng)子對撞機(jī)第一次使用重粒子――鉛離子進(jìn)行對撞,過往實(shí)驗使用的都是質(zhì)子。鉛離子有28個質(zhì)子,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程,因此在撞擊時會產(chǎn)生更大的能量。ALICE探測器捕捉了這一刻――對撞瞬間產(chǎn)生的高溫相當(dāng)于太陽核心溫度的100萬倍。
　　撞擊成功后,項目成員、伯明翰大學(xué)物理學(xué)家戴維?埃文斯博士激動地宣布:“對撞實(shí)驗產(chǎn)生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在實(shí)驗中取得的有史以來的最高溫度和密度。這個過程發(fā)生在一個安全、可控的環(huán)境內(nèi),生成了熾熱和稠密的亞原子火球,溫度超過太陽核心溫度的100萬倍。在這一溫度下,連構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子也被融化了,產(chǎn)生稱為‘夸克與膠子等離子體’(plasma)的熾熱而稠密的夸克與膠子湯�！�
　　吊胃口的是,科學(xué)家還需要根據(jù)探測器記錄到的數(shù)據(jù)來分析究竟撞出了什么。閆真博士說,在每秒產(chǎn)生的10億次質(zhì)子對撞中,產(chǎn)生了10萬個科學(xué)家感興趣的過程。然而,得到確認(rèn)的是3000個,最終被記錄的事件僅有200個�！岸鳤TLAS記錄的數(shù)據(jù),每三秒就要灌滿一張光碟,這些光碟堆上一年的話,足足有7公里高�！�
　　難怪,在伯爾尼大學(xué),安東尼奧博士(Antonio Ereditato)領(lǐng)著我們?nèi)タ锤吣芪锢韺?shí)驗室的ATLAS項目,眉飛色舞地指著一個盯著電腦屏幕的女研究員說她找到了某種μ子(類似電子的微粒)。發(fā)現(xiàn)對撞后的新粒子猶如中頭彩!
　　
　　已知的未知和未知的未知
　　早在兩年前,由于擔(dān)心造成黑洞毀滅地球,即將啟動的大型強(qiáng)子對撞機(jī)竟被人告上法庭,不少CERN的科學(xué)家收到死亡威脅。
　　在電影和科幻小說中,黑洞可以捕獲粗心大意的飛船和行星,吞噬整個星系,或者成為平行宇宙的入口。
　　按照霍金的理解,黑洞是引力坍塌,向內(nèi)收縮到某個臨界半徑,形成強(qiáng)大的引力場,讓光線向內(nèi)彎曲到無法逃逸,而我們知道一切物體的速度都超不過光速,因此黑洞會吞噬一切進(jìn)入其邊界的物體。
　　據(jù)科學(xué)家推算,要形成大型黑洞,能量必須大于1027電子伏特,但在對撞機(jī)里即使撞擊的是鉛離子,也比這個數(shù)字要小15個能量級,最多只能達(dá)到“迷你”黑洞的級別。
　　對此,沃思教授說:“大型強(qiáng)子對撞機(jī)確實(shí)能制造出一些微型黑洞,但不用擔(dān)心,這些微型黑洞不會吞噬地球。因為它們持續(xù)的時間很短,不足以做到吞噬地球�！�
　　其實(shí),宇宙射線打到外大氣層時,碰撞的能量已經(jīng)可以超過1012電子伏特,整個地球表面上每天大量產(chǎn)生這樣的黑洞。雖然觀察不到,但也未危及我們的安全――根據(jù)霍金的理論,黑洞的消失速度與其質(zhì)量成反比,因此微型黑洞在產(chǎn)生的瞬間就消失不見了。
　　“如果微型黑洞果真出現(xiàn)了,它們會立刻變成很多小粒子,利用ATLAS探測器應(yīng)該可以發(fā)現(xiàn)。”閆真博士說。
　　與探測黑洞的不確定性相比,科學(xué)家更希望大型強(qiáng)子對撞機(jī)能彌補(bǔ)另一項空白。
　　在過去的100年里,經(jīng)過數(shù)以千計的物理學(xué)家探索和總結(jié),人類終于對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)有了深刻見解。上世紀(jì)六七十年代發(fā)展出來的“標(biāo)準(zhǔn)模型”成功地解釋了一系列的實(shí)驗結(jié)果,準(zhǔn)確地預(yù)測了各種現(xiàn)象。隨著時間的推移,經(jīng)過許多物理學(xué)家的眾多實(shí)驗積累,標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)成為一個經(jīng)過良好驗證的物理理論。
　　這個模型中某些種類是為人熟知的了。比如電子,便是其中之一�？淇耸墙M成質(zhì)子和中子的最小單位,也是更為奇異的物質(zhì)。然后還有中微子,W和Z玻色子,類電子的μ子和τ子,還有膠子――它的作用是將夸克聚合成團(tuán)。膠子因此提供了所謂的強(qiáng)作用力,而W和Z玻色子提供了弱作用力,它決定了某些放射性反應(yīng)特性。光子提供了電磁力,這種力廣泛存在,從決定指南針的指向到阻止固體物質(zhì)因吸引而坍塌。
　　總之,這16種粒子,可以分為夸克、輕子和玻色子三大類�！昂唵蔚乩斫�,夸克和輕子就是組成物質(zhì)的粒子,玻色子則是負(fù)責(zé)傳遞各種作用力�！遍Z真博士說。
　　但是,標(biāo)準(zhǔn)模型還留了一個空位,它就是尚未現(xiàn)身的“希格斯玻色子”(Higgs boson)。
　　1993年,美國物理學(xué)家萊德曼(Leon Lederman)在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是問題?》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一書中最早將希格斯玻色子形容為“上帝粒子”。
　　這種神秘的“媒介子”源于1964年英國物理學(xué)家希格斯(Peter Higgs)提出的一個理論:大爆炸最初所有的粒子都沒有質(zhì)量。當(dāng)宇宙逐漸冷卻,直到溫度低于一個臨界值時,一個看不見的力場通過與其相關(guān)的粒子形成了,這個力場現(xiàn)在稱為“希格斯場”,而該粒子稱為“希格斯玻色子”。這個場普遍存在于整個宇宙,任何粒子相互作用都通過希格斯玻色子賦予了一定的質(zhì)量。粒子間相互作用得越多,則越重,因此從不與其他粒子相互作用的粒子(如光子)則完全沒有質(zhì)量�？傊�,希格斯玻色子的作用就是將質(zhì)量賦予其他物質(zhì)組成粒子。
　　然而,從未有人通過實(shí)驗來觀測到希格斯玻色子從而驗證這一理論。和很多科學(xué)家一樣,閆真的博士論文也是關(guān)于尋找這種粒子,他說:“不知道它長什么樣,甚至連它存在的形式都是未知數(shù)�！币�找到希格斯玻色子的唯一方法是制造一個宇宙大爆炸發(fā)生后的模擬環(huán)境,重?fù)?dān)自然落到大型強(qiáng)子對撞機(jī)身上。
　　當(dāng)然,即使達(dá)到如此之高的能量也有可能無法找到希格斯粒子。兩年前,當(dāng)強(qiáng)子對撞機(jī)啟動時,霍金就下了100美元賭注,賭找不到這種粒子,他說:“也許,希格斯玻色子根本就不存在�！�
　　即使希格斯玻色子真的存在,對霍金等理論物理學(xué)家來說,標(biāo)準(zhǔn)模型也并不令人滿意。例如,它并不能解釋引力的存在(這也是量子力學(xué)的命傷),也不能解釋“暗物質(zhì)”,后者的作用是防止我們銀河系這樣的螺旋狀星系崩潰。如果用望遠(yuǎn)鏡觀測宇宙,大多數(shù)宇宙中的物質(zhì)是看不到的,但是我們可以通過引力作用感知它們的存在。
　　對于這些科學(xué)家來說,找不到希格斯玻色子反倒值得高興。因為,這意味著我們需要尋找更加不凡的理論。
　　
　　

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