通往１３７億年前的粒子跑道

蔡如鵬

誰(shuí)說物理學(xué)一定枯燥乏味，有時(shí)它也充滿懸念，甚至令人膽戰(zhàn)心驚

9月10日，歐洲核子研究中心(CERN)啟動(dòng)了“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)(LHC)”，將第一束粒子流注入加速器，拉開了歷史上規(guī)模最大的物理實(shí)驗(yàn)的大幕。CERN建造這臺(tái)對(duì)撞機(jī)的目的，是讓質(zhì)子在接近光速的速度下發(fā)生碰撞。然后，觀察質(zhì)子碰撞后的殘余，找到以前未曾發(fā)現(xiàn)過的粒子、其他維度的空間、暗物質(zhì)存在的證據(jù)，以及希格斯玻色子——一種物理學(xué)家認(rèn)為是其他粒子構(gòu)成基礎(chǔ)的神秘物質(zhì)。

物理學(xué)家們相信，這將有助于解決長(zhǎng)期以來(lái)人類對(duì)宇宙的很多疑問。比如物質(zhì)質(zhì)量的來(lái)源、宇宙的起源等。

LHC之所以被物理學(xué)家寄予厚望，是因?yàn)樗瞧駷橹故澜缟贤ψ畲蟮牧Ｗ蛹铀倨?，可以賦予質(zhì)子前所未有的能量。物理學(xué)家相信，只有在這種能量下，質(zhì)子才會(huì)徹底粉碎，向世人展示它內(nèi)部的秘密。

在過去的二十多年，關(guān)于質(zhì)子撞擊會(huì)產(chǎn)生哪些未知粒子，物理學(xué)家做出過幾種不同版本的預(yù)言。但這些都沒有得到證實(shí)，原因正是缺少一臺(tái)威力巨大的質(zhì)子加速器。

這次嘗試可謂“不成功則成仁”。如果實(shí)驗(yàn)中任何一種預(yù)言得到證實(shí)，物理學(xué)將由此進(jìn)入“黃金時(shí)代”；如果失敗，物理學(xué)家將不得不面對(duì)新一輪的沉寂。

在物理學(xué)家內(nèi)部，盡管大部分人都確信，LHC不會(huì)讓他們失望，但對(duì)于它最終會(huì)證實(shí)哪種預(yù)言，仍存在分歧。物理學(xué)家霍金為此還下了100美元的賭注。

然而，在那些對(duì)LHC持反對(duì)意見的批評(píng)人士看來(lái)，這里最大的賭局是全人類的安危——他們擔(dān)心，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)引發(fā)黑洞，從而吞噬整個(gè)地球。

霍金曾預(yù)言，當(dāng)帶有巨大能量的質(zhì)子相互碰撞時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生微型黑洞。黑洞是走到生命盡頭的恒星坍塌收縮形成的，它的中心引力巨大，可以把周圍任何物質(zhì)吸進(jìn)去，甚至連光也無(wú)法逃逸其引力范圍。

但至今為止，物理學(xué)家都沒有觀察到微型黑洞，無(wú)法證實(shí)它是否真的存在。霍金認(rèn)為這是因?yàn)槲⑿秃诙吹馁|(zhì)量太小(只有10微克左右)，非常不穩(wěn)定，在瞬間就會(huì)因輻射而消失，因此不會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。不過，這也有待證實(shí)。

LHC啟動(dòng)后55分鐘，第一束質(zhì)子流就沿順時(shí)針方向貫穿了整個(gè)對(duì)撞機(jī)。5個(gè)小時(shí)后，第二束質(zhì)子流也沿逆時(shí)針方向走完了全程。這為最終實(shí)現(xiàn)兩束反向運(yùn)動(dòng)的質(zhì)子流碰撞掃清了障礙。

LHC項(xiàng)目主任林恩?埃萬(wàn)斯說，第一次碰撞預(yù)計(jì)在年底前實(shí)現(xiàn)。在此之前，他們還需要數(shù)月的時(shí)間反復(fù)調(diào)試質(zhì)子流運(yùn)動(dòng)的軌跡，使其能夠在預(yù)定的位置準(zhǔn)確相撞。

這個(gè)過程很難。因?yàn)椋尠霃絻H10-15米的兩個(gè)質(zhì)子在半徑3厘米的真空管中相撞，難度比兩顆子彈在太陽(yáng)中相撞還難。

一旦撞擊成功，很可能會(huì)重現(xiàn)137億年前宇宙大爆炸后第一瞬間的景象。物理學(xué)家推測(cè)，在那一瞬間，由于巨大的沖擊力，質(zhì)子完全處于粉碎的狀態(tài)，整個(gè)空間彌漫著猛烈無(wú)比的“粒子濃湯”。

天生的“發(fā)現(xiàn)機(jī)器”？

建造LHC的構(gòu)想，最初產(chǎn)生于1984年。

這個(gè)項(xiàng)目由CERN的20多個(gè)成員國(guó)負(fù)責(zé)建設(shè)，吸引了全球80多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的近2000多名物理學(xué)家參與。

CERN坐落在法國(guó)與瑞士交界的日內(nèi)瓦湖附近。LHC就安裝在那里一個(gè)地下100米深、27公里長(zhǎng)的環(huán)形隧道內(nèi)。之所以要在地下建隧道，主要是為了避免使用昂貴的土地，同時(shí)也有效地屏蔽了加速器束流運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的放射性。

在LHC對(duì)應(yīng)的地面上，是CERN的辦公樓、實(shí)驗(yàn)室和居民區(qū)。

安裝LHC的隧道并不是新建的，之前里面有一個(gè)大型的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(用于粉碎電子，而不是質(zhì)子)。

建造LHC前后用了10年時(shí)間，設(shè)備總重量達(dá)37600噸，其中有9300塊磁鐵。不算挖隧道的費(fèi)用，僅機(jī)器本身的投入(接近50億美元)就可以建至少10個(gè)“鳥巢”。

建成后的LHC不僅是世界最大的粒子加速器，同時(shí)也是世界最大的機(jī)器。

它的耗電量相當(dāng)于整個(gè)日內(nèi)瓦市全城的用電量。在一年5億歐元的預(yù)算中，相當(dāng)一部分要用于支付電費(fèi)。

一旦LHC“開足馬力”，能把數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的質(zhì)子加速至將近每秒鐘30萬(wàn)公里，是光速的99.99%。質(zhì)子流每秒可在隧道內(nèi)狂飆11245圈，單束質(zhì)子流能量可達(dá)7萬(wàn)億電子伏特——約相等于一列高速列車的能量。

運(yùn)行方向相反的兩束高速質(zhì)子流一旦對(duì)撞，碰撞點(diǎn)將產(chǎn)生極端高溫，最高可達(dá)到太陽(yáng)中心溫度的10萬(wàn)倍。

物理學(xué)家們相信，當(dāng)兩束總能量達(dá)到14萬(wàn)億電子伏特的質(zhì)子束“迎頭相撞”時(shí)，從未見過的粒子將會(huì)出現(xiàn)。上一次，他們通過對(duì)撞發(fā)現(xiàn)新粒子——W和Z玻色子——還是在1983年。此后25年，物理學(xué)家沒有再發(fā)現(xiàn)過新的粒子。這也正是他們破釜沉舟建造LHC的原因所在。

中國(guó)科學(xué)院高能物理所李海波研究員對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說，自從1919年盧瑟福用天然放射源轟擊氮原子發(fā)現(xiàn)質(zhì)子后，粒子撞擊實(shí)驗(yàn)就成為物理學(xué)家探索物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的有力武器。

“從這個(gè)意義上說，粒子對(duì)撞機(jī)就好比物理學(xué)家的顯微鏡?！蔽锢韺W(xué)家克林斯說，“而LHC無(wú)疑是有史以來(lái)尺寸最大、功能最強(qiáng)的顯微鏡?！?/p>

“LHC天生就是個(gè)發(fā)現(xiàn)機(jī)器?！盋ERN中心主任、法國(guó)物理學(xué)家羅貝爾?艾馬說。

為了尋找希格斯玻色子和其他新粒子，CERN的科學(xué)家建造了4個(gè)地下觀測(cè)器，記錄撞擊時(shí)景象。

其中一個(gè)名為Atlas的觀測(cè)器，是一個(gè)七層樓高的圓柱體，由鋼鐵、充氣鋁管、液態(tài)氬和光纖制成，重量為7000噸，與法國(guó)艾菲爾鐵塔的重量不相上下。

如果物理學(xué)家未能在實(shí)驗(yàn)中找到游離的希格斯玻色子，那可能意味著他們?cè)阱e(cuò)誤的道路上浪費(fèi)了數(shù)十年的大好時(shí)光。在過去的數(shù)十年，物理學(xué)家一直構(gòu)建的標(biāo)準(zhǔn)模型，希望把已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的粒子整齊劃一地歸類。現(xiàn)在，他們離這個(gè)目標(biāo)就差一步——找到希格斯玻色子。

標(biāo)準(zhǔn)模型是一套描述強(qiáng)作用力、弱作用力、電磁力這3種基本力以及組成所有物質(zhì)的基本粒子的理論。它把基本粒子(構(gòu)成物質(zhì)的亞原子結(jié)構(gòu))分成三大類：夸克、輕子與玻色子。

標(biāo)準(zhǔn)模型的出現(xiàn)，使得各種粒子如萬(wàn)鳥歸林般擁有了一個(gè)共同的“家園”，非常之完美。然而，這種完美有個(gè)致命的缺陷，那就是該模型預(yù)測(cè)出的粒子沒有任何差別并且質(zhì)量都為零。

1964年，英國(guó)物理學(xué)家彼得?希格斯預(yù)言存在一種希格斯玻色子，其他粒子都在其構(gòu)成的“海洋”中游弋，受其作用而產(chǎn)生慣性，最終才有了質(zhì)量。

希格斯玻色子不僅能夠解釋物質(zhì)質(zhì)量之源，而且能完美地支撐起整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型的理論大廈。因此，它也被稱為“上帝粒子”。

“我們知道，希格斯玻色子一定存在。”加拿大安大略省普里美特理論物理研究所物理學(xué)家李?斯莫林說：“否則的話，我們就一直在錯(cuò)誤的理論根基上原地踏步?！?/p>

“這是解開宇宙構(gòu)成秘密的一個(gè)關(guān)鍵所在?！泵绹?guó)費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家約瑟夫?里肯教授說道。

在LHC建成之前，世界上最大的粒子對(duì)撞機(jī)位于費(fèi)米國(guó)家實(shí)驗(yàn)室。它的加速軌道長(zhǎng)3公里，撞擊時(shí)產(chǎn)生的最大能量是LHC的七分之一。

雖然如果LHC尋找希格斯玻色子失敗，將令很多人大失所望。但也有一些人認(rèn)為，這未必不是一件好事。里肯說，那物理學(xué)家將不得不重新思考幾十年來(lái)被視為天經(jīng)地義的各種問題，因?yàn)楹芏嗬碚摱际墙⒃跇?biāo)準(zhǔn)模型之上的。

霍金的100美元

認(rèn)為找不到希格斯玻色子未嘗不是一件好事的，還有英國(guó)物理學(xué)家霍金。

他在接受英國(guó)廣播公司的采訪時(shí)開玩笑說，“如果未能發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，會(huì)更加激動(dòng)人心。那表明存在某些錯(cuò)誤，我們得重新思考。”霍金說，他還與美國(guó)密歇根大學(xué)的高迪?凱恩教授以100美元為賭注打賭，認(rèn)為L(zhǎng)HC不會(huì)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子。

對(duì)于霍金的“挑釁”，44年前預(yù)言希格斯玻色子存在的希格斯非常生氣。9月10日，他在英國(guó)愛丁堡舉行的記者會(huì)上對(duì)霍金的上述言論進(jìn)行了回?fù)簟?/p>

希格斯說：“我必須承認(rèn)直到現(xiàn)在我也沒看過霍金做出這種斷言的論文。但是我讀過他寫的一篇文章，我認(rèn)為這就是他得出上述結(jié)論的理論基礎(chǔ)。坦率地說，我認(rèn)為他的研究方法不夠好。我的理解是，他將粒子物理學(xué)與引力理論以一種粒子物理學(xué)家都不相信的方法放在一起研究，這不正確。”

不僅如此，希格斯也不贊成霍金關(guān)于LHC更有可能找到“超伴子”的觀點(diǎn)。

“超伴子”是超對(duì)稱假說預(yù)言的一種粒子。這一假說如果得到證實(shí)，將使已知粒子的數(shù)量增加一倍，而且使希格斯玻色子的存在變得毫無(wú)意義。

除了“超伴子”之外，霍金還預(yù)言LHC可能會(huì)產(chǎn)生微型黑洞?！叭绻娴哪馨l(fā)現(xiàn)微型黑洞進(jìn)而驗(yàn)證我的相關(guān)理論預(yù)言，無(wú)疑我將獲得諾貝爾獎(jiǎng)?！被艚鹫f。

不過，這需要他耐心等待。CERN的物理學(xué)家彼特?詹李說，LHC很可能不會(huì)立即給出這些問題的答案，“人們不應(yīng)該想當(dāng)然地認(rèn)為偉大的事件即將發(fā)生。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)將花上幾年甚至更長(zhǎng)時(shí)間，才能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子或其他新粒子。”

世界末日？

物理學(xué)家應(yīng)用粒子加速器已經(jīng)有30年的時(shí)間，迄今沒有發(fā)生過事故。但LHC因?yàn)槠涑蟮囊?guī)模和功率引起了人們的擔(dān)憂。

2008年初，一位科普作家和一位輻射安全專家向美國(guó)夏威夷地區(qū)法院和歐洲人權(quán)法院提起訴訟，要求制止物理學(xué)家啟動(dòng)LHC，認(rèn)為它可能引發(fā)一個(gè)災(zāi)難性的黑洞或制造出“奇異物質(zhì)”，這是一種理論假設(shè)中的致密物質(zhì)，一旦形成，有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，把地球變成一塊無(wú)生命的大石頭。

反對(duì)者中也不乏科學(xué)家。德國(guó)化學(xué)家奧托?勒斯勒爾教授就是LHC最堅(jiān)決的反對(duì)者之一。他說:“CERN自己也曾承認(rèn)，在粒子高速相撞時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生微型黑洞，但他們卻忽視了這一風(fēng)險(xiǎn)?！?/p>

16歲的印度女孩查雅由于擔(dān)心LHC啟動(dòng)會(huì)帶來(lái)世界末日，9月10日當(dāng)天更是喝農(nóng)藥自殺。查雅的父親在接受印度當(dāng)?shù)仉娨暸_(tái)采訪時(shí)自稱比哈里拉爾。他說，查雅之前“觀看了關(guān)于世界末日的新聞節(jié)目”。印度不少新聞?lì)l道過去幾天一直在播放討論LHC實(shí)驗(yàn)以及世界末日預(yù)言的節(jié)目。

比哈里拉爾說：“查雅自殺前兩天一直問我和其他親人有關(guān)9月10日世界末日來(lái)臨的事情……我們?cè)噲D分散她的注意力，告訴她不用擔(dān)心這類事情，但沒有用。”

CERN的科學(xué)家認(rèn)為，黑洞這類恐怖事件的發(fā)生概率與重力突然消失的概率差不多。“根據(jù)量子物理學(xué)理論，如果我讓一支筆掉在桌上，它甚至有一定的可能性會(huì)直接穿過桌子。”Atlas探測(cè)項(xiàng)目的發(fā)言人彼得?杰尼說：“我們通過LHC模擬的是137億年來(lái)整個(gè)宇宙每時(shí)每刻都在發(fā)生的粒子碰撞，但我們不是還活得好好的嗎？”

李海波對(duì)《中國(guó)新聞周刊》說：“從地球誕生以來(lái)，已經(jīng)發(fā)生過成千上萬(wàn)次與LHC進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)相等量的自然過程了——這個(gè)星球依然存在?！?/p>

有記者問霍金，這個(gè)人類有史以來(lái)最昂貴的實(shí)驗(yàn)到底有什么意義呢？

他回答說:“LHC對(duì)人類至關(guān)重要——如果人類不想一代一代愚蠢下去并最終滅亡的話。這個(gè)項(xiàng)目的總費(fèi)用不到全世界GDP的千分之一，如果連這點(diǎn)錢都不想付，我們就該愧對(duì)‘人類的稱呼了?！?/p>