話說大型強(qiáng)子對撞機(jī)

云　帆

9月10日，歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)啟動(dòng)。公眾從各種媒體得知，這座世界最大的粒子對撞機(jī)，將模擬宇宙大爆炸早期的情景。人們問：“什么是強(qiáng)子?”“什么是對撞機(jī)?”“強(qiáng)子對撞機(jī)與宇宙大爆炸何干?”為了回答這些問題，我們從熱大爆炸宇宙學(xué)說起。

“宇宙大爆炸”是怎么回事?

德國哲學(xué)家康德說：“世界上有兩件東西能夠深深地震撼我們的心靈，一件是我們心中崇高的道德，另一件是我們頭頂上燦爛的星空?！鄙铄浜棋挠钪?，引起人類好奇求知，喚醒人類美感追求，激發(fā)人類詩意靈感，誘導(dǎo)人類哲學(xué)思考。宇宙從哪里來，宇宙什么樣，宇宙向何處去，是人類亙古至今的永恒課題。

現(xiàn)代宇宙學(xué)于20世紀(jì)初誕生。1917年，愛因斯坦在廣義相對論的方程中，有意加了一個(gè)“宇宙常數(shù)”，于是得出結(jié)論：“宇宙是靜態(tài)的”，既不膨脹，也不收縮。這個(gè)“靜態(tài)宇宙模型”，既是現(xiàn)代宇宙學(xué)的發(fā)軔，也是令愛因斯坦懊悔的“一生最大錯(cuò)誤”。

1922年，蘇聯(lián)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家阿列克謝·弗里德曼(1888～1925)，同樣是根據(jù)廣義相對論進(jìn)行研究，得出相反的結(jié)論：宇宙或是膨脹，或是收縮，宇宙是動(dòng)態(tài)的。1929年，哈勃觀測發(fā)現(xiàn)星系退行速度與距離成正比，為宇宙膨脹的觀點(diǎn)提供了支持。遺憾的是，弗里德曼已經(jīng)在4年前作古，沒有聽到與自己共鳴的美妙聲音。

1930年代，科學(xué)家勒梅特想：宇宙膨脹會不會是由一場大爆炸引起的?1948年，美國科學(xué)家伽莫夫、阿爾法發(fā)表論文，發(fā)展了勒梅特的理論，為熱大爆炸宇宙學(xué)奠定了基礎(chǔ)。20世紀(jì)前半期的宇宙觀的變革，精彩而富有啟發(fā)。

熱大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為，早期宇宙的物質(zhì)密度極高，溫度也極高，可以說那時(shí)的宇宙是超高溫、超高能的“宇宙湯”。后來，宇宙不斷膨脹，物質(zhì)密度不斷變“稀”，溫度不斷下降。宇宙從熱到冷、從密到稀的演化過程，猶如規(guī)模巨大的“熱大爆炸”。在溫度逐漸降低的過程中，物質(zhì)經(jīng)歷了一系列的演化過程。先是產(chǎn)生了夸克、膠子。溫度降低后，由上夸克和下夸克組成了質(zhì)子、中子。溫度再低，由質(zhì)子、中子構(gòu)成了原子核。后來，原子核與電子組成了原子、分子。當(dāng)溫度下降到幾千攝氏度時(shí)，宇宙中主要是氣態(tài)物質(zhì)，氣體冷卻凝聚成氣體云，形成恒星、星系。伽莫夫預(yù)言，宇宙中仍存留著絕對溫度5K的遺跡輻射。

伽莫夫、阿爾法的理論發(fā)表之后，因?yàn)槿狈τ^測數(shù)據(jù)的支持，在很長時(shí)間內(nèi)并沒有引起科學(xué)界的廣泛重視。

“宇宙大爆炸”有什么證據(jù)嗎?

1965年，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室的射電天文學(xué)家彭齊亞斯和威爾遜，在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)，總是存在一種本底噪聲的干擾，連續(xù)不斷的“絲絲聲”干擾了通信的正常進(jìn)行。奇怪的是，那噪聲一年四季都有，日日夜夜都有，任何方向都有。他們設(shè)想了引起噪聲的許多可能的原因，一一加以排除。他們甚至懷疑，是天線上的鳥糞在作怪。但是，把這種“白色介質(zhì)”除掉，噪聲依然存在。彭齊亞斯和威爾遜找不到引起噪聲的真正原因，就打電話向普林斯頓大學(xué)的迪克請教。

發(fā)展科學(xué)需要實(shí)證精神。普林斯頓大學(xué)的迪克小組，多年來一直在尋找宇宙大爆炸遺留的余波——宇宙微波背景。得知彭齊亞斯和威爾遜發(fā)現(xiàn)的這種現(xiàn)象，迪克小組迅速認(rèn)定，這就是他們苦苦尋覓許多年的宇宙微波背景!迪克還把伽莫夫預(yù)言的5K修正為3K。

1978年，彭齊亞斯和威爾遜因“發(fā)現(xiàn)宇宙微波背景輻射”，分享了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的一半(另外一半，頒發(fā)給蘇聯(lián)低溫物理學(xué)家卡皮查)。人們打趣道，他們是“鏟除了一堆鳥糞，發(fā)現(xiàn)了一把黃金?！睔v史也不會忘記迪克小組的貢獻(xiàn)。

3K宇宙背景輻射的發(fā)現(xiàn)，是熱大爆炸宇宙學(xué)取得的一個(gè)重大勝利。人們進(jìn)而思考這樣一個(gè)問題：在大爆炸過程中什么時(shí)候、為什么會發(fā)生物質(zhì)結(jié)團(tuán)的現(xiàn)象，演變成今日這個(gè)物質(zhì)分布極不均勻的宇宙?

1970年代，美國的約翰·馬瑟在做博士后研究工作時(shí)，就提出利用衛(wèi)星研究宇宙背景輻射的設(shè)想。他終于盼到1989年11月18日，美國發(fā)射了宇宙背景探索者衛(wèi)星COBE。1992年4月23日，當(dāng)時(shí)就職于美國加州大學(xué)勞倫斯·伯克利分校的喬治·斯穆特宣布，利用COBE發(fā)現(xiàn)宇宙背景輻射溫度存在微小的起伏，溫度起伏的相對值大約是十萬分之零點(diǎn)五。這個(gè)數(shù)據(jù)與宇宙結(jié)構(gòu)形成的理論大體一致。宇宙背景輻射溫度存在微小的起伏，就意味著在宇宙早期，物質(zhì)的分布并不均勻。物質(zhì)密度高的區(qū)域，對周圍物質(zhì)的吸引力大，能夠把周圍物質(zhì)吸引過來，使得這個(gè)區(qū)域的物質(zhì)密度變得更高，最終形成恒星和星系。2006年，喬治·斯穆特和約翰·馬瑟榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。COBE是宇宙學(xué)發(fā)展成精確科學(xué)的里程碑。

繼COBE之后，美國在2001年發(fā)射了第二代宇宙微波背景探測衛(wèi)星WMAP。WMAP與COBE的觀測任務(wù)基本相同，但是WMAP的分辨率和靈敏度高得多：WMAP的空間分辨率達(dá)到0.2度，而COBE僅為7度。WMAP的重大貢獻(xiàn)，不是獲得了什么新的發(fā)現(xiàn)，而是大大提高了觀測數(shù)據(jù)的精度。根據(jù)幾年來WMAP的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家得出許多重要的結(jié)果：宇宙是平的(精度高達(dá)1％)；宇宙的年齡是137，億歲；原子誕生在宇宙37.6萬歲的時(shí)候；宇宙空間可見物質(zhì)、暗物質(zhì)、暗能量的比例，分別約為4.6％、23.3％、72.1％。這就是為什么以前說宇宙的年齡是150億歲，現(xiàn)在說宇宙的年齡是137億歲。

強(qiáng)子對撞機(jī)是做什么的?

談?wù)摿Ｗ游锢韺W(xué)之前，讓我們簡要回顧人類探索物質(zhì)結(jié)構(gòu)的歷史。直到19世紀(jì)末，人們?nèi)匀徽J(rèn)為，原子是不可再分的最小的物質(zhì)單元。20世紀(jì)初，人們的知識深入到原子內(nèi)部：原子有一個(gè)帶正電、位于中心的原子核，原子核外面有電子云。1930年代，人類對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，更跨入原子核的內(nèi)部：原子核是由質(zhì)子和中子組成的。

科學(xué)家提出一個(gè)新的問題：質(zhì)子和中子，又是由什么組成的?1970年代建立的“標(biāo)準(zhǔn)模型”提出，構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是夸克和輕子，物質(zhì)是由3對輕子和3對夸克組成的。3對輕子是：電子、電子中微子；μ子、μ子中微子；τ子、τ子中微子。3對夸克是：上夸克、下夸克；粲夸克、奇異夸克；頂夸克、底夸克。

上面說的這些夸克和輕子的名稱，個(gè)個(gè)看上去都很陌生，都很難接受。你不必緊張：不僅你對這些粒子犯難，連著名的物理學(xué)家費(fèi)米都表示，他也記不住這么多粒子。有一次，學(xué)生問他某個(gè)粒子的名稱，他幽默地回答道：“如果我記得這么多粒子，我早就去當(dāng)植物學(xué)家了!”

有一個(gè)辦法，可以簡化記

憶、提高興趣。那就是“貼近實(shí)際、貼近生活”。我舉幾個(gè)大家看得見、摸得著的實(shí)際例子，你就不會覺得夸克和輕子復(fù)雜玄奧、難以企及了。我要跟你說，雖然輕子有6種、夸克也有6種，我們?nèi)粘Ｉ钪写蚪坏赖奈镔|(zhì)卻沒那么復(fù)雜，它們都是由電子和上、下夸克組成的。例如，質(zhì)子是由2個(gè)上夸克、1個(gè)下夸克組成的；中子是由2個(gè)下夸克、1個(gè)上夸克組成的。你看，一旦接觸生活實(shí)際，我們只會遇到一種輕子——電子，你本來對它就很熟悉；一旦接觸生活實(shí)際，我們就只會遇到兩種夸克——上夸克和下夸克。于是，問題大為簡化，你的恐懼感也該消失了?，F(xiàn)在，你明白了，構(gòu)成我們身邊的物質(zhì)的最小單元，不是原子；也不是電子、質(zhì)子、中子；而是電子、上夸克、下夸克。

此刻你會想，不是有6種夸克嗎?另外4種到哪里去了?其他4種夸克(粲夸克、奇異夸克；頂夸克、底夸克)，僅僅在宇宙大爆炸之初存在過。在今日地球上，這4種夸克只有在粒子對撞實(shí)驗(yàn)中才能出現(xiàn)。實(shí)際上這就是說，粒子對撞機(jī)能夠模擬宇宙大爆炸之初的狀況。

人們要想知道核桃里面的構(gòu)造，就把兩個(gè)核桃對撞。外皮被打碎，就取出了里面的果肉。粒子對撞機(jī)也是這個(gè)道理。這就是為什么有人把各種粒子對撞機(jī)形象地稱為“原子粉碎機(jī)”。粒子物理學(xué)家借助大型研究設(shè)備——正負(fù)電子對撞機(jī)、質(zhì)子一反質(zhì)子對撞機(jī)、大型強(qiáng)子對撞機(jī)，探究物、質(zhì)結(jié)構(gòu)，模擬宇宙形成之初的情形，以了解宇宙起源與演化。

在歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)運(yùn)行之前，美國費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子－反質(zhì)子對撞機(jī)，是世界上能量最高的加速器，為1萬億電子伏特。這話是什么意思呢?它是說，加速器將質(zhì)子和反質(zhì)子分別加速，在它們的能量各自達(dá)到上萬億電子伏特時(shí)，讓它們發(fā)生對撞。以接近光速的速度飛行的質(zhì)子、反質(zhì)子發(fā)生對撞，能夠把質(zhì)子撞碎。1995年，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布發(fā)現(xiàn)了頂夸克。至此，3對夸克均已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)。

熱大爆炸宇宙學(xué)認(rèn)為早期宇宙處于超高能、超高溫狀態(tài)。例如，在夸克－膠子等離子體階段，溫度高達(dá)1千萬億K，粒子的平均能量達(dá)1萬億電子伏特。科學(xué)家借助高能粒子對撞再現(xiàn)宇宙大爆炸。對撞機(jī)加速器能量越高，實(shí)驗(yàn)所對應(yīng)的宇宙大爆炸時(shí)間就越早。這就是為什么，有了費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的質(zhì)子一反質(zhì)子對撞機(jī)(能量為1萬億電子伏特)，還要建造大型強(qiáng)子對撞機(jī)。大型強(qiáng)子對撞機(jī)可以使質(zhì)子在14萬億電子伏特能量下對撞，質(zhì)子中的基本粒子的對撞能量能達(dá)到幾萬億電子伏特。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)肩負(fù)什么任務(wù)?

能量為14萬億電子伏特的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)，是全世界粒子物理學(xué)家翹首以盼的巨型實(shí)驗(yàn)設(shè)備。什么是強(qiáng)子?“強(qiáng)子”本指“參與強(qiáng)力作用的粒子”，，包括重子和介子。又出現(xiàn)這么多術(shù)語、概念，實(shí)在難為了讀者，還是說大家熟悉的東西為好。原子核內(nèi)的粒子，如質(zhì)子、中子，都屬于強(qiáng)子。在“大型強(qiáng)子對撞機(jī)”中，“強(qiáng)子”指的就是質(zhì)子。大型強(qiáng)子對撞機(jī)把反向運(yùn)動(dòng)的兩束質(zhì)子分別加速，再讓它們對撞。加速環(huán)長度為27千米。在大型強(qiáng)子對撞機(jī)加速器環(huán)內(nèi)，質(zhì)子被加速，最終達(dá)到每秒轉(zhuǎn)11000圈的速度。每圈是27千米，11000圈就是297000千米。就是說質(zhì)子的速度，達(dá)到了光速的99％。

歐洲核子中心的科學(xué)家于1984年就提出了大型強(qiáng)子對撞機(jī)項(xiàng)目構(gòu)想。這個(gè)世界最大的加速器于2003年開工建設(shè)，建在法國和瑞士邊界的阿爾卑斯山地下175米深處。2008年9月10日，大型強(qiáng)子對撞機(jī)啟動(dòng)。20日，發(fā)生液態(tài)氦泄漏事故。23日，歐洲核子中心的發(fā)言人表示，由于維修需時(shí)太長，對撞機(jī)預(yù)計(jì)到明年春天才能恢復(fù)運(yùn)行。即將到來的這個(gè)冬天，我們會覺得它很漫長。

大型強(qiáng)子對撞機(jī)肩負(fù)什么任務(wù)?它將直面五大科學(xué)問題：

首先，物體的質(zhì)量是從哪里來的?標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的粒子，只剩下一種還未找到，那就是“希格斯玻色子”。觀測到“希格斯玻色子”，就證明存在“希格斯場”，所有粒子與“希格斯場”彌漫物質(zhì)相互作用，就形成了它們的質(zhì)量。另外四個(gè)問題是：

一，占宇宙95.4％的暗物質(zhì)和暗能量，是由什么構(gòu)成的?

二，宇宙大爆炸產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)，但是，為什么在宇宙空間迄今找不到反物質(zhì)?

三，大爆炸發(fā)生后，原始宇宙形態(tài)什么樣?

四，是否存在4維空間以外的額外維度?

歐洲核子研究中心說，他們建造大型強(qiáng)子對撞機(jī)，是要探索宇宙本質(zhì)和物質(zhì)本源。小到微觀粒子——探索物質(zhì)本源，大到宇宙現(xiàn)象——探索宇宙本質(zhì)，都包容在一臺對撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)中了。人們對客觀世界如此廣泛的研究，在這里匯合起來；人們對大小兩個(gè)宇宙的認(rèn)識，在這里融會貫通?？茖W(xué)是不是很有趣，很美妙、美麗、美好?

責(zé)任編輯蒲暉