最大對撞機(jī)企圖撞出宇宙起源

■ 庾莉萍

大型強子對撞機(jī)于2008年9月10日開始運轉(zhuǎn)，并產(chǎn)生了第一批圖片。整個對撞機(jī)運行正常，出乎所有人的預(yù)料。這是2008年度科學(xué)界最引人矚目的事件，這是有史以來人為的最高能量粒子對撞，它將揭示宇宙起源之謎。用霍金的話來說，這項實驗將宣布“物理學(xué)上一個新的黃金時代即將到來”。

打造巨大能量質(zhì)子束流

大型強子對撞機(jī)是一座位于瑞士日內(nèi)瓦近郊?xì)W洲核子研究組織的粒子加速器與對撞機(jī)，作為國際高能物理學(xué)研究之用。大型強子對撞機(jī)經(jīng)過9年建設(shè)后，于2008年9月10日開始運作，成為世界上最大的粒子加速器設(shè)施。大型強子對撞機(jī)是一個國際合作的計劃，由34個國家超過2000位物理學(xué)家所屬的大學(xué)與實驗室共同出資合作興建的，來自34個國家的5000余名科學(xué)家和工程師，投下將近20年的時間。

大型強子對撞機(jī)不僅是世界上功能最強大的粒子加速器，也是世界上規(guī)模最大的機(jī)器，規(guī)模如同一列火車。大型強子對撞機(jī)磁體高16米，長、寬均有10余米，重達(dá)1920噸。人力、物力投資和預(yù)期的科研成果都使其躋身“大科學(xué)實驗”行列的首位。一個圓周為27千米的圓形隧道位于地下50米～150米，這是先前大型電子正子加速器所使用隧道的再利用。物理學(xué)家沒有開鑿一條昂貴的新隧道來容納新的對撞機(jī)，而是決定拆掉原來安置在歐洲核子研究組織的正負(fù)電子加速器，代之以建造大型強子對撞機(jī)所需要的5萬噸設(shè)備。隧道本身直徑3米，位于同一平面上，并貫穿瑞士與法國邊境，主要的部分大半位于法國。雖然隧道本身位于地底下，尚有許多地面設(shè)施如冷卻壓縮機(jī)、通風(fēng)設(shè)備、控制電機(jī)設(shè)備，還有冷凍槽等等建構(gòu)于其上。加速器通道中，主要是放置二個質(zhì)子束管。加速管由超導(dǎo)磁鐵所包覆，以液態(tài)氦來冷卻。管中的質(zhì)子是以相反的方向，環(huán)繞著整個環(huán)型加速器運行。預(yù)期的建造總額約為80億美金。

一旦大型強子對撞機(jī)開始運行，就將產(chǎn)生出能量比以前高得多的質(zhì)子束流。當(dāng)二個質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運行需要非常強大的磁場。這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導(dǎo)電磁體產(chǎn)生的。

大型強子對撞機(jī)正在制造一個宇宙中最冷的地方。對撞機(jī)內(nèi)大約有9600塊磁鐵,這些磁鐵在實驗時將會被冷卻到1.9K，這比外太空還要冷得多。與之相比，遙遠(yuǎn)外空的溫度大約是2.7K。那么，為何要將磁鐵冷卻到接近絕對零度這樣的低溫呢？因為在此低溫下，此磁鐵能在沒有任何電阻下工作。到目前為止，大型強子對撞機(jī)的八個部分中已經(jīng)有六個的溫度達(dá)到1.9K～4.5K，不過在最后幾個月的某個階段，這個對撞機(jī)的所有部分的溫度都將降低到1.9K以下。大型強子對撞機(jī)用10 800噸液氮將這些磁鐵冷卻到－193.2℃，之后再用大約60噸液氦將它們冷卻到余下的溫度。

質(zhì)子束在大型強子對撞機(jī)中穿行的管道是“超高度真空”。之所以制造如此高度的真空是為了避免粒子在到達(dá)合適的撞擊點之前，在中途出現(xiàn)撞擊。即使單個分子的氣體也可能會導(dǎo)致這一實驗失敗。

維持在超導(dǎo)、超真空狀態(tài)運行，引導(dǎo)并聚焦著二個質(zhì)子束流。質(zhì)子束流的速度可達(dá)光速的99.999 999 1%，粒子流每秒可以在隧道內(nèi)狂飆11 245圈，每個質(zhì)子攜帶的能量將達(dá)到7萬億電子伏特，相當(dāng)于質(zhì)子靜止質(zhì)量所含能量的7000倍。目前的最高能量紀(jì)錄保持者，是美國費米國家加速器實驗室的萬億電子伏特正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)，而大型強子對撞機(jī)產(chǎn)生的質(zhì)子能量將是該記錄的7倍。而且，根據(jù)設(shè)計參數(shù)，大型強子對撞機(jī)產(chǎn)生的束流強度，將是萬億電子伏特正負(fù)質(zhì)子對撞機(jī)束流的40倍。

大型強子對撞機(jī)四周的六個探測器將收集數(shù)據(jù)并引導(dǎo)實驗。其中一些探測器將會搜尋同一種信息，但不在同一個方向。它們是四個主要的探測器和二個較小的探測器。大型強子對撞機(jī)及其實驗裝置有大約1.5億個傳感器，這些傳感器將收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給不同計算機(jī)系統(tǒng)。

據(jù)歐洲核子研究組織介紹，實驗時所收集的數(shù)據(jù)量將達(dá)到每秒大約700兆字節(jié)，這意味著1年能產(chǎn)生大約1500萬GB的數(shù)據(jù)。100萬GB是1PB。如此多的數(shù)據(jù)將可以刻滿10萬張DVD。歐洲核子研究組織的科學(xué)家決定了集中利用相對便宜的設(shè)備完成他們的計算工作，而不準(zhǔn)備購買前沿的數(shù)據(jù)服務(wù)器和處理器。實驗期間還需要大量的能量來運轉(zhuǎn)大型強子對撞機(jī)。據(jù)歐洲核子研究組織估計，大型強子對撞機(jī)運行1年的耗電量達(dá)到80萬兆瓦小時，這個數(shù)字可能更大，但此機(jī)器冬季將不會運行。根據(jù)目前的電價，其1年的電費開支將達(dá)到3000萬美元。

中國物理學(xué)家在科技部、自然科學(xué)基金委和中科院的支持下，參加了大型強子對撞機(jī)實驗探測器的建設(shè)，因此可以共享大型強子對撞機(jī)數(shù)據(jù)。大型強子對撞機(jī)實驗每年產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量高達(dá)幾百億MB，上傳給大型強子對撞機(jī)的全球計算資源網(wǎng)絡(luò)——大型強子對撞機(jī)計算網(wǎng)格的集線中心。網(wǎng)格系統(tǒng)能夠綜合利用網(wǎng)格上所有計算中心的超級計算能力和海量儲存系統(tǒng)。用戶只需從當(dāng)?shù)匮芯克卿浘W(wǎng)絡(luò)，即可利用網(wǎng)絡(luò)的處理能力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。海量數(shù)據(jù)的分析主要依靠高性能計算能力和研究團(tuán)隊的水平，高能所已經(jīng)具備從網(wǎng)絡(luò)上獲取海量信息和進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的能力。國內(nèi)的許多大學(xué)也組織了大型強子對撞機(jī)數(shù)據(jù)分析團(tuán)隊。

企圖揭示宇宙起源

通過模擬宇宙起源的“大爆炸”，強子沖撞器將被當(dāng)做“試管中的宇宙”供科學(xué)家研究亞原子微粒的一系列運動和能量變化，這將極大地推動由愛因斯坦等20世紀(jì)的物理學(xué)巨匠的研究?？茖W(xué)家希望這些撞擊事件將告訴我們更多有關(guān)宇宙是如何起源的以及宇宙由什么組成的內(nèi)容。

大型強子對撞機(jī)是至今建成的最艱巨最強大的粒子加速器。來自幾十個國家的數(shù)千名科學(xué)家一直為它在努力工作，以競相獲得新的發(fā)現(xiàn)。大型強子對撞機(jī)圓周六處位置可以收集來自不同實驗的數(shù)據(jù)。設(shè)備周身布滿了教堂大小的針狀巨型探測器，其中一些實驗會彼此重疊，科學(xué)家將盡力首次揭開一些重要的新信息。

大型強子對撞機(jī)在使用過程中能使質(zhì)子對撞達(dá)到無可企及的高能狀態(tài)，在一個微小空間產(chǎn)生短暫的達(dá)到太陽溫度10萬倍的高溫，這一能量可創(chuàng)造出與宇宙大爆炸萬億分之一秒時類似的狀態(tài)，其碰撞之后的產(chǎn)物正是物理學(xué)家尋覓物質(zhì)起源的依據(jù)，即是一種實驗室里的重現(xiàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言，現(xiàn)在還存在著最后一種沒有被發(fā)現(xiàn)的粒子——希格斯粒子。

希格斯粒子或稱希格斯玻色子、希格斯子，是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的一種粒子，它可以解釋為什么質(zhì)子、中子和其他物質(zhì)會擁有質(zhì)量。按照標(biāo)準(zhǔn)模型的假設(shè)，希格斯粒子是物質(zhì)的質(zhì)量之源，其他粒子在希格斯粒子構(gòu)成的“海洋”中游弋，受到希格斯粒子的作用而產(chǎn)生慣性，這才擁有了質(zhì)量。在這一基礎(chǔ)上，所有的粒子相互作用，統(tǒng)一于標(biāo)準(zhǔn)模型之下，構(gòu)筑出大千世界。所以，上帝創(chuàng)造了萬物，而構(gòu)建起萬物質(zhì)量的基石——希格斯粒子，也就被人們稱為“上帝粒子”。

這臺對撞機(jī)可能能夠發(fā)現(xiàn)宇宙的組成。我們周圍能被我們認(rèn)知的普通的“東西”，像水分子、碳分子、氧原子以及其余組成我們?nèi)梭w、地球和宇宙的這些物質(zhì)，其實只占組成宇宙的基本元素中的一小部分。天文學(xué)家可能知道一些其他物質(zhì)，它們遍布在宇宙中的每一個角落，它們的引力會微妙地改變星系中的物體運動。人們不知道這些到底是什么物質(zhì)，只能稱之為“暗物質(zhì)”。

在宇宙誕生的第一時刻，物質(zhì)和能量是成雙成對的。就在物質(zhì)和能量彼此分開之后，物質(zhì)與反物質(zhì)粒子才彼此湮滅。如果物質(zhì)和反物質(zhì)等量，這二種類型的粒子就會彼此消滅。但幸運的是，我們宇宙中物質(zhì)還是比反物質(zhì)多了一點?？茖W(xué)家希望他們能在大型強子對撞機(jī)撞擊事件中觀察到反物質(zhì)。這或許能幫助我們了解當(dāng)宇宙誕生時為何物質(zhì)與反物質(zhì)的數(shù)量存在微小的差別。

大型強子對撞機(jī)可能產(chǎn)生的另一種理論粒子是磁單極子，它是只有一個磁極而不是通常的二個磁極的一種假想的粒子。瓦格納和山其歐提出的擔(dān)憂就是這種粒子。它們能通過其不均衡的磁荷將物質(zhì)分開。事實上，至少有一支科學(xué)家小組正在積極尋找磁單極子的證據(jù)，希望大型強子對撞機(jī)會產(chǎn)生一些。

運行壓力大

自大型強子對撞機(jī)建立之初，反對的聲音就一直沒有平息過。自從1994年大型強子對撞機(jī)的設(shè)想被提出以來，始終有一小部分悲觀派認(rèn)為，這種復(fù)制137億年前宇宙起源環(huán)境的行為有可能會導(dǎo)致一場無法遏制的災(zāi)難，盡管這種情況出現(xiàn)的概率極低，但風(fēng)險是客觀存在的。美國的二名科學(xué)家瓦格納和桑科曾于2008年3月21日在檀香山聯(lián)邦地方法院提起訴訟，他們認(rèn)為大型強子對撞機(jī)的啟用有可能創(chuàng)造出一個迷你黑洞，某些人士因此擔(dān)心這些黑洞可能會進(jìn)一步吸入周圍的物質(zhì)，越長越大，對地球構(gòu)成威脅。但科學(xué)家解釋，這樣的黑洞很小，按照霍金提出的黑洞理論，這些黑洞應(yīng)該迅速蒸發(fā)而消失，并不會造成任何危險。實際上，這些對撞機(jī)根本達(dá)不到形成黑洞所要求的能量規(guī)模，這里差著不知多少個數(shù)量級。

更奇異的是，他們認(rèn)為沖撞也可能將導(dǎo)致宇宙的空間和時間維度產(chǎn)生一個災(zāi)難性的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，像扎破的氣球般瞬間將地球整個撕裂。這個科學(xué)家群體由一位名為奧托的德國化學(xué)家牽頭，他們認(rèn)為，根據(jù)歐洲人權(quán)協(xié)定，大型強子對撞機(jī)的啟用將侵害生命權(quán)和家庭生活權(quán)。還有一種觀點認(rèn)為，大型強子對撞機(jī)將產(chǎn)生一類名為“奇異微子”的粒子，將地球變成一團(tuán)沉寂、收縮的“奇異物質(zhì)”。

面對種種不同的聲音，歐洲核子研究組織的科學(xué)家仍然滿懷信心，研發(fā)的腳步雖幾次受阻但從未曾停滯。歐洲核子研究組織的科學(xué)家實際上已經(jīng)進(jìn)行了一系列安全性檢查工作，并宣稱大型強子對撞機(jī)實驗并不存在任何可測量的風(fēng)險。而對那些撞擊實驗將導(dǎo)致世界末日的觀點，科學(xué)家也承認(rèn)大型強子對撞機(jī)能產(chǎn)生黑洞，但他們表示這些黑洞是亞原子級別的，且馬上會崩潰。而天文學(xué)家研究的黑洞是整個恒星本身坍塌形成的，二者之間大有不同。最有力的反駁就是宇宙射線時時刻刻都在以遠(yuǎn)大于實驗所產(chǎn)生的能量撞擊地球表面。

另一個擔(dān)憂是大型強子對撞機(jī)將產(chǎn)生奇異物質(zhì)，叫“奇異子”。奇異子的一個可能的特性就是特別令人不安。宇宙學(xué)家理論認(rèn)為奇異子擁有強大引力場，能讓它們將整個行星變?yōu)闊o生命的廢物?？茖W(xué)家多個方面來解除這種擔(dān)憂。首先，他們指出奇異子是假設(shè)的，沒有人在宇宙中觀察到這種物質(zhì)。其二，這些物質(zhì)周圍的電磁場會排斥正常物質(zhì)而不是將它變成其他東西。第三，他們表示即使有這種物質(zhì)存在，它們也會高度不穩(wěn)定，會瞬間衰變。第四，科學(xué)家表示高能量宇宙射線會自然產(chǎn)生這種物質(zhì)。由于地球是圓的，因此他們理論認(rèn)為奇異子將對地球無可奈何。

實際上，歐洲核子研究組織的科學(xué)家擔(dān)心的不是世界末日，而是目前的大型強子對撞機(jī)還不夠大，還不能使粒子釋放足夠能量，以完成實驗。這樣的話，他們將不得不花費更高昂的價格造一個更大的家伙。如果設(shè)備真的出現(xiàn)了問題，抑或是科學(xué)家的模型根本就是錯誤的，那么盡管已投入巨資，但實驗不得不推倒重來。這將不是世界末日，而是物理學(xué)的災(zāi)難。

有學(xué)者創(chuàng)建了粒子模型試圖證明：大型強子對撞機(jī)運轉(zhuǎn)的結(jié)果只能為空。大型強子對撞機(jī)不會找到希格斯粒子，頂多只能停留在上一代超質(zhì)子同步加速器的水平；夸克與輕子能且只能分為三代，大型強子對撞機(jī)不會對此有所突破，對標(biāo)準(zhǔn)模型的完善亦毫無意義；也許束流對撞的結(jié)果會產(chǎn)生不同的物質(zhì)，但如果說這就與宇宙的形成有關(guān)，未免過于虛幻，想從中知道物質(zhì)的起源更顯得荒謬。

但科學(xué)界普遍持看好的態(tài)度，紛紛將其評為2008年最受關(guān)注的科研事件之首。其意義正如《科學(xué)》雜志所評價的：“即使大型強子對撞機(jī)只能貢獻(xiàn)少量科研數(shù)據(jù)，那也足以被視為重大進(jìn)展?！?/p>