用小試驗(yàn)追溯大秘密

梁坤

在浩淼的宇宙深處，到底還隱藏著多少不為我們所知的秘密，幾十年來(lái)，世界各地的科學(xué)家都希望能夠更清晰地認(rèn)識(shí)宇宙。而隨著試驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)除了通過(guò)發(fā)射太空探測(cè)器來(lái)研究宇宙之外，開(kāi)始更多地在實(shí)驗(yàn)室通過(guò)科學(xué)儀器來(lái)模擬和探測(cè)宇宙深處。

美國(guó)SLAC實(shí)驗(yàn)室的三項(xiàng)試驗(yàn)

浩瀚的宇宙中分布著表面帶有猛烈撞擊疤痕的各種天體，明亮恒星上發(fā)生的核聚變反應(yīng)可產(chǎn)生巨大的能量；大規(guī)模的爆炸將物質(zhì)拋向遠(yuǎn)處。為了研究上述現(xiàn)象，美國(guó)能源部SLAC國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的研究人員們進(jìn)行了復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)重建了小規(guī)模的宇宙環(huán)境。SLAC高能量密度科學(xué)部長(zhǎng)西格弗里德·倫茨（Siegfried Glenzer）表示，一系列技術(shù)突破帶來(lái)了實(shí)驗(yàn)室天體物理學(xué)領(lǐng)域的迅速發(fā)展。

該實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)擁有可制造物質(zhì)極端狀態(tài)的高功率激光器、可在原子層面分析這些狀態(tài)的最前沿的X射線源和能夠進(jìn)行復(fù)雜模擬幫助解釋實(shí)驗(yàn)的高性能超級(jí)計(jì)算機(jī)。高壓能使碳的一種柔軟形態(tài)——石墨轉(zhuǎn)化為碳的堅(jiān)硬形態(tài)——金剛石。同樣的現(xiàn)象在流星撞擊地面石墨時(shí)也會(huì)發(fā)生嗎？科學(xué)家們的預(yù)測(cè)是肯定的，事實(shí)上可能會(huì)產(chǎn)生一種名為六方金剛石的物質(zhì)，它比普通的金剛石更加堅(jiān)硬。

研究人員使用能夠發(fā)出震蕩波的強(qiáng)大的激光脈沖對(duì)石墨表面進(jìn)行加熱，通過(guò)使用直線加速器連貫光源（LCLS）照射樣品，使研究人員能夠觀察到震蕩改變石墨原子結(jié)構(gòu)的過(guò)程。觀察結(jié)果證實(shí)了科學(xué)家們的上述猜想，他們表示，對(duì)地面上的六方金剛石（藍(lán)絲黛爾石）進(jìn)行追蹤有助于確認(rèn)流星撞擊處。

第二項(xiàng)研究圍繞著巨大氣體行星內(nèi)發(fā)生的特殊轉(zhuǎn)變，例如內(nèi)部充滿(mǎn)液態(tài)氫的木星，在高壓高溫條件下，這種物質(zhì)從“常規(guī)”的電絕緣狀態(tài)轉(zhuǎn)變成了金屬導(dǎo)電狀態(tài)。倫茨表示，對(duì)這一過(guò)程的研究為行星形成和太陽(yáng)系演化提供了新的認(rèn)識(shí)。他和同事們使用高能Janus激光器對(duì)液態(tài)氘（重氫）迅速擠壓加熱，同時(shí)制造X射線噴射以觀察樣本后續(xù)的結(jié)構(gòu)變化。在250000個(gè)大氣壓和7000華氏度的條件下，氘從一種中性的絕緣流體轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N電離金屬。

第三項(xiàng)研究是關(guān)于等離子體這種宇宙加速器的，科學(xué)家們認(rèn)為磁重聯(lián)是其背后的主要驅(qū)動(dòng)力；磁重聯(lián)是一種磁力線在等離子體中斷裂并以不同方式重新連接的過(guò)程?？茖W(xué)家們對(duì)此也進(jìn)行了大量的計(jì)算機(jī)模擬和計(jì)算，為研究粒子從磁重聯(lián)中獲取能量的過(guò)程做了鋪墊。

歐洲LHC準(zhǔn)備新的對(duì)撞試驗(yàn)

歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）目前也正準(zhǔn)備粒子對(duì)撞的另一個(gè)試驗(yàn)，來(lái)揭開(kāi)宇宙的奧秘。這些碰撞是大爆炸的迷你版本，有助于發(fā)現(xiàn)全新的粒子，這將顛覆我們對(duì)物理的理解。自從去年12月份兩個(gè)單獨(dú)的LHC探測(cè)器出現(xiàn)了新粒子的早期跡象，科學(xué)家們已對(duì)這一可能性感到興奮。他們表示這將超越他們于2012年發(fā)現(xiàn)的希格斯玻色子。理論物理學(xué)家薩巴·薩齊表示如果這是真的，這可能是他職業(yè)生涯中所看到的最令人激動(dòng)的事情，比發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子本身更令人興奮。

歐洲核子研究中心的設(shè)施以系列加速器為特色，其中最大的是LHC，建立在一個(gè)17多英里（27千米）長(zhǎng)的隧道里。成千上萬(wàn)的科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員花了幾十年來(lái)規(guī)劃和建設(shè)的機(jī)器。這臺(tái)機(jī)器被安置于法國(guó)和瑞士的邊界地下，并已取得了一些重大發(fā)現(xiàn)。2012年，歐洲核子研究中心的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子?！跋８袼埂睔⑦M(jìn)了物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，它的目的是解釋宇宙是如何在在無(wú)窮小的水平上構(gòu)造的。上個(gè)月，他們宣布發(fā)現(xiàn)了一種新的粒子，稱(chēng)為五夸克態(tài)類(lèi)。

科學(xué)家現(xiàn)在想讓更多的光照在“暗物質(zhì)”上。他們也希望能揭示關(guān)于超對(duì)稱(chēng)性的新細(xì)節(jié)。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型無(wú)法解釋?zhuān)拇嬖诳赡軙?huì)導(dǎo)致一個(gè)全新的粒子集的發(fā)現(xiàn)，甚至可能是第五種基本力。約翰·愛(ài)樂(lè)斯教授表示如果它真的存在，這將是完全超越標(biāo)準(zhǔn)模型的東西，是一組大的全新粒子的冰山一角。2015年12月，Cern的兩探測(cè)器，ATLAS和CMS正在尋找新物理，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)潛在的新粒子。Cern官方表示這個(gè)神秘粒子將比頂夸克重將近4倍，比希格斯重6倍。

科學(xué)家表示如果上述結(jié)果得到證實(shí)，這可能有助于闡明謎團(tuán)，或它可以向引力子發(fā)射信號(hào)。但仍有許多不明原因，物理學(xué)家表示新粒子的發(fā)現(xiàn)，無(wú)論今年還是以后，碰撞變得越來(lái)越強(qiáng)大可能是不可避免的。阿特拉斯團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人達(dá)夫·卡爾頓表示去年12月的結(jié)果可能只是一個(gè)“波動(dòng)”，在這種情況下對(duì)科學(xué)來(lái)說(shuō)真的不算任何結(jié)果。

歐洲核子研究中心的科學(xué)家現(xiàn)正在做安全測(cè)試，在大束的粒子砰擊在一起之前擦凈對(duì)撞隧道，希望能生產(chǎn)出足夠的數(shù)據(jù)來(lái)來(lái)明確這一奧秘。該設(shè)施面臨一系列的障礙，上星期五它因?yàn)橐恢稽S鼠狼的破壞而暫停工作。

盡管面臨挑戰(zhàn)，LHC最近幾年前所未有的力量已經(jīng)顛覆了物理學(xué)。無(wú)論發(fā)生什么，實(shí)驗(yàn)家和理論家都同意由于高強(qiáng)度碰撞帶來(lái)的大量數(shù)據(jù)，2016將是令人興奮的一年。在能源方面，LHC將接近全油門(mén)。但伊薩卡康奈爾大學(xué)的理論家Csaki表示初步的研究結(jié)果還沒(méi)有資格被稱(chēng)為新發(fā)現(xiàn)。