通往１３７億年前的粒子跑道

蔡如鵬

誰說物理學一定枯燥乏味，有時它也充滿懸念，甚至令人膽戰心驚

9月10日，歐洲核子研究中心(CERN)啟動了“大型強子對撞機(LHC)”，將第一束粒子流注入加速器，拉開了歷史上規模最大的物理實驗的大幕。CERN建造這臺對撞機的目的，是讓質子在接近光速的速度下發生碰撞。然后，觀察質子碰撞后的殘余，找到以前未曾發現過的粒子、其他維度的空間、暗物質存在的證據，以及希格斯玻色子——一種物理學家認為是其他粒子構成基礎的神秘物質。

物理學家們相信，這將有助于解決長期以來人類對宇宙的很多疑問。比如物質質量的來源、宇宙的起源等。

LHC之所以被物理學家寄予厚望，是因為它是迄今為止世界上威力最大的粒子加速器，可以賦予質子前所未有的能量。物理學家相信，只有在這種能量下，質子才會徹底粉碎，向世人展示它內部的秘密。

在過去的二十多年，關于質子撞擊會產生哪些未知粒子，物理學家做出過幾種不同版本的預言。但這些都沒有得到證實，原因正是缺少一臺威力巨大的質子加速器。

這次嘗試可謂“不成功則成仁”。如果實驗中任何一種預言得到證實，物理學將由此進入“黃金時代”；如果失敗，物理學家將不得不面對新一輪的沉寂。

在物理學家內部，盡管大部分人都確信，LHC不會讓他們失望，但對于它最終會證實哪種預言，仍存在分歧。物理學家霍金為此還下了100美元的賭注。

然而，在那些對LHC持反對意見的批評人士看來，這里最大的賭局是全人類的安危——他們擔心，這項實驗可能會引發黑洞，從而吞噬整個地球。

霍金曾預言，當帶有巨大能量的質子相互碰撞時，可能會產生微型黑洞。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吸進去，甚至連光也無法逃逸其引力范圍。

但至今為止，物理學家都沒有觀察到微型黑洞，無法證實它是否真的存在。霍金認為這是因為微型黑洞的質量太小(只有10微克左右)，非常不穩定，在瞬間就會因輻射而消失，因此不會產生災難性的后果。不過，這也有待證實。

LHC啟動后55分鐘，第一束質子流就沿順時針方向貫穿了整個對撞機。5個小時后，第二束質子流也沿逆時針方向走完了全程。這為最終實現兩束反向運動的質子流碰撞掃清了障礙。

LHC項目主任林恩?埃萬斯說，第一次碰撞預計在年底前實現。在此之前，他們還需要數月的時間反復調試質子流運動的軌跡，使其能夠在預定的位置準確相撞。

這個過程很難。因為，要讓半徑僅10-15米的兩個質子在半徑3厘米的真空管中相撞，難度比兩顆子彈在太陽中相撞還難。

一旦撞擊成功，很可能會重現137億年前宇宙大爆炸后第一瞬間的景象。物理學家推測，在那一瞬間，由于巨大的沖擊力，質子完全處于粉碎的狀態，整個空間彌漫著猛烈無比的“粒子濃湯”。

天生的“發現機器”？

建造LHC的構想，最初產生于1984年。

這個項目由CERN的20多個成員國負責建設，吸引了全球80多個國家和地區的近2000多名物理學家參與。

CERN坐落在法國與瑞士交界的日內瓦湖附近。LHC就安裝在那里一個地下100米深、27公里長的環形隧道內。之所以要在地下建隧道，主要是為了避免使用昂貴的土地，同時也有效地屏蔽了加速器束流運行時產生的放射性。

在LHC對應的地面上，是CERN的辦公樓、實驗室和居民區。

安裝LHC的隧道并不是新建的，之前里面有一個大型的正負電子對撞機(用于粉碎電子，而不是質子)。

建造LHC前后用了10年時間，設備總重量達37600噸，其中有9300塊磁鐵。不算挖隧道的費用，僅機器本身的投入(接近50億美元)就可以建至少10個“鳥巢”。

建成后的LHC不僅是世界最大的粒子加速器，同時也是世界最大的機器。

它的耗電量相當于整個日內瓦市全城的用電量。在一年5億歐元的預算中，相當一部分要用于支付電費。

一旦LHC“開足馬力”，能把數以百萬計的質子加速至將近每秒鐘30萬公里，是光速的99.99%。質子流每秒可在隧道內狂飆11245圈，單束質子流能量可達7萬億電子伏特——約相等于一列高速列車的能量。

運行方向相反的兩束高速質子流一旦對撞，碰撞點將產生極端高溫，最高可達到太陽中心溫度的10萬倍。

物理學家們相信，當兩束總能量達到14萬億電子伏特的質子束“迎頭相撞”時，從未見過的粒子將會出現。上一次，他們通過對撞發現新粒子——W和Z玻色子——還是在1983年。此后25年，物理學家沒有再發現過新的粒子。這也正是他們破釜沉舟建造LHC的原因所在。

中國科學院高能物理所李海波研究員對《中國新聞周刊》說，自從1919年盧瑟福用天然放射源轟擊氮原子發現質子后，粒子撞擊實驗就成為物理學家探索物質內部結構的有力武器。

“從這個意義上說，粒子對撞機就好比物理學家的顯微鏡。”物理學家克林斯說，“而LHC無疑是有史以來尺寸最大、功能最強的顯微鏡。”

“LHC天生就是個發現機器。”CERN中心主任、法國物理學家羅貝爾?艾馬說。

為了尋找希格斯玻色子和其他新粒子，CERN的科學家建造了4個地下觀測器，記錄撞擊時景象。

其中一個名為Atlas的觀測器，是一個七層樓高的圓柱體，由鋼鐵、充氣鋁管、液態氬和光纖制成，重量為7000噸，與法國艾菲爾鐵塔的重量不相上下。

如果物理學家未能在實驗中找到游離的希格斯玻色子，那可能意味著他們在錯誤的道路上浪費了數十年的大好時光。在過去的數十年，物理學家一直構建的標準模型，希望把已經發現的粒子整齊劃一地歸類。現在，他們離這個目標就差一步——找到希格斯玻色子。

標準模型是一套描述強作用力、弱作用力、電磁力這3種基本力以及組成所有物質的基本粒子的理論。它把基本粒子(構成物質的亞原子結構)分成三大類：夸克、輕子與玻色子。

標準模型的出現，使得各種粒子如萬鳥歸林般擁有了一個共同的“家園”，非常之完美。然而，這種完美有個致命的缺陷，那就是該模型預測出的粒子沒有任何差別并且質量都為零。

1964年，英國物理學家彼得?希格斯預言存在一種希格斯玻色子，其他粒子都在其構成的“海洋”中游弋，受其作用而產生慣性，最終才有了質量。

希格斯玻色子不僅能夠解釋物質質量之源，而且能完美地支撐起整個標準模型的理論大廈。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家李?斯莫林說：“否則的話，我們就一直在錯誤的理論根基上原地踏步。”

“這是解開宇宙構成秘密的一個關鍵所在。”美國費米國家實驗室的理論物理學家約瑟夫?里肯教授說道。

在LHC建成之前，世界上最大的粒子對撞機位于費米國家實驗室。它的加速軌道長3公里，撞擊時產生的最大能量是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。但也有一些人認為，這未必不是一件好事。里肯說，那物理學家將不得不重新思考幾十年來被視為天經地義的各種問題，因為很多理論都是建立在標準模型之上的。

霍金的100美元

認為找不到希格斯玻色子未嘗不是一件好事的，還有英國物理學家霍金。

他在接受英國廣播公司的采訪時開玩笑說，“如果未能發現希格斯玻色子，會更加激動人心。那表明存在某些錯誤，我們得重新思考。”霍金說，他還與美國密歇根大學的高迪?凱恩教授以100美元為賭注打賭，認為LHC不會發現希格斯玻色子。

對于霍金的“挑釁”，44年前預言希格斯玻色子存在的希格斯非常生氣。9月10日，他在英國愛丁堡舉行的記者會上對霍金的上述言論進行了回擊。

希格斯說：“我必須承認直到現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，我認為這就是他得出上述結論的理論基礎。坦率地說，我認為他的研究方法不夠好。我的理解是，他將粒子物理學與引力理論以一種粒子物理學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于LHC更有可能找到“超伴子”的觀點。

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

除了“超伴子”之外，霍金還預言LHC可能會產生微型黑洞。“如果真的能發現微型黑洞進而驗證我的相關理論預言，無疑我將獲得諾貝爾獎。”霍金說。

不過，這需要他耐心等待。CERN的物理學家彼特?詹李說，LHC很可能不會立即給出這些問題的答案，“人們不應該想當然地認為偉大的事件即將發生。這臺對撞機將花上幾年甚至更長時間，才能發現希格斯粒子或其他新粒子。”

世界末日？

物理學家應用粒子加速器已經有30年的時間，迄今沒有發生過事故。但LHC因為其超大的規模和功率引起了人們的擔憂。

2008年初，一位科普作家和一位輻射安全專家向美國夏威夷地區法院和歐洲人權法院提起訴訟，要求制止物理學家啟動LHC，認為它可能引發一個災難性的黑洞或制造出“奇異物質”，這是一種理論假設中的致密物質，一旦形成，有可能引發連鎖反應，把地球變成一塊無生命的大石頭。

反對者中也不乏科學家。德國化學家奧托?勒斯勒爾教授就是LHC最堅決的反對者之一。他說:“CERN自己也曾承認，在粒子高速相撞時，可能會產生微型黑洞，但他們卻忽視了這一風險。”

16歲的印度女孩查雅由于擔心LHC啟動會帶來世界末日，9月10日當天更是喝農藥自殺。查雅的父親在接受印度當地電視臺采訪時自稱比哈里拉爾。他說，查雅之前“觀看了關于世界末日的新聞節目”。印度不少新聞頻道過去幾天一直在播放討論LHC實驗以及世界末日預言的節目。

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

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

李海波對《中國新聞周刊》說：“從地球誕生以來，已經發生過成千上萬次與LHC進行的實驗相等量的自然過程了——這個星球依然存在。”

有記者問霍金，這個人類有史以來最昂貴的實驗到底有什么意義呢？

他回答說:“LHC對人類至關重要——如果人類不想一代一代愚蠢下去并最終滅亡的話。這個項目的總費用不到全世界GDP的千分之一，如果連這點錢都不想付，我們就該愧對‘人類的稱呼了。”