話說大型強子對撞機

云　帆

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

“宇宙大爆炸”是怎么回事?

德國哲學家康德說：“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。”深邃浩瀚的宇宙，引起人類好奇求知，喚醒人類美感追求，激發人類詩意靈感，誘導人類哲學思考。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。

現代宇宙學于20世紀初誕生。1917年，愛因斯坦在廣義相對論的方程中，有意加了一個“宇宙常數”，于是得出結論：“宇宙是靜態的”，既不膨脹，也不收縮。這個“靜態宇宙模型”，既是現代宇宙學的發軔，也是令愛因斯坦懊悔的“一生最大錯誤”。

1922年，蘇聯數學家、物理學家阿列克謝·弗里德曼(1888～1925)，同樣是根據廣義相對論進行研究，得出相反的結論：宇宙或是膨脹，或是收縮，宇宙是動態的。1929年，哈勃觀測發現星系退行速度與距離成正比，為宇宙膨脹的觀點提供了支持。遺憾的是，弗里德曼已經在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，美國科學家伽莫夫、阿爾法發表論文，發展了勒梅特的理論，為熱大爆炸宇宙學奠定了基礎。20世紀前半期的宇宙觀的變革，精彩而富有啟發。

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

伽莫夫、阿爾法的理論發表之后，因為缺乏觀測數據的支持，在很長時間內并沒有引起科學界的廣泛重視。

“宇宙大爆炸”有什么證據嗎?

1965年，美國貝爾實驗室的射電天文學家彭齊亞斯和威爾遜，在進行實驗的時候發現，總是存在一種本底噪聲的干擾，連續不斷的“絲絲聲”干擾了通信的正常進行。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”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的迪克請教。

發展科學需要實證精神。普林斯頓大學的迪克小組，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現的這種現象，迪克小組迅速認定，這就是他們苦苦尋覓許多年的宇宙微波背景!迪克還把伽莫夫預言的5K修正為3K。

1978年，彭齊亞斯和威爾遜因“發現宇宙微波背景輻射”，分享了諾貝爾物理學獎的一半(另外一半，頒發給蘇聯低溫物理學家卡皮查)。人們打趣道，他們是“鏟除了一堆鳥糞，發現了一把黃金。”歷史也不會忘記迪克小組的貢獻。

3K宇宙背景輻射的發現，是熱大爆炸宇宙學取得的一個重大勝利。人們進而思考這樣一個問題：在大爆炸過程中什么時候、為什么會發生物質結團的現象，演變成今日這個物質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，就提出利用衛星研究宇宙背景輻射的設想。他終于盼到1989年11月18日，美國發射了宇宙背景探索者衛星COBE。1992年4月23日，當時就職于美國加州大學勞倫斯·伯克利分校的喬治·斯穆特宣布，利用COBE發現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五。這個數據與宇宙結構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，物質的分布并不均勻。物質密度高的區域，對周圍物質的吸引力大，能夠把周圍物質吸引過來，使得這個區域的物質密度變得更高，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獎。COBE是宇宙學發展成精確科學的里程碑。

繼COBE之后，美國在2001年發射了第二代宇宙微波背景探測衛星WMAP。WMAP與COBE的觀測任務基本相同，但是WMAP的分辨率和靈敏度高得多：WMAP的空間分辨率達到0.2度，而COBE僅為7度。WMAP的重大貢獻，不是獲得了什么新的發現，而是大大提高了觀測數據的精度。根據幾年來WMAP的觀測數據，科學家得出許多重要的結果：宇宙是平的(精度高達1％)；宇宙的年齡是137，億歲；原子誕生在宇宙37.6萬歲的時候；宇宙空間可見物質、暗物質、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，現在說宇宙的年齡是137億歲。

強子對撞機是做什么的?

談論粒子物理學之前，讓我們簡要回顧人類探索物質結構的歷史。直到19世紀末，人們仍然認為，原子是不可再分的最小的物質單元。20世紀初，人們的知識深入到原子內部：原子有一個帶正電、位于中心的原子核，原子核外面有電子云。1930年代，人類對物質結構的認識，更跨入原子核的內部：原子核是由質子和中子組成的。

科學家提出一個新的問題：質子和中子，又是由什么組成的?1970年代建立的“標準模型”提出，構成物質的最小單元是夸克和輕子，物質是由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，個個看上去都很陌生，都很難接受。你不必緊張：不僅你對這些粒子犯難，連著名的物理學家費米都表示，他也記不住這么多粒子。有一次，學生問他某個粒子的名稱，他幽默地回答道：“如果我記得這么多粒子，我早就去當植物學家了!”

有一個辦法，可以簡化記

憶、提高興趣。那就是“貼近實際、貼近生活”。我舉幾個大家看得見、摸得著的實際例子，你就不會覺得夸克和輕子復雜玄奧、難以企及了。我要跟你說，雖然輕子有6種、夸克也有6種，我們日常生活中打交道的物質卻沒那么復雜，它們都是由電子和上、下夸克組成的。例如，質子是由2個上夸克、1個下夸克組成的；中子是由2個下夸克、1個上夸克組成的。你看，一旦接觸生活實際，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。現在，你明白了，構成我們身邊的物質的最小單元，不是原子；也不是電子、質子、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驗中才能出現。實際上這就是說，粒子對撞機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造，就把兩個核桃對撞。外皮被打碎，就取出了里面的果肉。粒子對撞機也是這個道理。這就是為什么有人把各種粒子對撞機形象地稱為“原子粉碎機”。粒子物理學家借助大型研究設備——正負電子對撞機、質子一反質子對撞機、大型強子對撞機，探究物、質結構，模擬宇宙形成之初的情形，以了解宇宙起源與演化。

在歐洲大型強子對撞機運行之前，美國費米實驗室的質子－反質子對撞機，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，加速器將質子和反質子分別加速，在它們的能量各自達到上萬億電子伏特時，讓它們發生對撞。以接近光速的速度飛行的質子、反質子發生對撞，能夠把質子撞碎。1995年，費米實驗室宣布發現了頂夸克。至此，3對夸克均已經被發現。

熱大爆炸宇宙學認為早期宇宙處于超高能、超高溫狀態。例如，在夸克－膠子等離子體階段，溫度高達1千萬億K，粒子的平均能量達1萬億電子伏特。科學家借助高能粒子對撞再現宇宙大爆炸。對撞機加速器能量越高，實驗所對應的宇宙大爆炸時間就越早。這就是為什么，有了費米實驗室的質子一反質子對撞機(能量為1萬億電子伏特)，還要建造大型強子對撞機。大型強子對撞機可以使質子在14萬億電子伏特能量下對撞，質子中的基本粒子的對撞能量能達到幾萬億電子伏特。

大型強子對撞機肩負什么任務?

能量為14萬億電子伏特的歐洲大型強子對撞機，是全世界粒子物理學家翹首以盼的巨型實驗設備。什么是強子?“強子”本指“參與強力作用的粒子”，，包括重子和介子。又出現這么多術語、概念，實在難為了讀者，還是說大家熟悉的東西為好。原子核內的粒子，如質子、中子，都屬于強子。在“大型強子對撞機”中，“強子”指的就是質子。大型強子對撞機把反向運動的兩束質子分別加速，再讓它們對撞。加速環長度為27千米。在大型強子對撞機加速器環內，質子被加速，最終達到每秒轉11000圈的速度。每圈是27千米，11000圈就是297000千米。就是說質子的速度，達到了光速的99％。

歐洲核子中心的科學家于1984年就提出了大型強子對撞機項目構想。這個世界最大的加速器于2003年開工建設，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，大型強子對撞機啟動。20日，發生液態氦泄漏事故。23日，歐洲核子中心的發言人表示，由于維修需時太長，對撞機預計到明年春天才能恢復運行。即將到來的這個冬天，我們會覺得它很漫長。

大型強子對撞機肩負什么任務?它將直面五大科學問題：

首先，物體的質量是從哪里來的?標準模型預言的粒子，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”彌漫物質相互作用，就形成了它們的質量。另外四個問題是：

一，占宇宙95.4％的暗物質和暗能量，是由什么構成的?

二，宇宙大爆炸產生了相同數量的物質和反物質，但是，為什么在宇宙空間迄今找不到反物質?

三，大爆炸發生后，原始宇宙形態什么樣?

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，他們建造大型強子對撞機，是要探索宇宙本質和物質本源。小到微觀粒子——探索物質本源，大到宇宙現象——探索宇宙本質，都包容在一臺對撞機的實驗中了。人們對客觀世界如此廣泛的研究，在這里匯合起來；人們對大小兩個宇宙的認識，在這里融會貫通。科學是不是很有趣，很美妙、美麗、美好?

責任編輯蒲暉