粒子對撞機與宇宙大爆炸

9月10日，歐洲核子研究中心的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。

以前，人們認為宇宙是靜止的。20世紀20年代，科學家發(fā)現(xiàn)宇宙正在膨脹。30年代，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(fā)表論文，發(fā)展了勒梅特的理論，為熱大爆炸宇宙學奠定了基礎。20世紀前半期的觀念變革，精彩而富有啟發(fā)。熱大爆炸宇宙學主要說了些什么呢？

在早期，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(guī)模巨大的“熱大爆炸”。

人類對物質結構的探索沒有止境。“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。然而在實際生活中，我們就只會遇到兩種夸克——上夸克和下夸克。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(xiàn)。這就是說，粒子對撞機能夠模擬宇宙大爆炸之初的狀況。

日常生活里，我們要想知道核桃里面的構造，就把兩個核桃對撞，把它們打碎。外皮打碎了，就看見了果肉。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”。

利用高能加速器，把兩束粒子加速到接近光速，然后令它們對撞，檢測對撞時發(fā)生的現(xiàn)象，科學家可以得到對物質結構的許多新認識，這就是粒子對撞機的主要工作機理。粒子對撞機有很多種，如正負電子對撞機、質子-反質子對撞機、質子-質子對撞機等。在“大型強子對撞機”一詞中，“強子”指的就是質子。

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（1萬億電子伏特）的加速器。就是說，加速器將質子和反質子分別反向加速，在它們的能量各自達到上萬億電子伏特時，讓它們發(fā)生對撞。質子被撞碎，科學家就能發(fā)現(xiàn)組成質子的更深層次的粒子。1995年，費米實驗室宣布，在對撞實驗中發(fā)現(xiàn)了頂夸克。到那一年，理論預示的3對夸克均被發(fā)現(xiàn)了。

人類的視野，最微小的叫微觀，最宏大的叫宇觀。小到粒子尺度，大到宇宙現(xiàn)象，微觀和宇觀都被科學家包容在一臺對撞機中。人們對客觀世界如此廣泛的探索，在這里匯合起來；人們對最大最小兩個宇宙的認識，在這里融會貫通。科學，美麗復美妙；科學，悅目且賞心。