生存還是毀滅？

坐落于瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心(又名歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室)，橫跨法國(guó)和瑞士的邊境。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一種將質(zhì)子加速對(duì)撞的高能物理設(shè)備，英文名稱(chēng)為L(zhǎng)HC(Large Hadron Collider)。它是一個(gè)圓形加速器，深埋于地下100米，它的環(huán)狀隧道有27公里長(zhǎng)，因此走完全程要花4個(gè)多小時(shí)。你可以將百慕大、摩納哥和4個(gè)梵蒂岡塞進(jìn)它所占的區(qū)域內(nèi)。2008年09月10日大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)正式投入使用，以下是有關(guān)這個(gè)巨無(wú)霸的簡(jiǎn)單介紹：

它有什么用途?

加深人類(lèi)對(duì)宇宙的了解。比如：宇宙的起源是什么?獲得新發(fā)現(xiàn)的科學(xué)家將帶頭研發(fā)相關(guān)的實(shí)際應(yīng)用，這就是為何數(shù)百名科學(xué)家和工程師建造此對(duì)撞機(jī)的原因。

它為什么這么大?

事實(shí)上，你應(yīng)該問(wèn)為什么它這么小，答案是為了節(jié)省成本。物理學(xué)家們沒(méi)有開(kāi)鑿一條昂貴的新隧道來(lái)容納新的對(duì)撞機(jī)，而是決定拆掉原來(lái)安置在歐洲原子核研究中心的正負(fù)電子加速器，代之以建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所需要的5萬(wàn)噸設(shè)備。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子束在環(huán)形隧道中沿著反方向運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，強(qiáng)大的電場(chǎng)使它們的能量急劇增加，這些粒子每運(yùn)行一圈，就會(huì)獲得更多的能量。要保持如此高能量的質(zhì)子束繼續(xù)運(yùn)行需要非常強(qiáng)大的磁場(chǎng)，這么強(qiáng)的磁場(chǎng)是由冷卻到接近絕對(duì)零度的超導(dǎo)電磁體產(chǎn)生的。

誰(shuí)在為它工作?

來(lái)自大約80個(gè)國(guó)家的600名科學(xué)家和工程師，其中包括20余名中國(guó)科學(xué)家。

成本

大約25億美元。

對(duì)撞機(jī)工作過(guò)程

啟動(dòng)后，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)將會(huì)以近光速的速度投放出質(zhì)子與離子束，并將讓此粒子束彼此撞擊，之后記錄此撞擊所發(fā)生的結(jié)果。

對(duì)撞機(jī)工作原理

簡(jiǎn)單地說(shuō)，你沿著2條路徑發(fā)出2束粒子，一束順時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)，另一束逆時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)。你將這兩束粒子加速至近光速，之后讓它們相向前進(jìn)，看看會(huì)發(fā)生什么。

首先科學(xué)家剝?nèi)湓拥碾娮右陨a(chǎn)出質(zhì)子來(lái)，之后這些質(zhì)子進(jìn)入LINAC2，將質(zhì)子束射向此加速器的機(jī)器叫“Ps Booster”。這些機(jī)器利用叫“射頻空腔”的裝置來(lái)加速這些質(zhì)子，這些空腔包含有射頻電場(chǎng)，能將質(zhì)子束提高到更快的速度。巨大磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)可以維持質(zhì)子束在軌道中正常行進(jìn)。以汽車(chē)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，此射頻空腔相當(dāng)于加速器。而磁鐵相當(dāng)于方向盤(pán)。

一旦質(zhì)子束到達(dá)適當(dāng)?shù)哪芰克剑琝"PS Booster”就會(huì)將它導(dǎo)入另一個(gè)加速器叫“超級(jí)質(zhì)子同步(SPS)”，讓質(zhì)子繼續(xù)加速前進(jìn)。至此，此質(zhì)子束已經(jīng)被分成了2，808束。每一束含有1.1x1011個(gè)質(zhì)子。

之后，“超級(jí)質(zhì)子同步(SPS)鏘質(zhì)子束導(dǎo)入大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，其中一束順時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)，另一束逆時(shí)針?lè)较蚯斑M(jìn)。在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里，質(zhì)子束將繼續(xù)加速前進(jìn)，大約20分鐘達(dá)到頂峰速度。在此頂峰速度下，此質(zhì)子束將每秒繞行大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)11，245周。

這兩柬質(zhì)子將會(huì)在大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)沿途6個(gè)探測(cè)器位置中的1個(gè)聚合。在此位置上，它們將每秒發(fā)生6億次撞擊。當(dāng)兩個(gè)質(zhì)子撞擊時(shí)，它們就會(huì)分裂成更小的粒子，包括亞原子粒子——夸克和緩和力——膠子(一種理論上假設(shè)的無(wú)質(zhì)量的粒子)。此外，它們還會(huì)產(chǎn)生光子、正電子和u介子。之后，探測(cè)器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)格計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

并非每一個(gè)質(zhì)子都會(huì)和另一個(gè)質(zhì)子發(fā)生撞擊。沒(méi)有發(fā)生撞擊的質(zhì)子將繼續(xù)在質(zhì)子束中運(yùn)行，進(jìn)入束流收集器。此束流收集器由石墨組成，將能吸收此質(zhì)子束，以防大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)里出現(xiàn)意外故障。

創(chuàng)造之最

世界最大粒子對(duì)擅機(jī)、世界上最大的機(jī)器

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的精確周長(zhǎng)是2.6659萬(wàn)米，內(nèi)部總共有9300個(gè)磁體。不僅大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是世界上最大的粒子加速器，而且僅它的制冷分配系統(tǒng)的八分之一。就稱(chēng)得上是世界上最大的制冷機(jī)。制冷分配系統(tǒng)在充滿近60噸液態(tài)氦，將所有磁體都冷卻到零下271.3攝氏度前，它將先利用1.008萬(wàn)噸液態(tài)氮將這些磁體的溫度降低到零下193.2攝氏度。

世界上最快的跑道

功率達(dá)到最大時(shí)，數(shù)萬(wàn)億個(gè)質(zhì)子將在大型強(qiáng)予對(duì)撞機(jī)周?chē)募铀倨鳝h(huán)內(nèi)以每秒1.1245萬(wàn)次的頻率急速穿行，它們的速度是光速的99.9999991％。兩束質(zhì)子束分別以70000億電子伏特的最大功率相向而行，在功率達(dá)到140000億電子伏特時(shí)發(fā)生碰撞，每秒總共能發(fā)生大約6億次撞擊。

太陽(yáng)系中的最空的空間

為了避免加速器中的粒子束與空氣分子相撞，這些粒子束在像行星間的空間一樣空蕩的超真空環(huán)境中穿行。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的內(nèi)壓是10的負(fù)13次方個(gè)大氣壓，比月球上的壓力小10倍。

銀河系中最熱的熱點(diǎn)，但比外太空要冷

大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)極熱和極冷的機(jī)器。當(dāng)兩束質(zhì)子束相撞時(shí)，它們將在一個(gè)極小的空間內(nèi)產(chǎn)生比太陽(yáng)中心熱10萬(wàn)倍的高溫。與之相比，促使超流體氦在加速器環(huán)周?chē)h(huán)的制冷分配系統(tǒng)，讓大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)保持在零下271.3攝氏度的超低溫環(huán)境下，這個(gè)溫度比外太空的溫度還低。

有史以來(lái)最大最先進(jìn)的探測(cè)器

為了抽樣檢查和記錄每秒多達(dá)6億次的質(zhì)子相撞結(jié)果，物理學(xué)家和工程師已經(jīng)制造了測(cè)量粒子的精確度是微米的龐大儀器。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的探測(cè)器擁有先進(jìn)的電子觸發(fā)系統(tǒng)，它測(cè)量粒子經(jīng)過(guò)時(shí)所用時(shí)間的精確度，大約是十億分之一秒。這個(gè)觸發(fā)系統(tǒng)在確定粒子的位置時(shí)，精確度可達(dá)百萬(wàn)分之一米。這種令人難以置信的快速和精確反應(yīng)，是確保一個(gè)探測(cè)器連續(xù)層內(nèi)記錄的粒子保持一致的基礎(chǔ)。

進(jìn)行安裝時(shí)電腦中心的場(chǎng)景，世界最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)

記錄大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)進(jìn)行的每項(xiàng)大試驗(yàn)的數(shù)據(jù)，每年大約足夠刻10億張雙面DVD光盤(pán)。據(jù)估計(jì)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的壽命是15年。為了讓世界各地的數(shù)千名科學(xué)家在未來(lái)15年內(nèi)通力合作，分析這些數(shù)據(jù)，分布在世界各地的好幾萬(wàn)臺(tái)電腦將利用一種被稱(chēng)作網(wǎng)格的分散式計(jì)算網(wǎng)實(shí)施研究工作。

世界各地的數(shù)千名科學(xué)家都希望了解并分析這些數(shù)據(jù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，目前歐洲粒子物理研究所(cERN)正在建一個(gè)分散的計(jì)算和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存設(shè)施——大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格(LCG)。大型強(qiáng)子對(duì)-撞機(jī)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，將通過(guò)歐洲粒子物理研究所記錄在磁帶進(jìn)行原始文件備份后，再分發(fā)到世界各地。經(jīng)過(guò)初始加工，這種數(shù)據(jù)將被傳送到可為大量數(shù)據(jù)提供充足儲(chǔ)存空間的一系列大型計(jì)算機(jī)中心，這些計(jì)算機(jī)中心一天二十四小時(shí)不停地為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格提供服務(wù)。

經(jīng)過(guò)這些計(jì)算機(jī)中心的處理，其他設(shè)備就可使用這些數(shù)據(jù)了，其他的設(shè)備每個(gè)都由一個(gè)或幾個(gè)實(shí)施特殊分析任務(wù)的聯(lián)合計(jì)算機(jī)中心組成。科學(xué)家可通過(guò)大學(xué)部門(mén)的局域網(wǎng)或個(gè)人電腦了解這些設(shè)備，他們可能會(huì)經(jīng)常查看大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)計(jì)算網(wǎng)格。

待解謎團(tuán)

過(guò)去幾十年來(lái)，物理學(xué)家不斷在細(xì)節(jié)上加深對(duì)構(gòu)成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深讓粒子物理學(xué)的“標(biāo)準(zhǔn)模型”變得更為豐滿，但這個(gè)模型中仍存在縫隙，以至于我們無(wú)法繪制一幅完整的圖畫(huà)。為了幫助科學(xué)家揭示粒子物理學(xué)上這些關(guān)鍵性的未解之謎，由于需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)便擔(dān)負(fù)起“數(shù)據(jù)提供者”的角色，這也是非常重要的一個(gè)步驟。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)能夠?qū)墒|(zhì)子加速到空前的能量狀態(tài)而后發(fā)生相撞，此時(shí)的撞擊可能帶來(lái)意想不到的結(jié)果，絕對(duì)是任何人都無(wú)法想象的。

牛頓未完成的工作——什么是質(zhì)量?

質(zhì)量的起源是什么?為什么微小粒予擁有質(zhì)量，而其它一些粒子卻沒(méi)有這種“待遇”?對(duì)于這些問(wèn)題，科學(xué)家到現(xiàn)在也沒(méi)有找到一個(gè)確切答案。最有可能的解釋似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希格斯玻色子是“標(biāo)準(zhǔn)模型”這一粒子物理學(xué)理論中最后一種尚未被發(fā)現(xiàn)的粒子，它的存在是整個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)模型”的基石。早在1964年，蘇格蘭物理學(xué)家彼得·希格斯便首次預(yù)言存在這種粒子。但迄今為止，科學(xué)家仍未見(jiàn)過(guò)它的廬山真面目。

一個(gè)“看不見(jiàn)”的問(wèn)題一96％的宇宙由什么構(gòu)成?

我們?cè)谟钪嬷锌吹降囊磺小獜男∥浵伒骄薮蟮男窍怠际怯善胀Ｗ訕?gòu)成的。這些粒子被統(tǒng)稱(chēng)為物質(zhì)，它們構(gòu)成了4％的宇宙。余下的部分據(jù)稱(chēng)由暗物質(zhì)——不發(fā)光的物質(zhì)和暗能量構(gòu)成，它們對(duì)于整個(gè)宇宙的構(gòu)成與運(yùn)行有著極其重要的作用，對(duì)它們進(jìn)行探測(cè)和研究的難度不可想象。研究暗物質(zhì)和暗能量的性質(zhì)是當(dāng)今粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)面臨的最大挑戰(zhàn)之一。

大自然的偏好——為什么找不到反物質(zhì)?

我們生活在一個(gè)由物質(zhì)構(gòu)成的世界，宇宙萬(wàn)物——包括我們?nèi)祟?lèi)在內(nèi)都是由物質(zhì)構(gòu)成的。反物質(zhì)就像物質(zhì)的一個(gè)孿生兄弟，但它卻攜帶相反電荷。在宇宙誕生時(shí)，“大爆炸”產(chǎn)生了相同數(shù)量的物質(zhì)和反物質(zhì)。然而，一旦這對(duì)孿生兄弟碰面，它們就會(huì)“同歸于盡”，并最終轉(zhuǎn)換成能量。不知何故，少量物質(zhì)幸存下來(lái)，并形成我們現(xiàn)在生活的宇宙，而它的孿生兄弟反物質(zhì)卻幾乎消失得無(wú)影無(wú)蹤。為什么大自然不能一碗水端平，平等對(duì)待這對(duì)孿生兄弟呢?

實(shí)驗(yàn)將尋找物質(zhì)與反物質(zhì)之間的差異，幫助解釋大自然為何如此偏向。此前的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)觀察到兩者之間的些許不同，但迄今為止的研究發(fā)現(xiàn)還不足以解釋宇宙中的物質(zhì)和暗物質(zhì)為何在數(shù)量上呈現(xiàn)出明顯的不均衡。

“大爆炸”的秘密——物質(zhì)在宇宙誕生后的第一秒呈什么狀態(tài)?

構(gòu)成宇宙萬(wàn)物的物質(zhì)據(jù)信來(lái)源于一系列密集而熾熱的基本粒子。現(xiàn)在宇宙中的普通物質(zhì)由原子構(gòu)成，原子擁有一個(gè)由質(zhì)子和中子構(gòu)成的核子，質(zhì)子和中子都是被稱(chēng)之為“膠子”的其它粒子束縛夸克形成的。這種束縛非常強(qiáng)大，但在最初的宇宙，由于溫度極高加之能量巨大，膠子很難將夸克結(jié)合在一起。也就是說(shuō)，這種束縛似乎是在“大爆炸”發(fā)生后的最初幾微秒內(nèi)形成的，此時(shí)的宇宙擁有一個(gè)由夸克和膠子構(gòu)成的非常熾熱而密集的混合物，也就是所說(shuō)的“夸克一膠子等離子體”。

隱藏的世界——空聞的額外維度真的存在嗎?

根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論，人類(lèi)生存的三維空間加上時(shí)間軸即構(gòu)成所謂四維空間。后來(lái)的理論認(rèn)為，可能存在擁有隱藏維度的空間。弦理論便暗示額外的空間維度尚未被人類(lèi)觀察到，它們似乎會(huì)在高能條件下顯現(xiàn)出來(lái)。基于這種推測(cè)，科學(xué)家將對(duì)所有探測(cè)器獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行仔細(xì)分析，以尋找額外維度存在跡象。

爭(zhēng)議

美國(guó)從20世紀(jì)90年代其實(shí)就已經(jīng)開(kāi)始建造一個(gè)更大的粒子加速器——超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)(SSC)，不過(guò)1993年美國(guó)國(guó)會(huì)取消了這個(gè)項(xiàng)目。在最后幾天的聽(tīng)證會(huì)上，一名國(guó)會(huì)議員提出一個(gè)重要的問(wèn)題：“我們能通過(guò)這種機(jī)器找到上帝嗎?如果能，我將為它投上一票。”參加聽(tīng)證會(huì)的所有物理學(xué)家都被這個(gè)問(wèn)題雷倒了，他們無(wú)法給出具有說(shuō)服力的答案。不久，超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞項(xiàng)目就被取消了，為對(duì)撞機(jī)挖洞并填洞就花費(fèi)了美國(guó)納稅人20億美元的稅款。

還有一些物理學(xué)家認(rèn)為大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在其粒子發(fā)生撞擊時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生微型黑洞，而且這些黑洞通常都非常強(qiáng)大，以至于它們不僅能吞沒(méi)整個(gè)地球，而且還能吞噬整個(gè)星系，這在很大程度上引起了全球的恐慌。2008年9月10日實(shí)驗(yàn)啟動(dòng)的當(dāng)天，一位印度少女就因?yàn)榭謶钟谑澜缒┤盏膩?lái)臨而自殺身亡。

選自《科學(xué)人》