用小試驗追溯大秘密

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，世界各地的科學家都希望能夠更清晰地認識宇宙。而隨著試驗技術的發展，人類除了通過發射太空探測器來研究宇宙之外，開始更多地在實驗室通過科學儀器來模擬和探測宇宙深處。

美國SLAC實驗室的三項試驗

浩瀚的宇宙中分布著表面帶有猛烈撞擊疤痕的各種天體，明亮恒星上發生的核聚變反應可產生巨大的能量；大規模的爆炸將物質拋向遠處。為了研究上述現象，美國能源部SLAC國家加速器實驗室的研究人員們進行了復雜的實驗和計算機模擬，在實驗室內重建了小規模的宇宙環境。SLAC高能量密度科學部長西格弗里德·倫茨（Siegfried Glenzer）表示，一系列技術突破帶來了實驗室天體物理學領域的迅速發展。

該實驗室現擁有可制造物質極端狀態的高功率激光器、可在原子層面分析這些狀態的最前沿的X射線源和能夠進行復雜模擬幫助解釋實驗的高性能超級計算機。高壓能使碳的一種柔軟形態——石墨轉化為碳的堅硬形態——金剛石。同樣的現象在流星撞擊地面石墨時也會發生嗎？科學家們的預測是肯定的，事實上可能會產生一種名為六方金剛石的物質，它比普通的金剛石更加堅硬。

研究人員使用能夠發出震蕩波的強大的激光脈沖對石墨表面進行加熱，通過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構的過程。觀察結果證實了科學家們的上述猜想，他們表示，對地面上的六方金剛石（藍絲黛爾石）進行追蹤有助于確認流星撞擊處。

第二項研究圍繞著巨大氣體行星內發生的特殊轉變，例如內部充滿液態氫的木星，在高壓高溫條件下，這種物質從“常規”的電絕緣狀態轉變成了金屬導電狀態。倫茨表示，對這一過程的研究為行星形成和太陽系演化提供了新的認識。他和同事們使用高能Janus激光器對液態氘（重氫）迅速擠壓加熱，同時制造X射線噴射以觀察樣本后續的結構變化。在250000個大氣壓和7000華氏度的條件下，氘從一種中性的絕緣流體轉變為一種電離金屬。

第三項研究是關于等離子體這種宇宙加速器的，科學家們認為磁重聯是其背后的主要驅動力；磁重聯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程。科學家們對此也進行了大量的計算機模擬和計算，為研究粒子從磁重聯中獲取能量的過程做了鋪墊。

歐洲LHC準備新的對撞試驗

歐洲的大型強子對撞機（LHC）目前也正準備粒子對撞的另一個試驗，來揭開宇宙的奧秘。這些碰撞是大爆炸的迷你版本，有助于發現全新的粒子，這將顛覆我們對物理的理解。自從去年12月份兩個單獨的LHC探測器出現了新粒子的早期跡象，科學家們已對這一可能性感到興奮。他們表示這將超越他們于2012年發現的希格斯玻色子。理論物理學家薩巴·薩齊表示如果這是真的，這可能是他職業生涯中所看到的最令人激動的事情，比發現希格斯玻色子本身更令人興奮。

歐洲核子研究中心的設施以系列加速器為特色，其中最大的是LHC，建立在一個17多英里（27千米）長的隧道里。成千上萬的科學家、工程師和技術人員花了幾十年來規劃和建設的機器。這臺機器被安置于法國和瑞士的邊界地下，并已取得了一些重大發現。2012年，歐洲核子研究中心的科學家發現了希格斯玻色子。“希格斯”殺進了物理學的標準模型，它的目的是解釋宇宙是如何在在無窮小的水平上構造的。上個月，他們宣布發現了一種新的粒子，稱為五夸克態類。

科學家現在想讓更多的光照在“暗物質”上。他們也希望能揭示關于超對稱性的新細節。粒子物理標準模型無法解釋，它的存在可能會導致一個全新的粒子集的發現，甚至可能是第五種基本力。約翰·愛樂斯教授表示如果它真的存在，這將是完全超越標準模型的東西，是一組大的全新粒子的冰山一角。2015年12月，Cern的兩探測器，ATLAS和CMS正在尋找新物理，發現了一個潛在的新粒子。Cern官方表示這個神秘粒子將比頂夸克重將近4倍，比希格斯重6倍。

科學家表示如果上述結果得到證實，這可能有助于闡明謎團，或它可以向引力子發射信號。但仍有許多不明原因，物理學家表示新粒子的發現，無論今年還是以后，碰撞變得越來越強大可能是不可避免的。阿特拉斯團隊負責人達夫·卡爾頓表示去年12月的結果可能只是一個“波動”，在這種情況下對科學來說真的不算任何結果。

歐洲核子研究中心的科學家現正在做安全測試，在大束的粒子砰擊在一起之前擦凈對撞隧道，希望能生產出足夠的數據來來明確這一奧秘。該設施面臨一系列的障礙，上星期五它因為一只黃鼠狼的破壞而暫停工作。

盡管面臨挑戰，LHC最近幾年前所未有的力量已經顛覆了物理學。無論發生什么，實驗家和理論家都同意由于高強度碰撞帶來的大量數據，2016將是令人興奮的一年。在能源方面，LHC將接近全油門。但伊薩卡康奈爾大學的理論家Csaki表示初步的研究結果還沒有資格被稱為新發現。