粒子对撞揭开宇宙秘密

粒子物理学是一门高深莫测的科学，而且将变得更令人胆战心惊。

欧洲核研究组织(CERN)于2008年9月10日启动了全世界最强大的粒子加速器，将第一束粒子流射入位于地下330英尺深、17英里长的一个加速轨道，从而标志着近期最雄心勃勃同时备受争议的粒子物理实验正式开始。一些批评人士担心，这项实验可能会引发黑洞，从而吞噬整个地球。

Associated Press CERN的科学家正在启动LHC但科学家们相信，这个“不成功则成仁”的尝试将有助于解决长期以来人类对宇宙的很多疑问。相对论和量子力学这类的宏伟理论可以解释宇宙中的一些运行规律，但彼此无法相容。爱因斯坦的理论在解释恒星这类大型物体时很有效，但在解释粒子极微小运动时却束手无策。科学家希望借助这项实验找到一些线索，将这些零散的理论融会贯通起来。

这台“大型强子对撞机”(Large Hadron Collider，简称LHC) 位于瑞士日内瓦，设计目的是让质子在接近光速的速度下发生碰撞，释放出130亿年前宇宙大爆炸(Big Bang)以来从未出现过的庞大能量。第一次粒子撞击计划于2008年10月进行，CERN的科学家将仔细观察粒子碰撞后的残余，找到以前未曾发现过的粒子、其他维度的空间、暗物质存在的证据，以及希格斯玻色子(Higgs boson)──一种物理学家认为是其他粒子构成基础的神秘物质。

物理学家们从事的这个项目事关重大，已经筹备了14年，投入90亿美元。如果研究人员未能在实验中找到游离的希格斯玻色子，那可能意味着他们在错误的道路上浪费了数十年的大好时光。

除了可能出现吞噬地球的黑洞──当然，CERN的科学家认为这是不可能的，让物理学家更抓狂的实验结果也许是找到了希格斯玻色子，但除此之外别无它物。这个结果将确认一些物理学家早已提出的理论，但无助于解释其他许多宇宙谜题。

比如说，科学家无法解释为什么重力会比其他的基本物理力弱得多，以及为什么只有5%的宇宙是可见的。此外，他们也面临尴尬局面，无法消除爱因斯坦的相对论与解释微观物理规律的量子力学之间的矛盾之处。

虽然投入数十亿美元，但宇宙的奥秘有很大可能依然无法解开。“如果LHC只找到希格斯玻色子而没有其他物质，那科学家就很难说服大众再建造另一台大型粒子加速器。” 美国普林斯顿高等研究所(Institute for Advanced Study in Princeton)的理论物理学家尼玛•阿卡尼哈迈德(Nima Arkani-Hamed)说道。

现在，物理学家将所有的希望都寄托于这台埋在法瑞边境地下的超大型粒子冲撞机上。这台机器将反向射出两束质子流，质子流通过由超导磁体包围的两根钢管，以每秒11,245圈的近光速运行，最终在四个交点会合，预计每秒将产生6亿个粒子碰撞，从而再现宇宙大爆炸时猛烈无比的粒子浓汤。

The ATLAS Experiment at CERN, http://atlas.ch Atlas观测器为研究这项实验的结果──仿佛就像是粒子层面的火车大碰撞──CERN的科学家建造了四个地下观测器，能记录撞击时产生的能量以及粒子碰撞后内部物质喷出的速度。其中有个名为Atlas的观测器，是一个七层楼高的圆柱体，由钢铁、充气铝管、液态氩和光纤制成，重量为7,000吨，和艾菲尔铁塔一样重。Atlas和其他三个观测器把数据传输到CERN的3万台电脑上，由电脑对数据进行筛选，从而发现超出传统物理学范畴的异常现象。

那么，CERN的物理学家将寻找哪一类奇怪的量子事件呢？他们的主要任务是找到希格斯玻色子，也叫“上帝粒子”。如果他们的计算正确，希格斯玻色子能产生一个弥漫的域场，对穿过其中的粒子施加一个拉力。物理学家相信正是通过这一名为“希格斯力”的过程，电子和其他粒子才得以产生。

“这是解开宇宙构成秘密的一个关键所在。” 位于美国伊利诺斯州Batavia的费米国家加速器实验室(Fermi National Accelerator Laboratory)的理论物理学家约瑟夫•里肯(Joseph Lykken)说道。

其他粒子对撞机都未能幸运地找到希格斯玻色子，但物理学家认为，LHC对撞实验所爆发的能量──约为14万亿电子伏──应该足以使其产生。问题在于，没人知道希格斯玻色子长成什么样子，因此很难发现它，而且它也可能很快衰变为其他已知粒子，如介子和光子等。因此，CERN的科学家将通过各种形式寻找它的存在。举例而言，有一个名为“微型介子螺线管”(Compact Muon Solenoid)的探测器，配备有80,000块富铅玻璃用于追踪光子，负责操作的科学家将寻找“希格斯跳跃”(Higgs bump)──即光子在对撞发生四散飞出时一种异于平滑运动轨迹的跃动。

物理学家还希望从中找到支持新一代物理理论的证据，比如超对称性原理(supersymmetry)──这种理论认为，每个粒子都有一个未被发现的“超级伙伴”。假使对称性理论得到证实，将使已知粒子的数量增加一倍，并帮助物理学家实现一个长久以来的追求目标，也就是把几种控制物质运动的力──重力、电磁力、强核力和弱核力──在理论上融为一种单一的基本力。

这台粒子对撞机还可能让我们发现已知四维空间以外的空间维度。当质子撞击开始时，物理学家将寻找撞击前蕴含能量与撞击后产生能量之间是否存在不平衡。根据物理学基本原理，撞击前后的能量应该是守恒的。如果能量经常性地出现流失现象，那可能意味着能量消失在另一个空间维度中。这个发现将给玄理论(string theory)提供有力支持。这个被广泛接受但无法验证的假设认为，物质是由微小颤动的玄(string)构成，并处于11或12个维度的空间中。

研究人员说，最令人震惊的结果可能是，实验结果毫无出奇之处。这将意味着物理学家用于解释宇宙运行规律的最佳方法、已有35年历史的所谓“标准模型”其实是一条歪路。“我们知道，希格斯玻色子一定存在。”加拿大安大略省普里美特理论物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的物理学家李•斯莫林(Lee Smolin)说，“否则的话，我们就一直在错误的理论根基上原地踏步。”

虽然实验可能一无所获将令很多人大失所望，但另一些人认为，这个结果将最具革命性，因为理论物理学家将不得不重新思考几十年来被视为天经地义的各种问题。“在我看来，这是一件好事。”里肯教授说道。

和之前的大型物理实验一样，LHC引发了一系列世界末日来临的言论。2008年初，一位科学普及作家和一位辐射安全专家向法院提起诉讼，要求制止科学家启动LHC对撞机，认为它可能引发一个灾难性的黑洞或制造出“奇异物质”(strangelets)，这是一种理论假设中的致密物质，一旦形成，有可能引发连锁反应，把地球变成一块无生命的大石头。

CERN的科学家认为，黑洞这类恐怖量子事件的发生概率与重力突然消失的概率差不多。“根据量子物理学理论，如果我让一支笔掉在桌上，它甚至有一定的可能性会直接穿过桌子。”Atlas探测项目的发言人彼得•杰尼(Peter Jenni)说，“我们通过LHC模拟的是137亿年来整个宇宙每时每刻都在发生的粒子碰撞，但我们不是还活得好好的吗？”
宇宙大爆炸实验今开展　倘误制黑洞恐噬地球 [ 首席班主 ] 于2008-09-10 21:59:48 上帖 [ 发短信 ] [ 表状 ]

 

ATLAS是一台巨型数字照相机，能够拍摄质子间6亿次碰撞的照片
　　中评社北京9月10日电／大型强子对撞机(LHC)实验是有史以来最为复杂的科学实验，它的主要目的是揭开宇宙诞生之谜。带着填补我们在认知宇宙方面存在的空白这一目的，亚原子粒子将被加速到接近光速而后发生对撞。除此之外，对撞实验还可能验证一些有关时空的新奇理论，解答是否存在另一个纬度这一疑问。



　　据物理学家组织网报道，在努力了近20年，花费了60亿瑞士法郎之后，来自数十个国家的5000名科学家、工程师和技术人员正让这一庞大项目成为现实。格林威治标准时间10日7时30分(北京时间10日15时30分)，首批质子将被导入一条27公里长横跨瑞士-法国边界的环形隧道。欧洲核子研究组织(以下简称CERN)总部也位于瑞士-法国边界。 



　　作为一项长期实验的第一步，亚原子粒子束将被加速到接近光速而后发生对撞，撞击会在一个微小空间产生短暂的达到太阳温度10万倍的高温。分析师将密切关注整个撞击过程，以寻找基本粒子。 



　　ATLAS(超环面仪器实验的英文缩写)发言人彼得·詹尼说：“我们将进入物理学的全新领域。10日是一个非常重要的里程碑。”ATLAS是安装在环形隧道上的4个巨大实验室中的一个。附在环形隧道周围的探测器将监视撞击过程。 



　　在一项长达10小时的实验中，粒子束的运行距离可能超过100亿公里，足以在地球与海王星之间做个往返。在达到最大强度时，每一个粒子束拥有的能量相当于一辆以每小时1600公里行进的汽车。大型强子对撞机将消耗120兆瓦特电量，相当于日内瓦所有家庭的用电量。 



　　两个假设 



　　世界末日梦魇 



　　有的科学家担心，在启动强子对撞机的问题上应该慎之又慎。实际上，自1994年多国参与制造大型强子对撞机以来，有些灾难预言家便危言耸听地指出，“复制”大约137亿年前大爆炸发生后的宇宙初始形态，将导致一场灾难。 



　　不久前，一支人数不多的持反对观点的科学家向欧洲人权法庭提起诉讼。他们认为，大型强子对撞机实验产生一个迷你黑洞的可能性虽然很小，但这种可能性幷非不存在。一旦产生黑洞，地球将面临被吞噬的命运。更有人认为，后果远不止产生黑洞这么简单，对撞实验可能对时空结构引发灾难性的连锁反应，进而将整个宇宙撕成碎片。为此，他们提出了两个可怕的假设。 



　　第一个假设：我们根本看不到任何预兆，可能用不了一个月的工夫，地球上的所有生命都将突然终结。在此之后，可怕的地震突然发生，海平面迅速上升，超级海啸袭击世界各地海岸。 



　　最终，《圣经》中描述的世界末日降临在我们人类头上，整个地球走向毁灭。 



　　第二个有关世界末日的假设更加可怕：一点预兆都没有，在大约十二分之一秒时间里，整个地球便在太空中消失。在不到两秒钟时间里，月球随地球而去。8分钟后，太阳被劈成两半。在此之后，同样的厄运降临在太阳系其他行星的头上。更为严重的是，太空结构裂缝导致的巨大破坏以光速向外蔓延，任何地外世界都将走到生命的尽头。  



 

　　四个理由 



　　不会毁灭地球 



　　“大型强子对撞机实验可能毁灭地球”，这样的标题或许有助于增加报纸的销量，不过媒体对事实真相未予重视，甚至有意忽略了重要细节。负责这次对撞实验的科学家解释说，首先，大自然可以产生比大型强子对撞机以宇宙射线形式产生的粒子的能量更高的次原子粒子。数十亿年来，它们大量降落在地球上，然而我们现在还不是好好地呆在地球上，继续写有关它们的故事？ 



　　第二，这些微型黑洞不仅仅是一些小黑洞，它们实际上只有亚原子大小，也就是跟电子或质子差不多大。如果大型强子对撞机运行一百年，这些粒子产生的所有能量甚至还不能点亮一盏电灯。虽然大型强子对撞机产生的次原子粒子可达数万亿电子伏，但是大型强子对撞机产生微型黑洞的最大速率有可能是每秒一个，这么小的速率根本不能对任何人造成可以感知到的危害。 



　　第三，这些微型黑洞很不稳定，它们很快就会垮塌。事实上这些黑洞是朝着相反的方向发展，喷出放射物，所以最终会消失得无影无踪，而不是不断吞噬物质，变得越来越大，最后吃掉地球。 



　　第四，根据维尔纳·海森贝格的“不确定原理”，任何事情都有些微发生的可能性，只不过发生这种情况的概率非常小，也许在宇宙的一生中都不会有这种事情发生。 



　　当然也有专家认为，如果一件事非常非常罕见，可能在宇宙的整个一生都不会发生，那么物理学家就应该告诉媒体这种事情不会发生。 



　　相关 



　　产生大量宝贵副产品 



　　这次大型科学家实验也会带来一些神奇的副产品，比如改进癌症治疗、摧毁核废料的方法以及帮助科学家研究气候变化。 



　　在一年的时间里，这台机器里的两束质子将高速对撞，产生的数据足以装满560万张CD。这意味着，物理学家不得不研制出一套复杂精密的系统用于快速处理信息。他们所说的网格（Grid）可能会成为其他很多用于处理大量数据的系统的模型。另一项工程的研究结果认为，可以从这次对撞中找到处理核废料的新方法。欧洲粒子物理研究所的科学家们发现，将质子束（一种亚原子粒子）射进铅板能产生一大批中子（另一种亚原子粒子），而这些中子又能将放射性废料分解成无害的稳定元素。 



　　此外，欧洲粒子物理研究所也为医学研究做出了贡献，因为他们发现，可以用质子、碳离子甚至是反物质等带电粒子束治疗癌症。 



　　云的形成对气候和天气是一个至关重要的因素，而这项研究可能会将欧洲粒子物理研究所置于争论的中心，那就是除了温室效应气体之外的其他因素是否与气候变化有关。 



　　研究人员将用来自质子同步加速器的质子束模拟宇宙射线，将它们射进一间所谓的“云室”，看是否会形成小片的云。 



　　今天开始，科学家们就会知道为建造大型强子对撞机花费那么多钱到底值不值。 



　　花絮 



　　实验被编成说唱歌曲 



　　大型强子对撞机实验可能正让一些人对世界的未来产生恐惧，但令所有人都没有想到的是，有人居然将对撞实验编成了说唱歌曲，让物理学实验与音乐扯上关系这种看似不可能的事情成为一种现实。 



　　这首说唱歌曲是由23岁的凯特·麦克阿帕恩创作幷演唱的。据悉，麦克阿帕恩就职于CERN实验室的新闻办公室。 



　　说唱歌曲经常表现暴力和犯罪等主题，极少与高能粒子物理学扯上关系。从这个意义上说，麦克阿帕恩的行为可谓相当另类。这首说唱歌曲的一段歌词是这样的：“两束质子在环中旋转穿行/直至到达探测器的心脏/然后碰撞/所有在极小空间内聚集的能量变成质量幷在真空中创造粒子。” 



　　欧洲粒子物理研究所发言人詹姆士·吉利斯说：“我们很喜欢这首说唱歌曲，物理学也能在音乐界找到它的一席之地。”麦克阿帕恩获准在对撞实验将发生的巨洞和隧道里拍下她和朋友跳舞的画面。

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