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寻找上帝粒子的“LHC马戏团”

2008-09-27 13:25 作者:曹玲 2008年第35期
2008年9月10日,“地球上最伟大的科学演出”拉开帷幕,位于法国和瑞士边境的大型强子对撞机开撞。这个全球排名第一的“大科学”工程挑起了全世界公众的神经,除了激动,他们更多的是好奇、恐慌和疑虑。

预言了希格斯玻色子存在的彼得·希格斯参观位于日内瓦附近地下的大型强子对撞机

2008年9月10日,“地球上最伟大的科学演出”拉开帷幕,位于法国和瑞士边境的大型强子对撞机开撞。这个全球排名第一的“大科学”工程挑起了全世界公众的神经,除了激动,他们更多的是好奇、恐慌和疑虑。

“上帝粒子”芳踪难觅

这些天,大型强子对撞机(LHC)差不多被渲染成“黑暗传说”的主角,制造黑洞毁灭地球的传言沸沸扬扬,甚至有一位印度少女因害怕世界末日降临而喝农药自杀。

也难怪人们把它想象得恐怖又神秘。LHC隶属目前世界上最大的物理实验室——欧洲核子研究中心,他们花了30年时间,耗资60亿美元,在地下100米处挖了一个周长27公里的隧道,圈地面积有450个“鸟巢”那么大,然后放入巨型机器。一大堆顶级聪明的科学家在不见天日的地洞里终日忙碌,很容易被人联想到秘密和阴谋。

这台周长约是半程马拉松的大机器,能够将两束质子分别加速到99.9999991%光速,然后让二者迎头相撞,每个质子携带的能量相当于一辆重400吨的火车以时速200公里的速度前行时所具有的能量。科学家们则坐在监测器和电脑前,等着看质子束们“头破血流”后的“好戏”。他们能看到什么?他们为什么和粒子们过不去?

物理学家有他们的大梦想。人类对宇宙的认识并不完整,对一些问题苦苦思索却始终没有答案,比如人类来自何处?世界由何构成?宇宙最初是什么样子?质量如何从无到有?物理学家似乎是在研究上帝生活史,为此他们提出很多理论,然后制造出庞大的机器来检验这些理论是否正确。于是粒子加速器诞生了,而LHC就是它们中规模最大、最先进的一个。

他们要用这个大家伙检验关于粒子和力的“标准模型”是否正确,做法是设法撞击出传说中的“上帝粒子”希格斯玻色子。希格斯玻色子是以英国物理学家彼得·希格斯的名字命名的,上世纪60年代他引入希格斯玻色子,解释了为什么粒子会有质量,粒子的质量到底从何而来,由此完善了粒子物理标准模型。1988年诺贝尔物理学奖得主利昂·莱德曼将希格斯玻色子誉为“上帝粒子”,意思是找到希格斯玻色子就洞悉了上帝。

这个模型已经经过多年精确实验的检验,但是唯独没有发现传说中的“上帝粒子”。40多年来,它一直芳踪难觅,和物理学家玩捉迷藏游戏。大多数物理学家认为,找不到是因为现有的粒子加速器无法产生质量如此之大的粒子,所以他们建造了威力更加强大的LHC。“LHC的研究具有判决性,如果真有希格斯玻色子出现,它一定能探测到,不像以往的实验设备存在漏网的可能性。”中科院高能物理研究所陈国明研究员对本刊记者说。

事实上,希格斯玻色子转瞬即逝,根本无法直接观测到。加速器中的粒子束碰撞能得到极大的能量,可以转化为一些稀有、奇异、已经不在现今宇宙中的粒子。这些粒子就像古代的钱币,能给我们提供一个观看过去的独特视角,但是它们非常“易碎”,在极短的时间内就会衰变成普通的粒子。

所以,“LHC在两束粒子流碰撞之处安装有巨型探测器,用于记录并测量每次对撞产生的上千个粒子。通过计算机处理探测到的稳定粒子留下的信号痕迹,科学家能够倒推出是否发现了新粒子。”中科院高能物理研究所副研究员贾宇对本刊记者说。

找到好还是找不到好?

此前有人认为,LHC发现希格斯玻色子的概率是30%。著名物理学家霍金曾与美国密歇根大学的高迪·凯恩教授打赌,认为LHC不会发现希格斯玻色子,赌注是100美元。鉴于霍金逢赌必输的经验,LHC找到希格斯玻色子的可能性或许会高一些。

当然这只是玩笑,拥护不同理论的科学家有他们自己的看法,看见曙光者有之,泼冷水的更是不乏其人。有人说,如果能顺利发现希格斯玻色子,将会一口气解决一大堆物理学难题;如果发现不了,要么就是标准模型有问题,要么就是量子理论有问题,不论如何,对物理学界都是一记重拳。

美国普林斯顿高级研究院的尼玛·哈米德也为此打了个赌,赌LHC能找到希格斯玻色子,不过他的赌注稍微大了点,是自己一年的薪水。而荷兰乌特勒支大学的诺贝尔得主马丁·维尔特曼则认为,如果实验没有发现希格斯玻色子他不会感到惊讶,因为他不相信希格斯理论。英国卡拉姆市原子能机构主任里斯·史密斯认为,希格斯玻色子和超对称都能被找到,前者的概率为95%,后者的概率为60%。他在1994~1999年担任欧洲粒子物理研究所所长,曾为LHC做过大量的工作,当然不希望自己的努力落空。

国外甚至还有媒体撰文名为《60亿美元的LHC马戏团》,配图是被PS上红鼻子的希格斯教授,下面配有一行字:“参观LHC的希格斯,是当今最昂贵科学马戏团的负责人。”霍金则说,如果实验找不到“上帝粒子”反而会“更令人兴奋”,理由是“显示某些东西出错,我们需要重新思考”。

那么,科学家希望LHC发现的最好结果到底是什么?

中国参与此项研究的科学家显得较为谨慎,陈国明对本刊记者说:“这真是个矛盾。如果找到希格斯玻色子,是件令人高兴的事,这就证实现有的标准模型非常完美。如果找不到希格斯玻色子,我也会非常高兴,这证明我们原有的理论是错误的,以后会有新的发展。原有模型本来就有一些缺陷,比如无法解释暗物质以及太阳中微子振荡,即便找到希格斯玻色子,这些问题还是无法解决,需要理论进一步发展。”

看来,霍金的观点不无道理,只是他树大招风。

实际上,科学是一门证伪的学问,如果投入如此之大的人力、物力、财力,只证明一个存在了40多年的理论是错误的,虽然对很多研究人员而言是个巨大的打击。但是从科学的长河来看,却是值得的,它会给研究人员指明新的方向,催生新的理论。19世纪牛顿力学几乎可以解释一切,但它头顶上一直徘徊着两片乌云,一片是干涉,一片是黑体辐射。正是因为对这两片乌云疑惑不解,所以才催生了后来的相对论和量子力学,致使物理学迅速发展。

贾宇的观点则是:“如果只找到了希格斯玻色子却没找到其他东西,那将是非常可怕的。三四十年来,高能物理都没有太大突破,如果又证明模型已经完美,那么高能物理几乎就走到头了。”

如果模型真的完美,那么可能会有大批理论物理学家失业。只要“上帝粒子”仍未发现,理论学家就可以继续天马行空,推算上帝是如何生活的。

这是一群极度渴望完美的科学家,他们认为物质的原始形态应该是非常简单的,可能就像计算机运用二进制排列组合编制程序一样。莱德曼在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是问题?》一书的结尾处写了一段非常抒情的话:“天空中出现了一道炫目的光芒,一束光亮照亮了我们这位沙滩主人。在巴赫B小调弥撒曲庄严、高潮的和弦配乐下,也可能是在斯特拉文斯基的《春之祭》中,天空中的光慢慢地变成了上帝的脸,微笑着,但带着极度甜蜜的悲伤表情。”

这是他们对终极理论的渴望,而且他们理想中的终极理论非常简洁,没有过多的参数,一个诸如E=MC2的公式就能够阐释整个宇宙。但是标准模型除了无法解释暗物质、太阳中微子振荡等现象之外,还包含了过多参数,这些都不符合一些物理学家对终极理论的审美标准。换句话而言,女神应该婀娜多姿、完美无暇,不应该是个满脸雀斑的胖子。

黑洞以及其他传言

或许“黑洞吞噬地球”的言论能够增加报纸销量,但是,“对于懂物理的人来说,这纯粹是无稽之谈”。贾宇说。

LHC的科学家已经对媒体说过很多遍LHC不会产生世界末日的原因。数十亿年来,自然界产生的高能粒子通过太空中巨大的磁场和电厂提供的能量来获得加速度,它们曾大量降落在地球上。它们的能量比LHC大得多,但是地球照样存在。即便真能产生微型黑洞,也只有电子或质子大小。“根据霍金的理论,黑洞的温度和表面积成反比,表面积越小温度越高,电子或质子大小的黑洞会在瞬间蒸发。稳定的黑洞才具有危险,这种转瞬即逝的微型黑洞没有任何杀伤力。”贾宇补充道。

不过,LHC这种大型项目注定会引起争议,就算不是黑洞也会是其他,比如理论不成熟、浪费纳税人的钱、没有实际意义、破坏环境、毁灭地球等等。这在之前是有过先例的,最惨的莫过于当年的超导超级对撞机(SSC)。

在LHC建成之前,粒子物理的研究中心一直在美国。世界上最大的粒子对撞实验室是美国的费米国家实验室,曾因其在2001年7月第一次直接观测到τ中微子而开启了物理研究的新时代。“但是LHC建成后,粒子物理的研究中心就移到了欧洲。”贾宇说。

在美国粒子物理风华正茂的年代里,曾经有过更加雄心勃勃的大计划。1987年6月,里根总统宣布美国将开发用于探究基本粒子的超导超级对撞机,大小和威力是LHC的3倍多,如果建成,将耗资100亿美元。它包括一条长87公里的加速器隧道,计划将粒子束加速到30万亿~40万亿电子伏特,相比之下,LHC的隧道是27公里,将粒子束加速到7万亿电子伏特。

1993年秋天,美国人已经在得克萨斯州东北部城市达拉斯挖掘了大约23公里的隧道,就在这一年,在美国国会的强烈干预下,SSC项目被迫下马,胎死腹中。先挖坑、装仪器,后拆仪器、填坑,前前后后就花了20多亿美元,不仅断送了粒子物理在美国的霸主地位,也埋葬了众多科学家的梦想。大型粒子对撞机的发展过程,真是几家欢乐几家愁。

就算LHC已经呱呱坠地,仍被千夫所指。它被称为是科学家陶醉其中的梦幻狂想曲,除此之外没有任何实际用途。“基础研究刚发展时,往往没有过于明确的应用前景,但是发现真理后对其他科学的推动作用是无可估量的。”陈国明对本刊记者说,“科学史上可以举出一大串例子来证明这一点。比如量子理论刚提出时对于实际应用也是一无是处,但是后来它在实践中获得的成就却令人吃惊。科学家通过量子理论发明了晶体管、半导体,随后研制出芯片,我们的生活中已经离不开这些东西了。”

“不过,LHC本身还是有一些实际应用的,它的几大关键技术,比如加速器、探测器和计算机技术都有实际应用价值。”

之前,欧洲核子物理研究组织总控制室主任保罗·科利尔(Paul Collier)也曾说过:“人人都把注意力集中到LHC的启动上,但是它还有很多重要的实际应用研究项目要实施。”

“欧洲核子研究中心是万维网(www)的发源地,万维网是当时为了提高中心内科学家们相互协作的效率才开发的,后来才有了大家熟悉的互联网。当时中科院高能所也参与了这些项目,所以最早将万维网引入中国。”陈国明介绍道,“在LHC中,据科学家估算,每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘,6个月时间这些光盘就可以从地球堆到月球。这需要中央计算机非常强大的运算能力,所采用的网格网络是新研发的技术,日后也能推动互联网技术的发展。”

“此外,如果用加速器加速的粒子照射海鲜等不易保存的食品,会把所有的活组织都杀死,然后进行真空包装,不用添加任何防腐剂即可长期保存。加速器加速的粒子还可以用在海关上,用来扫描集装箱有无违禁物品。”按照欧洲核子研究中心的说法,LHC还能在疾病治疗、摧毁核废料以及计算气候变化方面大显身手。总之它用处多多,用《科学》杂志的话来说,即使它只能贡献少量科研数据,也足以被视为重大进展。
到目前为止,LHC还处于对质子束流进行极其复杂细致的同步调整阶段,只是刚刚开了个头。不管它日后能撞出什么,物理学的探寻之旅都不会终结,而会是新的开始。

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