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撞出个未来

2011-05-11 16:26 作者:苗千来源:三联生活周刊 2011年第19期
“如果超粒子和希格斯玻色子真的存在的话,我们当然有很好的机会去找到它们。我们正在找,虽然现在还没找到。”

大型强子对撞机

大型强子对撞机

它是世界上最大的机器,它是这个行星上最快的赛道,它有太阳系中最空旷的空间和比外层空间更低的温度;它还能产生我们这个星系中最高的温度,比太阳高出100万倍的亮度;它有世界上最大最复杂的探测器和最强大的超级电脑网络;它的所在地——欧洲核子中心(CERN)是粒子物理学家们心目中的圣地,不过实际上,它可能更像是人类的一个大玩具。

在瑞士日内瓦附近,这个周长27公里,被埋在地下175米以下的大型强子对撞机,更被人熟知的是它的简称LHC(Large Hadron Collider)。它由来自100多个国家、1万多名科学家和工程师们共同设计,自从一亮相就吸引了全世界的关注。从物质由何处获得质量到时空的结构,物理学很多个领域的问题都需要LHC的实验结果来给出证明,以至于不光是科学家们,就连电视媒体都在盯着LHC,想看看在这个庞然大物里面能撞出些什么东西出来,所以它吸引了“世界上一半的粒子物理学家”。这让人联想起在19世纪数学界流传的一句话:“数学青年们,打起你们的背包,到哥廷根去!”

为什么粒子碰撞需要这么个庞然大物,这还要从头谈起。根据传统电磁学理论,带电粒子在电磁场中会受力,LHC就是利用射频腔提供的电磁场来加速粒子。而因为磁场都是闭合曲线(相反,电场线都是指向无穷的直线),因此磁场与电场的物理性质非常不同,我们可以利用磁场来改变粒子运行的方向。如同我们可以用镜子来改变光线传播的方向,用凸透镜来汇聚光线。在LHC中,科学家用1232个偶极子磁体和506个四极子磁体来引导和汇聚粒子束,目前在LHC中运行的粒子束只有90微米宽,比人的头发丝还细。当两束运动方向相反的粒子相撞时,就有可能在高能量中产生更基本的粒子。在一时使“洛阳纸贵”的科幻小说《三体》中,科技先进的三体星人为限制了地球科技的进一步发展,采取的措施就是干扰人类进行粒子对撞实验,使得人类基础物理学上百年都没有进展。这倒并非是作家的幻想,因为除了粒子对撞实验,人类确实也没有太多手段来验证各种假说,并且了解物质构成。

粒子束的旅程从一个高纯度的氢气罐中开始。首先取得氢分子,然后把氢分子分裂成单个的氢原子,然后再剥离氢原子的单电子,这样就获得了单个的质子。这些质子被送进一个直线加速器中,在这里,质子束被加速到光速的31.4%。根据狭义相对论,质量与能量是等效的,高速运行的质子质量也变大,变为静止质量的1.05倍。随后质子束被送进椭圆形的质子同步推进器,在这里质子束被加速到光速的91.6%,这时质子的质量相当于其静止质量的26.73倍。接下来被送到超级质子同步加速器,质子束在这里被加速到光速的99.9998%,此时质子的质量大约相当于其静止质量的500倍。就是在超级质子同步加速器中,科学家们于1983年进行的质子与反质子(Anti-Proton)的对撞实验中发现了W和Z玻色子,它们被认为是弱相互作用的介质。最后质子束进入大型强子对撞机LHC,质子束在这个庞然大物中可以被加速到光速的99.9999964%,也是在这里进行对撞,此时质子的质量相当于其静止质量的3730倍!

在LHC进行的一些对撞实验中,科学家们兴奋地找到一些线索,解开了一些由来已久的难题。用铅离子进行的最大能量对撞模拟了137亿年前的宇宙大爆炸最初的几微秒,在这个对撞产生的亚原子火球中,温度高达10万亿度。这个温度可以“熔化”一切,连原子都无法形成,物质只能以一种夸克-轻子等离子体(Quark-Lepton Plasma)的形式存在。这个实验已经否定了很多的宇宙大爆炸的模型而使人们意识到,在宇宙大爆炸的最初阶段,在极高温度和密度情况下,宇宙的表现更像是液体。但是这种形式只存在非常短的一段时间,之后这个早期宇宙马上冷却下来,各种粒子也从这个亚原子火球中辐射出来,人们正是从辐射出的残骸中推测出早期宇宙的状态。

更多的人在等待着某个被期待已久的发现,如今大多数粒子科学家都着重在寻找一种叫做希格斯玻色子的粒子。希格斯玻色子又被称为“上帝粒子”,它是目前人类关于对宇宙的理解所建立起来的所谓“标准模型”中至关重要的一种粒子。正是它与其他粒子的相互作用而赋予了其他粒子质量:这个标准模型描述了三种力——电磁力,强相互作用和弱相互作用(标准模型中并不描述第四种力:引力)。在这个标准模型中预言了很多种基本粒子和它们的质量,如今这个模型中预言的粒子大多都已经被找到,甚至连质量都与预言值非常相近。在2000年,τ中微子的发现被认为是标准模型至今为止最大的成功,也使很多人开始深信标准模型对于自然界的描述是正确的。可是唯有至关重要的希格斯玻色子还没有被找到,如同是一个万众瞩目的电影的新闻发布会,所有演职人员都早早地精心准备粉墨登场,这时偏偏不见主角。也有人从一开始就不相信LHC的实验会找到希格斯玻色子,史蒂芬·霍金教授就是一个著名的例子。酷爱打赌的他拿出了100美元打赌说,LHC的实验找不到希格斯玻色子,他还说如果找不到希格斯玻色子会“更令人兴奋”。这自然让希格斯玻色子的预言人——苏格兰理论物理学家希格斯感到非常恼火。

除了千呼万唤不出来的希格斯玻色子外,还有很多科学家在忐忑不安地等待着另外一些粒子的出现。这些粒子来源于一个非常奇妙、美丽,并且独特的超对称理论的预言。上世纪70年代出现的超对称理论,完美解决了标准粒子模型的主要缺点,并且描述了基本粒子的行为。它还可以解释其他一些问题:人们在上个世纪30年代就开始寻找暗物质,通过观察宇宙星系间的运动,人们认为暗物质构成了宇宙中83%的质量。但是暗物质没有被发现过,而超对称理论中预言的一些轻粒子可能就是构成暗物质的主要成分。超对称理论还可以在高能条件下统一除重力之外的其他几种力。超对称理论不仅在粒子物理学领域有重大的作用,同时它也在数学上带给人绝伦的美感,这可能是它对于一些理论物理学家们最大的诱惑。来自南巴黎大学的亚当·法尔可夫斯基(Adam Falkowski)说:“正是这些原因,使得一些科学家们在研究超对称理论时具有一种近乎宗教式的热情。”

无论多么完美的理论都要接受现实的检验,精美绝伦的超对称理论也不例外。令超对称理论的拥护者们感到失望的是,超对称理论预言的超粒子至今一个都没有被找到。尽管这个找寻要持续到2012年底,可是有很多人已经认为超对称理论已经“死了”。在CERN工作的来自剑桥大学的克里斯·莱斯特(Chris Lester)博士说:“我们已经把超对称理论逼到了角落里。”是否能够找到这些超粒子,对于一些人来说意义难以想象的重大:对于他们来说,超对称理论正确与否,决定了是会去拿一个诺贝尔物理奖,还是明白自己在过去30年里都走在了错误的道路上。

迄今为止,无论是标准粒子模型还是超对称理论都在等待着LHC更大功率的对撞实验给出最终结果。如果最终仍然找不到这些在目前至关重要的粒子,那么科学家们恐怕就要回到黑板前,重新设计出另外一个粒子模型。无论如何,这对于物理学来说并不算是坏事。

克里斯·莱斯特博士曾经在剑桥大学做过一场讲座介绍LHC,还为此起了个有趣的名字——《欧洲粒子中心的黑暗秘密》(Dark Secrets of CERN)。在介绍标准粒子模型时,他并没有表现得太过信服——他只是觉得,对于目前发现的基本粒子来说,这样归纳比较合适而已。“你是否认为标准粒子模型最终是正确的呢?”我在采访他时追问道。他回答说:“标准粒子模型的形式不是那么漂亮,我希望看到一个更漂亮的形式,但是这个模型仍然可能是一个不错的、有效的理论。”“那么,你自己是否认为LHC最终可以发现希格斯玻色子和超粒子呢?”我锲而不舍地继续追问,全然不顾这个问题对于一个就在那里工作的人来说可能太残酷了。“如果超粒子和希格斯玻色子真的存在的话,我们当然有很好的机会去找到它们。我们正在找,虽然现在还没找到。”莱斯特博士回答道。

正因为无法预测LHC究竟会撞出些什么样的粒子,人们才对它有越来越大的好奇,没有人知道最终是否能找到希格斯玻色子和超粒子,也没人知道对撞产生的新粒子会有怎样的性质。这种情景不能不让人联想起凡尔纳的科幻名著《海底两万里》中描述的场景——人们花大力气,做足了准备,去海上苦苦寻找一个传说中的速度奇快、体积巨大的鲸。后来才发现,那是一艘从来没有人见到过的潜水艇。

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