粒子對(duì)撞－－揭開(kāi)宇宙的秘密

■ 蔣建平

粒子對(duì)撞－－揭開(kāi)宇宙的秘密

■ 蔣建平

粒子物理學(xué)是一門(mén)高深莫測(cè)的科學(xué)，而且將變得更令人膽戰(zhàn)心驚。

歐洲核子研究組織于2008年9月10日啟動(dòng)了全世界最強(qiáng)大的粒子加速器，將第一束粒子流射入位于地下100米深、27千米長(zhǎng)的一個(gè)加速軌道，從而標(biāo)志著近期最雄心勃勃，同時(shí)備受爭(zhēng)議的粒子物理實(shí)驗(yàn)正式開(kāi)始。一些批評(píng)人士擔(dān)心，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)有可能會(huì)引發(fā)黑洞，從而吞噬整個(gè)地球。

但科學(xué)家依然相信，這個(gè)“不成功則成仁”的嘗試將有助于解決長(zhǎng)期以來(lái)人類對(duì)宇宙的很多疑問(wèn)。

相對(duì)論和量子力學(xué)這類的宏偉理論可以解釋宇宙中的一些運(yùn)行規(guī)律，但彼此無(wú)法相容。愛(ài)因斯坦的理論在解釋恒星這類大型物體時(shí)很有效，但在解釋粒子極微小運(yùn)動(dòng)時(shí)卻束手無(wú)策。科學(xué)家希望借助這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)找到一些線索，將這些零散的理論融會(huì)貫通起來(lái)。

這臺(tái)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)位于瑞士日內(nèi)瓦，設(shè)計(jì)目的是讓質(zhì)子在接近光速的速度下發(fā)生碰撞，釋放出137億年前宇宙大爆炸以來(lái)從未出現(xiàn)過(guò)的龐大能量。

第一次粒子撞擊于2008年10月進(jìn)行，歐洲核子研究組織的科學(xué)家仔細(xì)觀察粒子碰撞后的殘余，以便找到以前未曾發(fā)現(xiàn)過(guò)的粒子、其他維度的空間、暗物質(zhì)存在的證據(jù)以及希格斯玻色子——一種物理學(xué)家認(rèn)為是其他粒子構(gòu)成基礎(chǔ)的神秘物質(zhì)。

物理學(xué)家從事的這個(gè)項(xiàng)目事關(guān)重大，已經(jīng)籌備了14年，投入90億美元。如果研究人員沒(méi)有能夠在實(shí)驗(yàn)中找到游離的希格斯玻色子，那可能意味著他們?cè)阱e(cuò)誤的道路上浪費(fèi)了數(shù)十年的大好時(shí)光。

除了可能出現(xiàn)吞噬地球的黑洞——當(dāng)然，歐洲核子研究組織的科學(xué)家認(rèn)為這是不可能的——讓物理學(xué)家更抓狂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也許是找到了希格斯玻色子，但除此之外別無(wú)他物。這個(gè)結(jié)果將確認(rèn)一些物理學(xué)家早已提出的理論，但無(wú)助于解釋其他許多宇宙謎題。

比如說(shuō)，科學(xué)家無(wú)法解釋為什么重力會(huì)比其他的基本物理力弱得多，以及為什么只有5%的宇宙是可見(jiàn)的。

此外，他們也面臨尷尬局面，無(wú)法消除愛(ài)因斯坦的相對(duì)論與解釋微觀物理規(guī)律的量子力學(xué)之間的矛盾之處。

雖然投入數(shù)十億美元，但宇宙的奧秘有很大可能依然無(wú)法解開(kāi)?！叭绻笮蛷?qiáng)子對(duì)撞機(jī)只找到希格斯玻色子而沒(méi)有其他物質(zhì)，那科學(xué)家就很難說(shuō)服大眾再建造另一臺(tái)大型粒子加速器?！泵绹?guó)普林斯頓高等研究所的理論物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼哈邁德說(shuō)道。

現(xiàn)在，物理學(xué)家將所有的希望都寄托于這臺(tái)埋在法瑞邊境地下的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)上。這臺(tái)機(jī)器將反向射出二束質(zhì)子流，質(zhì)子流通過(guò)由超導(dǎo)磁體包圍的二根鋼管，以每秒11 245圈的近光速運(yùn)行，最終在四個(gè)交點(diǎn)會(huì)合，預(yù)計(jì)每秒將產(chǎn)生6億個(gè)粒子碰撞，從而再現(xiàn)宇宙大爆炸時(shí)猛烈無(wú)比的粒子濃湯。

為研究這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的結(jié)果——仿佛就像是粒子層面的火車大碰撞——?dú)W洲核子研究組織的科學(xué)家建造了四個(gè)地下觀測(cè)器，能記錄撞擊時(shí)產(chǎn)生的能量以及粒子碰撞后內(nèi)部物質(zhì)噴出的速度。其中有個(gè)名為阿特拉斯的觀測(cè)器，是一個(gè)七層樓高的圓柱體，由鋼鐵、充氣鋁管、液態(tài)氬和光纖制成，重量為7000噸，和埃菲爾鐵塔一樣重。阿特拉斯和其他三個(gè)觀測(cè)器把數(shù)據(jù)傳輸?shù)綒W洲核子研究組織的3萬(wàn)臺(tái)電腦上，由電腦對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選，從而發(fā)現(xiàn)超出傳統(tǒng)物理學(xué)范疇的異?，F(xiàn)象。

那么，歐洲核子研究組織的物理學(xué)家將尋找哪一類奇怪的量子事件呢？他們的主要任務(wù)是找到希格斯玻色子，也叫“上帝粒子”。如果他們的計(jì)算正確，希格斯玻色子能產(chǎn)生一個(gè)彌漫的域場(chǎng)，對(duì)穿過(guò)其中的粒子施加一個(gè)拉力。物理學(xué)家相信正是通過(guò)這一名為“希格斯力”的過(guò)程，電子和其他粒子才得以產(chǎn)生。

“這是解開(kāi)宇宙構(gòu)成秘密的一個(gè)關(guān)鍵所在。”位于美國(guó)伊利諾伊州的費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室的理論物理學(xué)家約瑟夫·里肯說(shuō)道。

其他粒子對(duì)撞機(jī)都未能幸運(yùn)地找到希格斯玻色子，但物理學(xué)家認(rèn)為，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)對(duì)撞實(shí)驗(yàn)所爆發(fā)的能量——約為14萬(wàn)億電子伏——應(yīng)該足以使其產(chǎn)生。問(wèn)題在于，沒(méi)人知道希格斯玻色子長(zhǎng)成什么樣子，因此很難發(fā)現(xiàn)它，而且它也可能很快衰變?yōu)槠渌阎Ｗ?，如介子和光子等。因此，歐洲核子研究組織的科學(xué)家將通過(guò)各種形式尋找它的存在。舉例而言，有一個(gè)名為“微型介子螺線管”的探測(cè)器，配備有80 000塊富鉛玻璃用于追蹤光子，負(fù)責(zé)操作的科學(xué)家將尋找“希格斯跳躍”——即光子在對(duì)撞發(fā)生四散飛出時(shí)一種異于平滑運(yùn)動(dòng)軌跡的躍動(dòng)。

物理學(xué)家還希望從這一項(xiàng)目中找到支持新一代物理理論的證據(jù)，比如超對(duì)稱性原理。這種理論認(rèn)為，每個(gè)粒子都有一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的“超級(jí)伙伴”。假使對(duì)稱性理論得到證實(shí)，將使已知粒子的數(shù)量增加1倍，并幫助物理學(xué)家實(shí)現(xiàn)一個(gè)長(zhǎng)久以來(lái)的追求目標(biāo)，也就是把幾種控制物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的力——重力、電磁力、強(qiáng)核力和弱核力——在理論上融為一種單一的基本力。

這臺(tái)粒子對(duì)撞機(jī)還可能讓我們發(fā)現(xiàn)已知四維空間以外的空間維度。當(dāng)質(zhì)子撞擊開(kāi)始時(shí)，物理學(xué)家將尋找撞擊前蘊(yùn)含能量與撞擊后產(chǎn)生能量之間是否存在不平衡。根據(jù)物理學(xué)基本原理，撞擊前后的能量應(yīng)該是守恒的。如果能量經(jīng)常性地出現(xiàn)流失現(xiàn)象，那可能意味著能量消失在另一個(gè)空間維度中。這個(gè)發(fā)現(xiàn)將給弦理論提供有力支持。這個(gè)被廣泛接受但無(wú)法驗(yàn)證的假設(shè)認(rèn)為，物質(zhì)是由微小顫動(dòng)的弦構(gòu)成，并處于11個(gè)或12個(gè)維度的空間中。

研究人員說(shuō)，最令人震驚的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，很有可能是毫無(wú)出奇之處。這一局面將意味著物理學(xué)家用于解釋宇宙運(yùn)行規(guī)律的最佳方法、已經(jīng)有35年歷史的所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”其實(shí)是一條歪路。“我們知道，希格斯玻色子一定存在?！奔幽么蟀泊舐允∑绽锩捞乩碚撐锢硌芯克奈锢韺W(xué)家李·斯莫林說(shuō)，“否則的話，我們就是一直在錯(cuò)誤的理論根基上原地踏步。”

雖然實(shí)驗(yàn)可能一無(wú)所獲將令很多人大失所望，但另一些人認(rèn)為，這個(gè)結(jié)果將最具革命性，因?yàn)槔碚撐锢韺W(xué)家將不得不重新思考幾十年來(lái)被視為天經(jīng)地義的各種問(wèn)題?！霸谖铱磥?lái)，這是一件好事?！崩锟辖淌谡f(shuō)道。

和之前的大型物理實(shí)驗(yàn)一樣，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)引發(fā)了一系列世界末日來(lái)臨的言論。2008年年初，一位科學(xué)普及作家和一位輻射安全專家向法院提起訴訟，要求制止科學(xué)家啟動(dòng)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，認(rèn)為它可能引發(fā)一個(gè)災(zāi)難性的大黑洞或制造出“奇異物質(zhì)”。這種奇異物質(zhì)是理論假設(shè)中的致密物質(zhì)，一旦形成，有可能引發(fā)連鎖反應(yīng)，把地球變成一塊無(wú)生命的大石頭。

歐洲核子研究組織的科學(xué)家認(rèn)為，黑洞這類恐怖量子事件的發(fā)生概率與重力突然消失的發(fā)生概率差不多?！案鶕?jù)量子物理學(xué)理論，如果我讓一支筆掉在桌上，它甚至有一定的可能性會(huì)直接穿過(guò)桌子?！卑⑻乩固綔y(cè)項(xiàng)目的發(fā)言人彼得·杰尼說(shuō)，“我們通過(guò)大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)模擬的是137億年來(lái)整個(gè)宇宙每時(shí)每刻都在發(fā)生的粒子碰撞，但我們不是還活得好好的嗎？”