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专注知名财经评论、财经专栏、财经自媒体,CCTV证券资讯频道特约评论员,《新华社》外汇纵横特约嘉宾,中国社会科学院金融研究所研究生。

粒子对撞揭开宇宙秘密  

2008-09-12 10:07:50|  分类: 思考学习 |  标签: |举报 |字号 订阅

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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?”

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