通往１３７亿年前的粒子跑道

蔡如鹏

谁说物理学一定枯燥乏味，有时它也充满悬念，甚至令人胆战心惊

9月10日，欧洲核子研究中心(CERN)启动了“大型强子对撞机(LHC)”，将第一束粒子流注入加速器，拉开了历史上规模最大的物理实验的大幕。CERN建造这台对撞机的目的，是让质子在接近光速的速度下发生碰撞。然后，观察质子碰撞后的残余，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——一种物理学家认为是其他粒子构成基础的神秘物质。

物理学家们相信，这将有助于解决长期以来人类对宇宙的很多疑问。比如物质质量的来源、宇宙的起源等。

LHC之所以被物理学家寄予厚望，是因为它是迄今为止世界上威力最大的粒子加速器，可以赋予质子前所未有的能量。物理学家相信，只有在这种能量下，质子才会彻底粉碎，向世人展示它内部的秘密。

在过去的二十多年，关于质子撞击会产生哪些未知粒子，物理学家做出过几种不同版本的预言。但这些都没有得到证实，原因正是缺少一台威力巨大的质子加速器。

这次尝试可谓“不成功则成仁”。如果实验中任何一种预言得到证实，物理学将由此进入“黄金时代”；如果失败，物理学家将不得不面对新一轮的沉寂。

在物理学家内部，尽管大部分人都确信，LHC不会让他们失望，但对于它最终会证实哪种预言，仍存在分歧。物理学家霍金为此还下了100美元的赌注。

然而，在那些对LHC持反对意见的批评人士看来，这里最大的赌局是全人类的安危——他们担心，这项实验可能会引发黑洞，从而吞噬整个地球。

霍金曾预言，当带有巨大能量的质子相互碰撞时，可能会产生微型黑洞。黑洞是走到生命尽头的恒星坍塌收缩形成的，它的中心引力巨大，可以把周围任何物质吸进去，甚至连光也无法逃逸其引力范围。

但至今为止，物理学家都没有观察到微型黑洞，无法证实它是否真的存在。霍金认为这是因为微型黑洞的质量太小(只有10微克左右)，非常不稳定，在瞬间就会因辐射而消失，因此不会产生灾难性的后果。不过，这也有待证实。

LHC启动后55分钟，第一束质子流就沿顺时针方向贯穿了整个对撞机。5个小时后，第二束质子流也沿逆时针方向走完了全程。这为最终实现两束反向运动的质子流碰撞扫清了障碍。

LHC项目主任林恩•埃万斯说，第一次碰撞预计在年底前实现。在此之前，他们还需要数月的时间反复调试质子流运动的轨迹，使其能够在预定的位置准确相撞。

这个过程很难。因为，要让半径仅10-15米的两个质子在半径3厘米的真空管中相撞，难度比两颗子弹在太阳中相撞还难。

一旦撞击成功，很可能会重现137亿年前宇宙大爆炸后第一瞬间的景象。物理学家推测，在那一瞬间，由于巨大的冲击力，质子完全处于粉碎的状态，整个空间弥漫着猛烈无比的“粒子浓汤”。

天生的“发现机器”？

建造LHC的构想，最初产生于1984年。

这个项目由CERN的20多个成员国负责建设，吸引了全球80多个国家和地区的近2000多名物理学家参与。

CERN坐落在法国与瑞士交界的日内瓦湖附近。LHC就安装在那里一个地下100米深、27公里长的环形隧道内。之所以要在地下建隧道，主要是为了避免使用昂贵的土地，同时也有效地屏蔽了加速器束流运行时产生的放射性。

在LHC对应的地面上，是CERN的办公楼、实验室和居民区。

安装LHC的隧道并不是新建的，之前里面有一个大型的正负电子对撞机(用于粉碎电子，而不是质子)。

建造LHC前后用了10年时间，设备总重量达37600吨，其中有9300块磁铁。不算挖隧道的费用，仅机器本身的投入(接近50亿美元)就可以建至少10个“鸟巢”。

建成后的LHC不仅是世界最大的粒子加速器，同时也是世界最大的机器。

它的耗电量相当于整个日内瓦市全城的用电量。在一年5亿欧元的预算中，相当一部分要用于支付电费。

一旦LHC“开足马力”，能把数以百万计的质子加速至将近每秒钟30万公里，是光速的99.99%。质子流每秒可在隧道内狂飙11245圈，单束质子流能量可达7万亿电子伏特——约相等于一列高速列车的能量。

运行方向相反的两束高速质子流一旦对撞，碰撞点将产生极端高温，最高可达到太阳中心温度的10万倍。

物理学家们相信，当两束总能量达到14万亿电子伏特的质子束“迎头相撞”时，从未见过的粒子将会出现。上一次，他们通过对撞发现新粒子——W和Z玻色子——还是在1983年。此后25年，物理学家没有再发现过新的粒子。这也正是他们破釜沉舟建造LHC的原因所在。

中国科学院高能物理所李海波研究员对《中国新闻周刊》说，自从1919年卢瑟福用天然放射源轰击氮原子发现质子后，粒子撞击实验就成为物理学家探索物质内部结构的有力武器。

“从这个意义上说，粒子对撞机就好比物理学家的显微镜。”物理学家克林斯说，“而LHC无疑是有史以来尺寸最大、功能最强的显微镜。”

“LHC天生就是个发现机器。”CERN中心主任、法国物理学家罗贝尔•艾马说。

为了寻找希格斯玻色子和其他新粒子，CERN的科学家建造了4个地下观测器，记录撞击时景象。

其中一个名为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7000吨，与法国艾菲尔铁塔的重量不相上下。

如果物理学家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。在过去的数十年，物理学家一直构建的标准模型，希望把已经发现的粒子整齐划一地归类。现在，他们离这个目标就差一步——找到希格斯玻色子。

标准模型是一套描述强作用力、弱作用力、电磁力这3种基本力以及组成所有物质的基本粒子的理论。它把基本粒子(构成物质的亚原子结构)分成三大类：夸克、轻子与玻色子。

标准模型的出现，使得各种粒子如万鸟归林般拥有了一个共同的“家园”，非常之完美。然而，这种完美有个致命的缺陷，那就是该模型预测出的粒子没有任何差别并且质量都为零。

1964年，英国物理学家彼得•希格斯预言存在一种希格斯玻色子，其他粒子都在其构成的“海洋”中游弋，受其作用而产生惯性，最终才有了质量。

希格斯玻色子不仅能够解释物质质量之源，而且能完美地支撑起整个标准模型的理论大厦。因此，它也被称为“上帝粒子”。

“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物理学家李•斯莫林说：“否则的话，我们就一直在错误的理论根基上原地踏步。”

“这是解开宇宙构成秘密的一个关键所在。”美国费米国家实验室的理论物理学家约瑟夫•里肯教授说道。

在LHC建成之前，世界上最大的粒子对撞机位于费米国家实验室。它的加速轨道长3公里，撞击时产生的最大能量是LHC的七分之一。

虽然如果LHC寻找希格斯玻色子失败，将令很多人大失所望。但也有一些人认为，这未必不是一件好事。里肯说，那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，因为很多理论都是建立在标准模型之上的。

霍金的100美元

认为找不到希格斯玻色子未尝不是一件好事的，还有英国物理学家霍金。

他在接受英国广播公司的采访时开玩笑说，“如果未能发现希格斯玻色子，会更加激动人心。那表明存在某些错误，我们得重新思考。”霍金说，他还与美国密歇根大学的高迪•凯恩教授以100美元为赌注打赌，认为LHC不会发现希格斯玻色子。

对于霍金的“挑衅”，44年前预言希格斯玻色子存在的希格斯非常生气。9月10日，他在英国爱丁堡举行的记者会上对霍金的上述言论进行了回击。

希格斯说：“我必须承认直到现在我也没看过霍金做出这种断言的论文。但是我读过他写的一篇文章，我认为这就是他得出上述结论的理论基础。坦率地说，我认为他的研究方法不够好。我的理解是，他将粒子物理学与引力理论以一种粒子物理学家都不相信的方法放在一起研究，这不正确。”

不仅如此，希格斯也不赞成霍金关于LHC更有可能找到“超伴子”的观点。

“超伴子”是超对称假说预言的一种粒子。这一假说如果得到证实，将使已知粒子的数量增加一倍，而且使希格斯玻色子的存在变得毫无意义。

除了“超伴子”之外，霍金还预言LHC可能会产生微型黑洞。“如果真的能发现微型黑洞进而验证我的相关理论预言，无疑我将获得诺贝尔奖。”霍金说。

不过，这需要他耐心等待。CERN的物理学家彼特•詹李说，LHC很可能不会立即给出这些问题的答案，“人们不应该想当然地认为伟大的事件即将发生。这台对撞机将花上几年甚至更长时间，才能发现希格斯粒子或其他新粒子。”

世界末日？

物理学家应用粒子加速器已经有30年的时间，迄今没有发生过事故。但LHC因为其超大的规模和功率引起了人们的担忧。

2008年初，一位科普作家和一位辐射安全专家向美国夏威夷地区法院和欧洲人权法院提起诉讼，要求制止物理学家启动LHC，认为它可能引发一个灾难性的黑洞或制造出“奇异物质”，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。

反对者中也不乏科学家。德国化学家奥托•勒斯勒尔教授就是LHC最坚决的反对者之一。他说:“CERN自己也曾承认，在粒子高速相撞时，可能会产生微型黑洞，但他们却忽视了这一风险。”

16岁的印度女孩查雅由于担心LHC启动会带来世界末日，9月10日当天更是喝农药自杀。查雅的父亲在接受印度当地电视台采访时自称比哈里拉尔。他说，查雅之前“观看了关于世界末日的新闻节目”。印度不少新闻频道过去几天一直在播放讨论LHC实验以及世界末日预言的节目。

比哈里拉尔说：“查雅自杀前两天一直问我和其他亲人有关9月10日世界末日来临的事情……我们试图分散她的注意力，告诉她不用担心这类事情，但没有用。”

CERN的科学家认为，黑洞这类恐怖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？”

李海波对《中国新闻周刊》说：“从地球诞生以来，已经发生过成千上万次与LHC进行的实验相等量的自然过程了——这个星球依然存在。”

有记者问霍金，这个人类有史以来最昂贵的实验到底有什么意义呢？

他回答说:“LHC对人类至关重要——如果人类不想一代一代愚蠢下去并最终灭亡的话。这个项目的总费用不到全世界GDP的千分之一，如果连这点钱都不想付，我们就该愧对‘人类的称呼了。”