话说大型强子对撞机

云　帆

9月10日，欧洲核子研究中心大型强子对撞机启动。公众从各种媒体得知，这座世界最大的粒子对撞机，将模拟宇宙大爆炸早期的情景。人们问：“什么是强子?”“什么是对撞机?”“强子对撞机与宇宙大爆炸何干?”为了回答这些问题，我们从热大爆炸宇宙学说起。

“宇宙大爆炸”是怎么回事?

德国哲学家康德说：“世界上有两件东西能够深深地震撼我们的心灵，一件是我们心中崇高的道德，另一件是我们头顶上灿烂的星空。”深邃浩瀚的宇宙，引起人类好奇求知，唤醒人类美感追求，激发人类诗意灵感，诱导人类哲学思考。宇宙从哪里来，宇宙什么样，宇宙向何处去，是人类亘古至今的永恒课题。

现代宇宙学于20世纪初诞生。1917年，爱因斯坦在广义相对论的方程中，有意加了一个“宇宙常数”，于是得出结论：“宇宙是静态的”，既不膨胀，也不收缩。这个“静态宇宙模型”，既是现代宇宙学的发轫，也是令爱因斯坦懊悔的“一生最大错误”。

1922年，苏联数学家、物理学家阿列克谢·弗里德曼(1888～1925)，同样是根据广义相对论进行研究，得出相反的结论：宇宙或是膨胀，或是收缩，宇宙是动态的。1929年，哈勃观测发现星系退行速度与距离成正比，为宇宙膨胀的观点提供了支持。遗憾的是，弗里德曼已经在4年前作古，没有听到与自己共鸣的美妙声音。

1930年代，科学家勒梅特想：宇宙膨胀会不会是由一场大爆炸引起的?1948年，美国科学家伽莫夫、阿尔法发表论文，发展了勒梅特的理论，为热大爆炸宇宙学奠定了基础。20世纪前半期的宇宙观的变革，精彩而富有启发。

热大爆炸宇宙学认为，早期宇宙的物质密度极高，温度也极高，可以说那时的宇宙是超高温、超高能的“宇宙汤”。后来，宇宙不断膨胀，物质密度不断变“稀”，温度不断下降。宇宙从热到冷、从密到稀的演化过程，犹如规模巨大的“热大爆炸”。在温度逐渐降低的过程中，物质经历了一系列的演化过程。先是产生了夸克、胶子。温度降低后，由上夸克和下夸克组成了质子、中子。温度再低，由质子、中子构成了原子核。后来，原子核与电子组成了原子、分子。当温度下降到几千摄氏度时，宇宙中主要是气态物质，气体冷却凝聚成气体云，形成恒星、星系。伽莫夫预言，宇宙中仍存留着绝对温度5K的遗迹辐射。

伽莫夫、阿尔法的理论发表之后，因为缺乏观测数据的支持，在很长时间内并没有引起科学界的广泛重视。

“宇宙大爆炸”有什么证据吗?

1965年，美国贝尔实验室的射电天文学家彭齐亚斯和威尔逊，在进行实验的时候发现，总是存在一种本底噪声的干扰，连续不断的“丝丝声”干扰了通信的正常进行。奇怪的是，那噪声一年四季都有，日日夜夜都有，任何方向都有。他们设想了引起噪声的许多可能的原因，一一加以排除。他们甚至怀疑，是天线上的鸟粪在作怪。但是，把这种“白色介质”除掉，噪声依然存在。彭齐亚斯和威尔逊找不到引起噪声的真正原因，就打电话向普林斯顿大学的迪克请教。

发展科学需要实证精神。普林斯顿大学的迪克小组，多年来一直在寻找宇宙大爆炸遗留的余波——宇宙微波背景。得知彭齐亚斯和威尔逊发现的这种现象，迪克小组迅速认定，这就是他们苦苦寻觅许多年的宇宙微波背景!迪克还把伽莫夫预言的5K修正为3K。

1978年，彭齐亚斯和威尔逊因“发现宇宙微波背景辐射”，分享了诺贝尔物理学奖的一半(另外一半，颁发给苏联低温物理学家卡皮查)。人们打趣道，他们是“铲除了一堆鸟粪，发现了一把黄金。”历史也不会忘记迪克小组的贡献。

3K宇宙背景辐射的发现，是热大爆炸宇宙学取得的一个重大胜利。人们进而思考这样一个问题：在大爆炸过程中什么时候、为什么会发生物质结团的现象，演变成今日这个物质分布极不均匀的宇宙?

1970年代，美国的约翰·马瑟在做博士后研究工作时，就提出利用卫星研究宇宙背景辐射的设想。他终于盼到1989年11月18日，美国发射了宇宙背景探索者卫星COBE。1992年4月23日，当时就职于美国加州大学劳伦斯·伯克利分校的乔治·斯穆特宣布，利用COBE发现宇宙背景辐射温度存在微小的起伏，温度起伏的相对值大约是十万分之零点五。这个数据与宇宙结构形成的理论大体一致。宇宙背景辐射温度存在微小的起伏，就意味着在宇宙早期，物质的分布并不均匀。物质密度高的区域，对周围物质的吸引力大，能够把周围物质吸引过来，使得这个区域的物质密度变得更高，最终形成恒星和星系。2006年，乔治·斯穆特和约翰·马瑟荣获诺贝尔物理学奖。COBE是宇宙学发展成精确科学的里程碑。

继COBE之后，美国在2001年发射了第二代宇宙微波背景探测卫星WMAP。WMAP与COBE的观测任务基本相同，但是WMAP的分辨率和灵敏度高得多：WMAP的空间分辨率达到0.2度，而COBE仅为7度。WMAP的重大贡献，不是获得了什么新的发现，而是大大提高了观测数据的精度。根据几年来WMAP的观测数据，科学家得出许多重要的结果：宇宙是平的(精度高达1％)；宇宙的年龄是137，亿岁；原子诞生在宇宙37.6万岁的时候；宇宙空间可见物质、暗物质、暗能量的比例，分别约为4.6％、23.3％、72.1％。这就是为什么以前说宇宙的年龄是150亿岁，现在说宇宙的年龄是137亿岁。

强子对撞机是做什么的?

谈论粒子物理学之前，让我们简要回顾人类探索物质结构的历史。直到19世纪末，人们仍然认为，原子是不可再分的最小的物质单元。20世纪初，人们的知识深入到原子内部：原子有一个带正电、位于中心的原子核，原子核外面有电子云。1930年代，人类对物质结构的认识，更跨入原子核的内部：原子核是由质子和中子组成的。

科学家提出一个新的问题：质子和中子，又是由什么组成的?1970年代建立的“标准模型”提出，构成物质的最小单元是夸克和轻子，物质是由3对轻子和3对夸克组成的。3对轻子是：电子、电子中微子；μ子、μ子中微子；τ子、τ子中微子。3对夸克是：上夸克、下夸克；粲夸克、奇异夸克；顶夸克、底夸克。

上面说的这些夸克和轻子的名称，个个看上去都很陌生，都很难接受。你不必紧张：不仅你对这些粒子犯难，连著名的物理学家费米都表示，他也记不住这么多粒子。有一次，学生问他某个粒子的名称，他幽默地回答道：“如果我记得这么多粒子，我早就去当植物学家了!”

有一个办法，可以简化记

忆、提高兴趣。那就是“贴近实际、贴近生活”。我举几个大家看得见、摸得着的实际例子，你就不会觉得夸克和轻子复杂玄奥、难以企及了。我要跟你说，虽然轻子有6种、夸克也有6种，我们日常生活中打交道的物质却没那么复杂，它们都是由电子和上、下夸克组成的。例如，质子是由2个上夸克、1个下夸克组成的；中子是由2个下夸克、1个上夸克组成的。你看，一旦接触生活实际，我们只会遇到一种轻子——电子，你本来对它就很熟悉；一旦接触生活实际，我们就只会遇到两种夸克——上夸克和下夸克。于是，问题大为简化，你的恐惧感也该消失了。现在，你明白了，构成我们身边的物质的最小单元，不是原子；也不是电子、质子、中子；而是电子、上夸克、下夸克。

此刻你会想，不是有6种夸克吗?另外4种到哪里去了?其他4种夸克(粲夸克、奇异夸克；顶夸克、底夸克)，仅仅在宇宙大爆炸之初存在过。在今日地球上，这4种夸克只有在粒子对撞实验中才能出现。实际上这就是说，粒子对撞机能够模拟宇宙大爆炸之初的状况。

人们要想知道核桃里面的构造，就把两个核桃对撞。外皮被打碎，就取出了里面的果肉。粒子对撞机也是这个道理。这就是为什么有人把各种粒子对撞机形象地称为“原子粉碎机”。粒子物理学家借助大型研究设备——正负电子对撞机、质子一反质子对撞机、大型强子对撞机，探究物、质结构，模拟宇宙形成之初的情形，以了解宇宙起源与演化。

在欧洲大型强子对撞机运行之前，美国费米实验室的质子－反质子对撞机，是世界上能量最高的加速器，为1万亿电子伏特。这话是什么意思呢?它是说，加速器将质子和反质子分别加速，在它们的能量各自达到上万亿电子伏特时，让它们发生对撞。以接近光速的速度飞行的质子、反质子发生对撞，能够把质子撞碎。1995年，费米实验室宣布发现了顶夸克。至此，3对夸克均已经被发现。

热大爆炸宇宙学认为早期宇宙处于超高能、超高温状态。例如，在夸克－胶子等离子体阶段，温度高达1千万亿K，粒子的平均能量达1万亿电子伏特。科学家借助高能粒子对撞再现宇宙大爆炸。对撞机加速器能量越高，实验所对应的宇宙大爆炸时间就越早。这就是为什么，有了费米实验室的质子一反质子对撞机(能量为1万亿电子伏特)，还要建造大型强子对撞机。大型强子对撞机可以使质子在14万亿电子伏特能量下对撞，质子中的基本粒子的对撞能量能达到几万亿电子伏特。

大型强子对撞机肩负什么任务?

能量为14万亿电子伏特的欧洲大型强子对撞机，是全世界粒子物理学家翘首以盼的巨型实验设备。什么是强子?“强子”本指“参与强力作用的粒子”，，包括重子和介子。又出现这么多术语、概念，实在难为了读者，还是说大家熟悉的东西为好。原子核内的粒子，如质子、中子，都属于强子。在“大型强子对撞机”中，“强子”指的就是质子。大型强子对撞机把反向运动的两束质子分别加速，再让它们对撞。加速环长度为27千米。在大型强子对撞机加速器环内，质子被加速，最终达到每秒转11000圈的速度。每圈是27千米，11000圈就是297000千米。就是说质子的速度，达到了光速的99％。

欧洲核子中心的科学家于1984年就提出了大型强子对撞机项目构想。这个世界最大的加速器于2003年开工建设，建在法国和瑞士边界的阿尔卑斯山地下175米深处。2008年9月10日，大型强子对撞机启动。20日，发生液态氦泄漏事故。23日，欧洲核子中心的发言人表示，由于维修需时太长，对撞机预计到明年春天才能恢复运行。即将到来的这个冬天，我们会觉得它很漫长。

大型强子对撞机肩负什么任务?它将直面五大科学问题：

首先，物体的质量是从哪里来的?标准模型预言的粒子，只剩下一种还未找到，那就是“希格斯玻色子”。观测到“希格斯玻色子”，就证明存在“希格斯场”，所有粒子与“希格斯场”弥漫物质相互作用，就形成了它们的质量。另外四个问题是：

一，占宇宙95.4％的暗物质和暗能量，是由什么构成的?

二，宇宙大爆炸产生了相同数量的物质和反物质，但是，为什么在宇宙空间迄今找不到反物质?

三，大爆炸发生后，原始宇宙形态什么样?

四，是否存在4维空间以外的额外维度?

欧洲核子研究中心说，他们建造大型强子对撞机，是要探索宇宙本质和物质本源。小到微观粒子——探索物质本源，大到宇宙现象——探索宇宙本质，都包容在一台对撞机的实验中了。人们对客观世界如此广泛的研究，在这里汇合起来；人们对大小两个宇宙的认识，在这里融会贯通。科学是不是很有趣，很美妙、美丽、美好?

责任编辑蒲晖