最大对撞机企图撞出宇宙起源

■ 庾莉萍

大型强子对撞机于2008年9月10日开始运转，并产生了第一批图片。整个对撞机运行正常，出乎所有人的预料。这是2008年度科学界最引人瞩目的事件，这是有史以来人为的最高能量粒子对撞，它将揭示宇宙起源之谜。用霍金的话来说，这项实验将宣布“物理学上一个新的黄金时代即将到来”。

打造巨大能量质子束流

大型强子对撞机是一座位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织的粒子加速器与对撞机，作为国际高能物理学研究之用。大型强子对撞机经过9年建设后，于2008年9月10日开始运作，成为世界上最大的粒子加速器设施。大型强子对撞机是一个国际合作的计划，由34个国家超过2000位物理学家所属的大学与实验室共同出资合作兴建的，来自34个国家的5000余名科学家和工程师，投下将近20年的时间。

大型强子对撞机不仅是世界上功能最强大的粒子加速器，也是世界上规模最大的机器，规模如同一列火车。大型强子对撞机磁体高16米，长、宽均有10余米，重达1920吨。人力、物力投资和预期的科研成果都使其跻身“大科学实验”行列的首位。一个圆周为27千米的圆形隧道位于地下50米～150米，这是先前大型电子正子加速器所使用隧道的再利用。物理学家没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机，而是决定拆掉原来安置在欧洲核子研究组织的正负电子加速器，代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。隧道本身直径3米，位于同一平面上，并贯穿瑞士与法国边境，主要的部分大半位于法国。虽然隧道本身位于地底下，尚有许多地面设施如冷却压缩机、通风设备、控制电机设备，还有冷冻槽等等建构于其上。加速器通道中，主要是放置二个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆，以液态氦来冷却。管中的质子是以相反的方向，环绕着整个环型加速器运行。预期的建造总额约为80亿美金。

一旦大型强子对撞机开始运行，就将产生出能量比以前高得多的质子束流。当二个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。

大型强子对撞机正在制造一个宇宙中最冷的地方。对撞机内大约有9600块磁铁,这些磁铁在实验时将会被冷却到1.9K，这比外太空还要冷得多。与之相比，遥远外空的温度大约是2.7K。那么，为何要将磁铁冷却到接近绝对零度这样的低温呢？因为在此低温下，此磁铁能在没有任何电阻下工作。到目前为止，大型强子对撞机的八个部分中已经有六个的温度达到1.9K～4.5K，不过在最后几个月的某个阶段，这个对撞机的所有部分的温度都将降低到1.9K以下。大型强子对撞机用10 800吨液氮将这些磁铁冷却到－193.2℃，之后再用大约60吨液氦将它们冷却到余下的温度。

质子束在大型强子对撞机中穿行的管道是“超高度真空”。之所以制造如此高度的真空是为了避免粒子在到达合适的撞击点之前，在中途出现撞击。即使单个分子的气体也可能会导致这一实验失败。

维持在超导、超真空状态运行，引导并聚焦着二个质子束流。质子束流的速度可达光速的99.999 999 1%，粒子流每秒可以在隧道内狂飙11 245圈，每个质子携带的能量将达到7万亿电子伏特，相当于质子静止质量所含能量的7000倍。目前的最高能量纪录保持者，是美国费米国家加速器实验室的万亿电子伏特正负质子对撞机，而大型强子对撞机产生的质子能量将是该记录的7倍。而且，根据设计参数，大型强子对撞机产生的束流强度，将是万亿电子伏特正负质子对撞机束流的40倍。

大型强子对撞机四周的六个探测器将收集数据并引导实验。其中一些探测器将会搜寻同一种信息，但不在同一个方向。它们是四个主要的探测器和二个较小的探测器。大型强子对撞机及其实验装置有大约1.5亿个传感器，这些传感器将收集数据，并将数据发送给不同计算机系统。

据欧洲核子研究组织介绍，实验时所收集的数据量将达到每秒大约700兆字节，这意味着1年能产生大约1500万GB的数据。100万GB是1PB。如此多的数据将可以刻满10万张DVD。欧洲核子研究组织的科学家决定了集中利用相对便宜的设备完成他们的计算工作，而不准备购买前沿的数据服务器和处理器。实验期间还需要大量的能量来运转大型强子对撞机。据欧洲核子研究组织估计，大型强子对撞机运行1年的耗电量达到80万兆瓦小时，这个数字可能更大，但此机器冬季将不会运行。根据目前的电价，其1年的电费开支将达到3000万美元。

中国物理学家在科技部、自然科学基金委和中科院的支持下，参加了大型强子对撞机实验探测器的建设，因此可以共享大型强子对撞机数据。大型强子对撞机实验每年产生的数据量高达几百亿MB，上传给大型强子对撞机的全球计算资源网络——大型强子对撞机计算网格的集线中心。网格系统能够综合利用网格上所有计算中心的超级计算能力和海量储存系统。用户只需从当地研究所登录网络，即可利用网络的处理能力进行数据分析。海量数据的分析主要依靠高性能计算能力和研究团队的水平，高能所已经具备从网络上获取海量信息和进行数据分析的能力。国内的许多大学也组织了大型强子对撞机数据分析团队。

企图揭示宇宙起源

通过模拟宇宙起源的“大爆炸”，强子冲撞器将被当做“试管中的宇宙”供科学家研究亚原子微粒的一系列运动和能量变化，这将极大地推动由爱因斯坦等20世纪的物理学巨匠的研究。科学家希望这些撞击事件将告诉我们更多有关宇宙是如何起源的以及宇宙由什么组成的内容。

大型强子对撞机是至今建成的最艰巨最强大的粒子加速器。来自几十个国家的数千名科学家一直为它在努力工作，以竞相获得新的发现。大型强子对撞机圆周六处位置可以收集来自不同实验的数据。设备周身布满了教堂大小的针状巨型探测器，其中一些实验会彼此重叠，科学家将尽力首次揭开一些重要的新信息。

大型强子对撞机在使用过程中能使质子对撞达到无可企及的高能状态，在一个微小空间产生短暂的达到太阳温度10万倍的高温，这一能量可创造出与宇宙大爆炸万亿分之一秒时类似的状态，其碰撞之后的产物正是物理学家寻觅物质起源的依据，即是一种实验室里的重现。根据标准模型的预言，现在还存在着最后一种没有被发现的粒子——希格斯粒子。

希格斯粒子或称希格斯玻色子、希格斯子，是粒子物理标准模型预言的一种粒子，它可以解释为什么质子、中子和其他物质会拥有质量。按照标准模型的假设，希格斯粒子是物质的质量之源，其他粒子在希格斯粒子构成的“海洋”中游弋，受到希格斯粒子的作用而产生惯性，这才拥有了质量。在这一基础上，所有的粒子相互作用，统一于标准模型之下，构筑出大千世界。所以，上帝创造了万物，而构建起万物质量的基石——希格斯粒子，也就被人们称为“上帝粒子”。

这台对撞机可能能够发现宇宙的组成。我们周围能被我们认知的普通的“东西”，像水分子、碳分子、氧原子以及其余组成我们人体、地球和宇宙的这些物质，其实只占组成宇宙的基本元素中的一小部分。天文学家可能知道一些其他物质，它们遍布在宇宙中的每一个角落，它们的引力会微妙地改变星系中的物体运动。人们不知道这些到底是什么物质，只能称之为“暗物质”。

在宇宙诞生的第一时刻，物质和能量是成双成对的。就在物质和能量彼此分开之后，物质与反物质粒子才彼此湮灭。如果物质和反物质等量，这二种类型的粒子就会彼此消灭。但幸运的是，我们宇宙中物质还是比反物质多了一点。科学家希望他们能在大型强子对撞机撞击事件中观察到反物质。这或许能帮助我们了解当宇宙诞生时为何物质与反物质的数量存在微小的差别。

大型强子对撞机可能产生的另一种理论粒子是磁单极子，它是只有一个磁极而不是通常的二个磁极的一种假想的粒子。瓦格纳和山其欧提出的担忧就是这种粒子。它们能通过其不均衡的磁荷将物质分开。事实上，至少有一支科学家小组正在积极寻找磁单极子的证据，希望大型强子对撞机会产生一些。

运行压力大

自大型强子对撞机建立之初，反对的声音就一直没有平息过。自从1994年大型强子对撞机的设想被提出以来，始终有一小部分悲观派认为，这种复制137亿年前宇宙起源环境的行为有可能会导致一场无法遏制的灾难，尽管这种情况出现的概率极低，但风险是客观存在的。美国的二名科学家瓦格纳和桑科曾于2008年3月21日在檀香山联邦地方法院提起诉讼，他们认为大型强子对撞机的启用有可能创造出一个迷你黑洞，某些人士因此担心这些黑洞可能会进一步吸入周围的物质，越长越大，对地球构成威胁。但科学家解释，这样的黑洞很小，按照霍金提出的黑洞理论，这些黑洞应该迅速蒸发而消失，并不会造成任何危险。实际上，这些对撞机根本达不到形成黑洞所要求的能量规模，这里差着不知多少个数量级。

更奇异的是，他们认为冲撞也可能将导致宇宙的空间和时间维度产生一个灾难性的链式反应，像扎破的气球般瞬间将地球整个撕裂。这个科学家群体由一位名为奥托的德国化学家牵头，他们认为，根据欧洲人权协定，大型强子对撞机的启用将侵害生命权和家庭生活权。还有一种观点认为，大型强子对撞机将产生一类名为“奇异微子”的粒子，将地球变成一团沉寂、收缩的“奇异物质”。

面对种种不同的声音，欧洲核子研究组织的科学家仍然满怀信心，研发的脚步虽几次受阻但从未曾停滞。欧洲核子研究组织的科学家实际上已经进行了一系列安全性检查工作，并宣称大型强子对撞机实验并不存在任何可测量的风险。而对那些撞击实验将导致世界末日的观点，科学家也承认大型强子对撞机能产生黑洞，但他们表示这些黑洞是亚原子级别的，且马上会崩溃。而天文学家研究的黑洞是整个恒星本身坍塌形成的，二者之间大有不同。最有力的反驳就是宇宙射线时时刻刻都在以远大于实验所产生的能量撞击地球表面。

另一个担忧是大型强子对撞机将产生奇异物质，叫“奇异子”。奇异子的一个可能的特性就是特别令人不安。宇宙学家理论认为奇异子拥有强大引力场，能让它们将整个行星变为无生命的废物。科学家多个方面来解除这种担忧。首先，他们指出奇异子是假设的，没有人在宇宙中观察到这种物质。其二，这些物质周围的电磁场会排斥正常物质而不是将它变成其他东西。第三，他们表示即使有这种物质存在，它们也会高度不稳定，会瞬间衰变。第四，科学家表示高能量宇宙射线会自然产生这种物质。由于地球是圆的，因此他们理论认为奇异子将对地球无可奈何。

实际上，欧洲核子研究组织的科学家担心的不是世界末日，而是目前的大型强子对撞机还不够大，还不能使粒子释放足够能量，以完成实验。这样的话，他们将不得不花费更高昂的价格造一个更大的家伙。如果设备真的出现了问题，抑或是科学家的模型根本就是错误的，那么尽管已投入巨资，但实验不得不推倒重来。这将不是世界末日，而是物理学的灾难。

有学者创建了粒子模型试图证明：大型强子对撞机运转的结果只能为空。大型强子对撞机不会找到希格斯粒子，顶多只能停留在上一代超质子同步加速器的水平；夸克与轻子能且只能分为三代，大型强子对撞机不会对此有所突破，对标准模型的完善亦毫无意义；也许束流对撞的结果会产生不同的物质，但如果说这就与宇宙的形成有关，未免过于虚幻，想从中知道物质的起源更显得荒谬。

但科学界普遍持看好的态度，纷纷将其评为2008年最受关注的科研事件之首。其意义正如《科学》杂志所评价的：“即使大型强子对撞机只能贡献少量科研数据，那也足以被视为重大进展。”