2008年9月10日,这个新中国的第24个教师节注定要成为不同寻常的一天。
粒子物理学家们坐立不安,争相收看来自欧洲的一档直播节目,因为今天也是欧洲核子中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)正式启动的日子,而各地的科学家们为此已经等待了20年了,这台耗资数十亿美元的“原子粉碎机”将模拟宇宙大爆炸之初十亿分之一秒的情景,揭示迷人的“新物理学”。
LHC的科学家们认为这个划时代的粒子物理实验项目关系重大,应该向全世界直播,本来选定在8月份正式启动,可是由于北京奥运会的召开,所有频道都在热火朝天地转播奥运节目,LHC根本买不到直播时段,因此不得不推迟到了9月10日。
当天,引发争议的“撞击会形成黑洞,吞噬掉地球”的情况并没有出现。
每秒6亿次碰撞
LHC的研究机构,著名的欧洲核子中心(CERN)1952年成立,实验室在日内瓦郊外,跨越法国和瑞士边界,位于法国的侏罗山脉与瑞士风光秀丽的日内瓦湖之间。
粒子物理代表了人类所追求科学理解世界的最尖端的基础研究,这种研究在可预见的时期内不会产生商业上的利益,与此同时,研究能量范围越来越高,实验设备的规模越来越大,建造和维护实验设备所需要的技术、资金、人力、物力,远非某一个国家所能够承受。
LHC由30多个国家的科学家共同建造和维护的,包括欧洲20个CERN成员国,美国、日本、俄罗斯等6个观察国,以及加拿大、中国等参与国,LHC的成功,是科学家的智力投入和资金投入的国际化合作的结果。
参与LHC计划的科学家有上万名,来自全球500多所科研机构和工业公司。CERN成员国投入60亿瑞士克朗,另外有10%投资来自其他国家。
这台“粒子粉碎机”的加速环直径8.66公里,周长27公里,位于日内瓦郊外,跨越瑞士和法国边境。加速环所在隧道建设在地下岩层中,深度为50米~175米。它可以把质子加速到7万亿电子伏特(TeV,即10的15次方),1TeV相当于一只蚊子飞行的能量,但质子只是蚊子的万亿分之一,因而其速度可以达到光速的99.9999991%,其动能是质子静止质量的1000倍。两个质子迎头相撞时碰撞能量为14TeV,铅粒子中有更多的质子,碰撞能量可以达到1150TeV。
当LHC以最高能量状态满负荷运行时,环形轨道内粒子所具有的总能量足以融化50吨的铜。
LHC将使相向运动的两束质子流或者两束铅离子流迎头碰撞。这两束粒子从CERN现有的加速器中产生,在能量达到0.45TeV时注入LHC轨道,在超导磁体的磁场约束下进行循环加速,并逐渐约束为头发丝粗细的“银针”。轨道中将会包含近3000束粒子流,每个束流包括多达1亿个粒子。由于粒子非常小,它们碰撞的机会是非常渺茫的,束流相遇时,每两亿个粒子中可能会发生20次碰撞,不过,这些束流每秒钟会相遇3000万次,所以LHC中每秒会发生6亿次碰撞。
寻找“上帝粒子”
这样的“对撞”意义何在呢?
20多年前,粒子物理学家们总结出来一套粒子物理的标准模型,将基本粒子分解成了六种夸克和六种轻子以及它们的反粒子。
标准模型预言,在LHC探测的能量范围内,必定存在一种希格斯(Higgs)粒子,这种粒子不带电荷,它的存在是其它粒子具有质量的原因,换句话说,缺少了它,“标准模型”就是不完整的。因此粒子物理学家们孜孜以求建立这样一套庞大的高能设备,寻找这个“上帝粒子”。
除了寻找建设“粒子物理标准模型”的最后一块“金砖”——希格斯粒子之外,LHC在更高能标下更精确的检验粒子物理的标准模型,寻找超对称迹象,还可能发现宇宙学家们寻找多年的暗物质粒子,或者找到理论学家们所预言的隐藏的时空纬度。
被问及对LHC的期望是什么,法国原子能委员会著名理论物理学家让·金恩-贾斯廷(Jean Zinn-Justin)说:“希望能发现我们未预料到会发生的东西。”有人开玩笑说,LHC最悲观的可能性是,只发现Higgs粒子。这就是说,除了又一次“完美地”验证了标准模型,我们什么新物理的迹象都没发现,那很多粒子物理学家要失业了。
毁灭地球的“杀手”?
然而科学家们建成的这样一台仪器却被许多人视为即将毁灭地球的“杀手”,这大概是科学昌明,传媒发达的当代最为无奈的事了。
欧洲核子中心的发言人James Gillies指出:“LHC将产生许多令人兴奋的新物理学结果,更新我们关于宇宙的认识,而世界仍将继续存在。”
LHC中的粒子对撞等效于将模拟宇宙大爆炸之后十亿分之一秒时的物理条件,科学家们希望它能够解决长期以来未能解决的问题,如为什么粒子会具有质量,空间是否有额外维。
有人声称LHC会产生“杀手奇异子”,如果它是稳定的,就会开始吞噬普通物质的原子核,把它们变成奇异物质,从而会威胁整个地球的安全。其实“奇异子”只是科学家为了辨别不同的粒子而起的名称,如构成质子和中子的“上夸克”和“下夸克”一样,“奇异夸克”在粒子物理学中只是一种“普通粒子”。LHC发表过安全报告,认为“这类潜在威胁没有存在的基础”。
欧洲核子中心的专家指出,比LHC更高能量的碰撞实际上在自然界中是经常发生的,比如宇宙射线粒子(来自宇宙空间的接近光速的高能粒子)轰击地球和月亮已经近50亿年,并没有形成贪婪的黑洞或者杀手奇异子把地球蒸发掉。
最令科学家们啼笑皆非的是关于“杀手黑洞”的说法。反对者认为LHC中离子碰撞时巨大的能量集中在极小的区域,会形成黑洞,吞噬掉我们的地球,即使不是今天,某一天早晨,人类会发现从地球某处相对的两端透出光亮来,那就黑洞正在吞噬地球。
科学家们指出,迷你黑洞的形成只有在额外维理论成立的情况下才会出现,而这种理论至今仍是猜想。更何况根据霍金的理论,这样的微黑洞即使会形成,也会在10的负26次秒内蒸发掉,根本不会稳定存在。虽然霍金黑洞蒸发理论也未曾得到过实验证实,但在几乎所有的理论框架内都是成立的。

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