本月初,爭議不斷的大型強子對撞機再次啟動,用能量更高的鉛離子進行碰撞。它是否會找到神秘的希格斯粒子,為游離于“標準模型”之外的引力正名,還是制造出黑洞毀滅地球?應瑞士國家形象委員會邀請,本刊記者來到歐洲核子研究中心,一睹其真容。
　　
　　我們的車停在瑞法邊境,遠處的汝拉山頂云霧氤氳,近處的牧場里牛群悠閑地吃草,深秋的午后的陽光撒在紅黃交錯的闊葉林上,如同一張凝固的明信片。
　　此刻,這幅寧靜的場景下面,CERN(歐洲核子研究中心)的大型強子對撞機(Large Hadron Collider,LHC)正在地下100米深處一條長約27千米的環(huán)形隧道內(nèi)發(fā)射出兩束粒子流。想到這些微粒正在接近光速運動,“相對論”這個詞就不由得蹦上我的腦海。
　　和你一樣,我少年時也看過《奧秘》和《十萬個為什么》,對于宇宙如何產(chǎn)生,宇宙之前是什么,宇宙之外又是什么,既著迷又困惑。好在,現(xiàn)代物理學不斷地嘗試解答宇宙起源這個最基本的疑問,尋找大爆炸理論(big bang)的更多證據(jù)并對其補充。CERN,正被學界認為是解讀宇宙奧秘的重要一站。我?guī)е鵁o數(shù)問題來到這里,將目睹物理學家如何向大眾解釋萬物之源。
　　
　　如果不是上帝,到底是誰創(chuàng)造人類
　　來CERN之前,我知道那是個花錢如流水的地方,全歐洲最不環(huán)保的地方(耗電大戶),也是聚集最多高能物理學家的地方。傳說CERN養(yǎng)活了地球上一半的粒子物理學家,而他們主要的工作就是想方設(shè)法把粒子剁碎,找到組成你我及世間萬物的最小成分,這聽上去不太浪漫。
　　當我們坐進CERN的會議室,物理學教授沃思(Rüdiger Voss)說,CERN的第一使命就是探索大爆炸的秘密,以及宇宙最初所有物質(zhì)的狀態(tài)。
　　且慢,你怎么知道宇宙必然是大爆炸產(chǎn)生的,而不是上帝創(chuàng)造的?
　　好吧,看看兩個著名的證據(jù)。其一是紅移現(xiàn)象。我們都知道,當一列火車向你迎面開來時,汽笛聲升高(聲波的波長變短),當它離你遠去時,音調(diào)就不斷降低(聲波的波長變長),這就是多普勒效應。與聲波一樣,光同樣有多普勒效應,當一個星系離我們遠去時,譜線波長越長,也就越接近紅色。
　　20世紀20年代,當天文學家開始觀察遙遠恒星的光譜時,異常情況發(fā)生了:它們所缺失的顏色和銀河系的恒星情況相同――它們看起來都越來越紅�！皩Υ�,唯一合理的解釋就是星系都在遠離我們�！庇�國物理學家霍金(Stephen Hawking)在其著作《萬物至理》(the Theory of Everything)中稱。1929年,天文學家哈勃提出了著名的哈勃定律:一個星系的退行速度與其距離成正比�！斑@些星系不是以實際的速度遠離我們而去,取代的是在其間的空間延展,即現(xiàn)在宇宙在不斷膨脹中。”
　　另一個支持大爆炸理論的證據(jù)在1964年被發(fā)現(xiàn)。當時,彭齊亞斯、威爾遜兩位貝爾實驗室的工程師用一臺接受衛(wèi)星信號的微波探測器對準天空,接收到一種奇怪的噪音。無論探測器指向哪里,無論早晚春秋,多余的噪音始終不變,所以它必然來自太陽系外甚至銀河系外,不因地球位置而改變。后來科學家推算出這種噪音所對應的是溫度為零下270攝氏度的黑體輻射出的電磁波(即大爆炸后的余波,理論物理學家早已預言過)。該發(fā)現(xiàn)讓兩人在1978年獲得了諾貝爾物理學獎。
　　數(shù)十年來,根據(jù)嚴格的觀測和物理推理,大爆炸理論已經(jīng)被絕大多數(shù)宇宙學家和天文物理學家所接受:宇宙始于137億年前發(fā)生的大爆炸。在隨后不到1秒的時間里,宇宙是一團炙熱的“濃湯”,只有最基本的不安分的粒子。隨著膨脹和冷卻,不同層次的結(jié)構(gòu)依次出現(xiàn),先是中子和質(zhì)子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系團,最終形成超星系團。
　　但是,對于宇宙形成初期的狀態(tài),只有理論,缺少實驗�！癈ERN在2008年耗資100億瑞郎(約80億美元)建成的大型強子對撞機正是要解決這個問題,”沃思教授說,“通過高速質(zhì)子的撞擊,來創(chuàng)造一個能量高達10萬億電子伏特(TeV)的大爆炸,或許能從中找到宇宙初期的粒子�！�
　　
　　沒有時光機,如何回到137億年前
　　描述組成物質(zhì)的那些詞里,質(zhì)子、中子和電子我們都不陌生,那強子又是什么呢?
　　在CERN做研究的波士頓大學的閆真博士告訴我,這是粒子物理學的說法。強子所代表的是參與強作用力的粒子,例如質(zhì)子或者重離子(比如本月初正在加速器里對撞的鉛原子核)。
　　強子(hadron)這個詞最早出自希臘語“hadrós”,意為“笨重的”。組成原子核的質(zhì)子或中子都叫強子,也可以理解為重粒子;而輕子(比如電子)雖然組成物質(zhì),但質(zhì)量輕,在加速過程中能量很容易損失,因此不適用于高能碰撞。
　　CERN的大型強子對撞機是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器(排名第二的是美國費米實驗室的粒子對撞機,能量為1萬億電子伏特),主要由幾部分構(gòu)成。閆真博士介紹,首先是一系列初級加速器,將逐級提升粒子速度,隨后粒子進入主加速環(huán)的兩個質(zhì)子束管,反向而行,分道揚鑣。當粒子束將以99.999%的光速飛行,每秒可以在27公里的管道里飛行超過一萬圈。
　　粒子束在主加速環(huán)里有4個碰撞點,每個撞擊點都有一個大型探測器,其中特定粒子探測器是ALICE(大型離子對撞機)和LHCb(底夸克探測器),通用粒子探測器是CMS(緊湊μ子螺線管)和ATLAS(超環(huán)面儀器)。很難想象,我所在的ATLAS是這個星球上最大的粒子探測器,其面積近占兩個籃球場,約15層樓高。為了展現(xiàn)其直觀尺度,CERN在ATLAS實驗室馬路對面的農(nóng)場里,做一個鏤空的超級大球體,頗為壯觀。
　　27公里長的加速管內(nèi)部包覆著超導體,以液氦來冷卻,保持管道超低溫零電阻,才能讓粒子運動接近光速。加速管是由超過1700段超導體管焊接而成,最多的是藍色的二極磁體管,其總長約20公里,作用是讓粒子束保持高速飛行及轉(zhuǎn)向;白色的四極磁體管負責將粒子束聚焦;靠近每個探測器的紅色磁體管負責吸引粒子碰撞。
　　在2008年9月,正是因為某兩段超導體的焊接問題,導致液氦泄漏,最終不得不停機檢修。這一停足足浪費了18個月光陰,直到今年3月才重新運轉(zhuǎn)。2010年11月8日,最震撼人心的時刻到了。
　　這一天,大型強子對撞機第一次使用重粒子――鉛離子進行對撞,過往實驗使用的都是質(zhì)子。鉛離子有28個質(zhì)子,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程,因此在撞擊時會產(chǎn)生更大的能量。ALICE探測器捕捉了這一刻――對撞瞬間產(chǎn)生的高溫相當于太陽核心溫度的100萬倍。
　　撞擊成功后,項目成員、伯明翰大學物理學家戴維?埃文斯博士激動地宣布:“對撞實驗產(chǎn)生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在實驗中取得的有史以來的最高溫度和密度。這個過程發(fā)生在一個安全、可控的環(huán)境內(nèi),生成了熾熱和稠密的亞原子火球,溫度超過太陽核心溫度的100萬倍。在這一溫度下,連構(gòu)成原子核的質(zhì)子和中子也被融化了,產(chǎn)生稱為‘夸克與膠子等離子體’(plasma)的熾熱而稠密的夸克與膠子湯�！�
　　吊胃口的是,科學家還需要根據(jù)探測器記錄到的數(shù)據(jù)來分析究竟撞出了什么。閆真博士說,在每秒產(chǎn)生的10億次質(zhì)子對撞中,產(chǎn)生了10萬個科學家感興趣的過程。然而,得到確認的是3000個,最終被記錄的事件僅有200個。“而ATLAS記錄的數(shù)據(jù),每三秒就要灌滿一張光碟,這些光碟堆上一年的話,足足有7公里高。”
　　難怪,在伯爾尼大學,安東尼奧博士(Antonio Ereditato)領(lǐng)著我們?nèi)タ锤吣芪锢韺嶒炇业腁TLAS項目,眉飛色舞地指著一個盯著電腦屏幕的女研究員說她找到了某種μ子(類似電子的微粒)。發(fā)現(xiàn)對撞后的新粒子猶如中頭彩!
　　
　　已知的未知和未知的未知
　　早在兩年前,由于擔心造成黑洞毀滅地球,即將啟動的大型強子對撞機竟被人告上法庭,不少CERN的科學家收到死亡威脅。
　　在電影和科幻小說中,黑洞可以捕獲粗心大意的飛船和行星,吞噬整個星系,或者成為平行宇宙的入口。
　　按照霍金的理解,黑洞是引力坍塌,向內(nèi)收縮到某個臨界半徑,形成強大的引力場,讓光線向內(nèi)彎曲到無法逃逸,而我們知道一切物體的速度都超不過光速,因此黑洞會吞噬一切進入其邊界的物體。
　　據(jù)科學家推算,要形成大型黑洞,能量必須大于1027電子伏特,但在對撞機里即使撞擊的是鉛離子,也比這個數(shù)字要小15個能量級,最多只能達到“迷你”黑洞的級別。
　　對此,沃思教授說:“大型強子對撞機確實能制造出一些微型黑洞,但不用擔心,這些微型黑洞不會吞噬地球。因為它們持續(xù)的時間很短,不足以做到吞噬地球。”
　　其實,宇宙射線打到外大氣層時,碰撞的能量已經(jīng)可以超過1012電子伏特,整個地球表面上每天大量產(chǎn)生這樣的黑洞。雖然觀察不到,但也未危及我們的安全――根據(jù)霍金的理論,黑洞的消失速度與其質(zhì)量成反比,因此微型黑洞在產(chǎn)生的瞬間就消失不見了。
　　“如果微型黑洞果真出現(xiàn)了,它們會立刻變成很多小粒子,利用ATLAS探測器應該可以發(fā)現(xiàn)�！遍Z真博士說。
　　與探測黑洞的不確定性相比,科學家更希望大型強子對撞機能彌補另一項空白。
　　在過去的100年里,經(jīng)過數(shù)以千計的物理學家探索和總結(jié),人類終于對物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)有了深刻見解。上世紀六七十年代發(fā)展出來的“標準模型”成功地解釋了一系列的實驗結(jié)果,準確地預測了各種現(xiàn)象。隨著時間的推移,經(jīng)過許多物理學家的眾多實驗積累,標準模型已經(jīng)成為一個經(jīng)過良好驗證的物理理論。
　　這個模型中某些種類是為人熟知的了。比如電子,便是其中之一�？淇耸墙M成質(zhì)子和中子的最小單位,也是更為奇異的物質(zhì)。然后還有中微子,W和Z玻色子,類電子的μ子和τ子,還有膠子――它的作用是將夸克聚合成團。膠子因此提供了所謂的強作用力,而W和Z玻色子提供了弱作用力,它決定了某些放射性反應特性。光子提供了電磁力,這種力廣泛存在,從決定指南針的指向到阻止固體物質(zhì)因吸引而坍塌。
　　總之,這16種粒子,可以分為夸克、輕子和玻色子三大類。“簡單地理解,夸克和輕子就是組成物質(zhì)的粒子,玻色子則是負責傳遞各種作用力�！遍Z真博士說。
　　但是,標準模型還留了一個空位,它就是尚未現(xiàn)身的“希格斯玻色子”(Higgs boson)。
　　1993年,美國物理學家萊德曼(Leon Lederman)在《上帝粒子:假如宇宙是答案,究竟什么是問題?》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一書中最早將希格斯玻色子形容為“上帝粒子”。
　　這種神秘的“媒介子”源于1964年英國物理學家希格斯(Peter Higgs)提出的一個理論:大爆炸最初所有的粒子都沒有質(zhì)量。當宇宙逐漸冷卻,直到溫度低于一個臨界值時,一個看不見的力場通過與其相關(guān)的粒子形成了,這個力場現(xiàn)在稱為“希格斯場”,而該粒子稱為“希格斯玻色子”。這個場普遍存在于整個宇宙,任何粒子相互作用都通過希格斯玻色子賦予了一定的質(zhì)量。粒子間相互作用得越多,則越重,因此從不與其他粒子相互作用的粒子(如光子)則完全沒有質(zhì)量。總之,希格斯玻色子的作用就是將質(zhì)量賦予其他物質(zhì)組成粒子。
　　然而,從未有人通過實驗來觀測到希格斯玻色子從而驗證這一理論。和很多科學家一樣,閆真的博士論文也是關(guān)于尋找這種粒子,他說:“不知道它長什么樣,甚至連它存在的形式都是未知數(shù)。”要找到希格斯玻色子的唯一方法是制造一個宇宙大爆炸發(fā)生后的模擬環(huán)境,重擔自然落到大型強子對撞機身上。
　　當然,即使達到如此之高的能量也有可能無法找到希格斯粒子。兩年前,當強子對撞機啟動時,霍金就下了100美元賭注,賭找不到這種粒子,他說:“也許,希格斯玻色子根本就不存在。”
　　即使希格斯玻色子真的存在,對霍金等理論物理學家來說,標準模型也并不令人滿意。例如,它并不能解釋引力的存在(這也是量子力學的命傷),也不能解釋“暗物質(zhì)”,后者的作用是防止我們銀河系這樣的螺旋狀星系崩潰。如果用望遠鏡觀測宇宙,大多數(shù)宇宙中的物質(zhì)是看不到的,但是我們可以通過引力作用感知它們的存在。
　　對于這些科學家來說,找不到希格斯玻色子反倒值得高興。因為,這意味著我們需要尋找更加不凡的理論。
　　
　　

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