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给我强子对撞机,我想撬动宇宙


□ 萧 菡

  本月初,争议不断的大型强子对撞机再次启动,用能量更高的铅离子进行碰撞。它是否会找到神秘的希格斯粒子,为游离于“标准模型”之外的引力正名,还是制造出黑洞毁灭地球?应瑞士国家形象委员会邀请,本刊记者来到欧洲核子研究中心,一睹其真容。
  
  我们的车停在瑞法边境,远处的汝拉山顶云雾氤氲,近处的牧场里牛群悠闲地吃草,深秋的午后的阳光撒在红黄交错的阔叶林上,如同一张凝固的明信片。
  此刻,这幅宁静的场景下面,CERN(欧洲核子研究中心)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC)正在地下100米深处一条长约27千米的环形隧道内发射出两束粒子流。想到这些微粒正在接近光速运动,“相对论”这个词就不由得蹦上我的脑海。
  和你一样,我少年时也看过《奥秘》和《十万个为什么》,对于宇宙如何产生,宇宙之前是什么,宇宙之外又是什么,既着迷又困惑。好在,现代物理学不断地尝试解答宇宙起源这个最基本的疑问,寻找大爆炸理论(big bang)的更多证据并对其补充。CERN,正被学界认为是解读宇宙奥秘的重要一站。我带着无数问题来到这里,将目睹物理学家如何向大众解释万物之源。
  
  如果不是上帝,到底是谁创造人类
  来CERN之前,我知道那是个花钱如流水的地方,全欧洲最不环保的地方(耗电大户),也是聚集最多高能物理学家的地方。传说CERN养活了地球上一半的粒子物理学家,而他们主要的工作就是想方设法把粒子剁碎,找到组成你我及世间万物的最小成分,这听上去不太浪漫。
  当我们坐进CERN的会议室,物理学教授沃思(Rüdiger Voss)说,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质的状态。
  且慢,你怎么知道宇宙必然是大爆炸产生的,而不是上帝创造的?
  好吧,看看两个著名的证据。其一是红移现象。我们都知道,当一列火车向你迎面开来时,汽笛声升高(声波的波长变短),当它离你远去时,音调就不断降低(声波的波长变长),这就是多普勒效应。与声波一样,光同样有多普勒效应,当一个星系离我们远去时,谱线波长越长,也就越接近红色。
  20世纪20年代,当天文学家开始观察遥远恒星的光谱时,异常情况发生了:它们所缺失的颜色和银河系的恒星情况相同——它们看起来都越来越红。“对此,唯一合理的解释就是星系都在远离我们。”英国物理学家霍金(Stephen Hawking)在其著作《万物至理》(the Theory of Everything)中称。1929年,天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律:一个星系的退行速度与其距离成正比。“这些星系不是以实际的速度远离我们而去,取代的是在其间的空间延展,即现在宇宙在不断膨胀中。”
  另一个支持大爆炸理论的证据在1964年被发现。当时,彭齐亚斯、威尔逊两位贝尔实验室的工程师用一台接受卫星信号的微波探测器对准天空,接收到一种奇怪的噪音。无论探测器指向哪里,无论早晚春秋,多余的噪音始终不变,所以它必然来自太阳系外甚至银河系外,不因地球位置而改变。后来科学家推算出这种噪音所对应的是温度为零下270摄氏度的黑体辐射出的电磁波(即大爆炸后的余波,理论物理学家早已预言过)。该发现让两人在1978年获得了诺贝尔物理学奖。
  数十年来,根据严格的观测和物理推理,大爆炸理论已经被绝大多数宇宙学家和天文物理学家所接受:宇宙始于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到1秒的时间里,宇宙是一团炙热的“浓汤”,只有最基本的不安分的粒子。随着膨胀和冷却,不同层次的结构依次出现,先是中子和质子,然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团,最终形成超星系团。
  但是,对于宇宙形成初期的状态,只有理论,缺少实验。“CERN在2008年耗资100亿瑞郎(约80亿美元)建成的大型强子对撞机正是要解决这个问题,”沃思教授说,“通过高速质子的撞击,来创造一个能量高达10万亿电子伏特(TeV)的大爆炸,或许能从中找到宇宙初期的粒子。”
  
  没有时光机,如何回到137亿年前
  描述组成物质的那些词里,质子、中子和电子我们都不陌生,那强子又是什么呢?
  在CERN做研究的波士顿大学的闫真博士告诉我,这是粒子物理学的说法。强子所代表的是参与强作用力的粒子,例如质子或者重离子(比如本月初正在加速器里对撞的铅原子核)。
  强子(hadron)这个词最早出自希腊语“hadrós”,意为“笨重的”。组成原子核的质子或中子都叫强子,也可以理解为重粒子;而轻子(比如电子)虽然组成物质,但质量轻,在加速过程中能量很容易损失,因此不适用于高能碰撞。
  CERN的大型强子对撞机是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器(排名第二的是美国费米实验室的粒子对撞机,能量为1万亿电子伏特),主要由几部分构成。闫真博士介绍,首先是一系列初级加速器,将逐级提升粒子速度,随后粒子进入主加速环的两个质子束管,反向而行,分道扬镳。当粒子束将以99.999%的光速飞行,每秒可以在27公里的管道里飞行超过一万圈。
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