欧洲大型强子对撞机：模拟宇宙大爆炸找“上帝粒子”

http://www.sina.com.cn 2008年09月19日15:49 青年参考

　　本报特约撰稿池晴佳

　　当地时间9月10日9时30分，欧洲核子研究中心在瑞士日内瓦湖畔，正式启动了筹备近20年、有全球约7000 名科学家参加实验的世界最大的大型强子对撞机(LHC)。此次超大规模实验的目的是，寻找被称为“上帝粒子”的希格斯玻色子。如果实验成功，困扰物理学家多年的许多谜团，如宇宙起源等，将一一被解开。

　　对撞机是按照其加速粒子的种类进行分类的，强子对撞机是其中一种，它加速的粒子是强子——即由夸克组成的粒子。

　　欧洲大型强子对撞机，建于瑞士和法国边境地区地下100米深处的环形隧道中，隧道全长27公里，隧道内维持-271 ℃的极低温，这一温度将会出现超导现象(即电阻为零)，粒子的速度接近光速，以尽可能达到最佳撞击效果。对撞机的作用就是设法让两束方向相对的粒子流进行高速碰撞，以产生新的粒子。打个比方说，假如用加速器的粒子轰击静止的靶，就像交通事故中一辆汽车撞到一辆停在路边的车上，撞车的能量很大一部分要消耗到使停在路边的汽车向前冲上。如果使两辆高速行驶的汽车迎头相撞，威力就大许多倍。基于这种想法，科学家们在上世纪70年代初研制成了对撞机。

　　重现宇宙大爆炸为哪般

　　据英国《新科学家》杂志网站13日报道，质子(一种亚原子粒子)已经在这个世界上威力最大的加速器里跑完了第一圈。科学家正逐渐提高加速能量，预计在10月21日左右，让两束质子流进行低能量试撞，最快将在年底进行高能量碰撞。届时，宇宙大爆炸时万亿分之一秒的情形将重现地球，大量只存在于高温、高压、致密环境中的亚原子粒子将产生，科学家希望从中找到希格斯玻色子的踪迹。

　　一个看不见摸不着，也许根本不存在的粒子，值得这样大动干戈吗？这得从希格斯玻色子所承载的物理学意义说起。

　　早在20世纪60年代，英国物理学家彼得·希格斯就大胆设想：宇宙空间弥漫着大量至今未知的神秘亚原子粒子，这种宇宙大爆炸时产生的粒子，与普通物质相互作用并让这些物质有了质量。现在人们看到的恒星、行星和整个宇宙，都是以这种方式产生的。因为是希格斯第一个提出了这种玻色子(boson，指自旋为整数的粒子)，后来物理学界将其命名为希格斯玻色子。

　　希格斯玻色子的重要性不言而喻，它是“质量之母”，也被称为“上帝的粒子”，是宇宙中一切实体物质的始祖。当今物理学两大支柱——相对论与量子物理，都能从中得到解释。宇宙中现有的4种作用力——万有引力、电磁力、强相互作用、弱相互作用的统一问题，也将回到希格斯玻色子形成的亚原子、原子、分子等的相互作用上来。正如美国《华尔街日报》评论的那样：“这次的大型强子对撞机实验，将敲开物理学后爱因斯坦时代的大门。”

　　目前希格斯玻色子已被科学界广为认同，遗憾的是，在粒子物理学标准模型预言的62种基本粒子中，只有希格斯玻色子迄今未显形。它们就像神秘的幽灵，人们只闻它们的大名，却一直难觅其踪。科学家猜测，也许是希格斯玻色子太过独特 ——寿命太短、衰变太快(一种粒子发生核反应变成另外一种粒子)，以及所要求的高温、高压条件太难达到，才会一直神龙见首不见尾。希格斯当初预言大爆炸之初会产生希格斯玻色子，对撞机要模拟的正是这一时刻，科学家们希望捕捉到希格斯玻色子的踪迹。

　　“世界末日”会来临吗

　　粒子物理(研究比原子核更深层次微观世界形态和规律的物理学分支)诞生以来，大型对撞机成了必不可少的实验手段。曾有人打过一个有趣的比方，粒子物理学家们，就是一些从楼上往下面街道乱扔各种球体的家伙。他们等这些球体砸在地面上，再跑下去看这些球砸的坑是什么样的，然后把这些“坑”的数据交给理论家们，理论家们据此推测，这个路面是柏油的还是水泥的。这个比方看似滑稽，却预示着粒子物理可能带来的危险——如果砸下的是一个能量超大的球，比如铅球，如果砸中了人……

　　大型强子对撞机创造的高温、高压、致密环境，正是模拟宇宙诞生之初的情形，如此巨大的能量、适宜的环境足以创造出一个黑洞。由于科幻片中黑洞惊人的吞噬能力，大众害怕真撞出一个射线、粒子纷飞，黑洞吞噬万物，地球瓦解的黑洞来。“大型强子对撞机可能危害地球”等传言，在对撞机启用前一度达到高潮，甚至引起了诉讼。今年3月21日，居住在夏威夷的两个美国人针对设在瑞士的欧洲核子研究中心和美国一些科研机构，向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求在安全性得到证实之前，不启动LHC对撞计划。

　　在对撞机开撞前一天(9月9日)，德国化学家奥托·罗斯勒领导的科学家小组，也依据《欧洲人权公约》把对撞机诉上法庭，认为强子对撞机实验可能毁掉整个宇宙，侵犯了人类的生命权。而据《印度快报》9日报道，印度一名16岁少女因害怕世界末日来临而自杀。英国《每日邮报》在9月4日的一篇报道中，以“下周四我们都会死吗？”为题吸引眼球，引发了巨大争论。

　　真的会发生这种灾难吗？科学家已经对实验的安全性进行了多次评估。所有评估都得出一个结论，任何可测的危险都是不存在的。

　　美国纽约市立大学日裔理论物理学教授加来道雄，在英国《卫报》撰文驳斥了因产生黑洞而导致“世界末日”的说法。他说，这个大型强子对撞机制造出的黑洞超级“迷你”和“短命”，尺度仅为百亿亿分之一米，存在时间仅为十亿分之几阿秒(1阿秒为10的负18次方秒)，根本不会对地球造成任何影响。

　　在此次对撞实验中，中国科学院高能物理研究所、北京大学等多个单位参与了研究，国内媒体也对“世界末日说”表现出很大兴趣。著名物理学家、中科院院士杨福家在接受国内媒体电话采访时表示，此次实验经过了严格的安全测试，不必杞人忧天。

　　霍金赌“上帝粒子”不存在

　　针对碰撞能否发现“上帝粒子”，当今两大科学泰斗——霍金与退休近20年的希格斯展开了争论。霍金表示“某些东西会出错，我们需要重新思考”，并下赌注100美元来赌根本发现不了希格斯玻色子。希格斯则信心十足地反击说“几乎可以确定，很快就可以发现希格斯玻色子”。

　　大型强子对撞机在今后10到15年内将持续进行实验，由此产生的大量粒子数据，将交由全球各大学和研究机构的实验室分析。由于产生的数据十分庞大，分析过程又很复杂，希格斯玻色子是否存在，或许要等到10年以后才有结论。

　　参考资料

　　数字解读强子对撞机

　　27公里＝大型强子对撞机的周长。

　　32分钟＝现场物理学家绕环形隧道一圈的时间。

　　每小时10亿公里＝(相当于光速的99.9999991％)质子绕环形隧道运转的最高速度。

　　万分之一秒＝质子绕环形隧道一圈的时间。