給我強子對撞機，我想撬動宇宙--南都周刊

　　大型強子對撞機，CMS探測器內部。

　　大型強子對撞機結構圖

　　夸克和輕子是組成物質的粒子，玻色子則是作用力載體，將物質結合起來。　　我們的車停在瑞法邊境，遠處的汝拉山頂雲霧氤氳，近處的牧場里牛群悠閑地吃草，深秋的午後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27千米的環形隧道內發射出兩束粒子流。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《十萬個為什麼》，對於宇宙如何產生，宇宙之前是什麼，宇宙之外又是什麼，既著迷又困惑。好在，現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）的更多證據並對其補充。CERN，正被學界認為是解讀宇宙奧秘的重要一站。我帶著無數問題來到這裡，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的狀態。　　且慢，你怎麼知道宇宙必然是大爆炸產生的，而不是上帝創造的？　　好吧，看看兩個著名的證據。其一是紅移現象。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恆星的光譜時，異常情況發生了：它們所缺失的顏色和銀河系的恆星情況相同——它們看起來都越來越紅。「對此，唯一合理的解釋就是星系都在遠離我們。」英國物理學家霍金（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。「這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，即現在宇宙在不斷膨脹中。」　　另一個支持大爆炸理論的證據在1964年被發現。當時，彭齊亞斯、威爾遜兩位貝爾實驗室的工程師用一台接受衛星信號的微波探測器對準天空，接收到一種奇怪的噪音。無論探測器指向哪裡，無論早晚春秋，多餘的噪音始終不變，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。後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（即大爆炸後的餘波，理論物理學家早已預言過）。該發現讓兩人在1978年獲得了諾貝爾物理學獎。　　數十年來，根據嚴格的觀測和物理推理，大爆炸理論已經被絕大多數宇宙學家和天文物理學家所接受：宇宙始於137億年前發生的大爆炸。在隨後不到1秒的時間裡，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，不同層次的結構依次出現，先是中子和質子，然後是原子核、原子、恆星、星系、星系團，最終形成超星系團。　　但是，對於宇宙形成初期的狀態，只有理論，缺少實驗。「CERN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，「通過高速質子的撞擊，來創造一個能量高達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　　描述組成物質的那些詞里，質子、中子和電子我們都不陌生，那強子又是什麼呢？　　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，但質量輕，在加速過程中能量很容易損失，因此不適用於高能碰撞。　　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，隨後粒子進入主加速環的兩個質子束管，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（超環面儀器）。很難想像，我所在的ATLAS是這個星球上最大的粒子探測器，其面積近佔兩個籃球場，約15層樓高。為了展現其直觀尺度，CERN在ATLAS實驗室馬路對面的農場里，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。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子。鉛離子有28個質子，根據愛因斯坦的質能方程，因此在撞擊時會產生更大的能量。ALICE探測器捕捉了這一刻——對撞瞬間產生的高溫相當於太陽核心溫度的100萬倍。　　撞擊成功後，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。這個過程發生在一個安全、可控的環境內，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，連構成原子核的質子和中子也被融化了，產生稱為『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，科學家還需要根據探測器記錄到的數據來分析究竟撞出了什麼。閆真博士說，在每秒產生的10億次質子對撞中，產生了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記錄的數據，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）領著我們去看高能物理實驗室的ATLAS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）。發現對撞後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，由於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，向內收縮到某個臨界半徑，形成強大的引力場，讓光線向內彎曲到無法逃逸，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。　　據科學家推算，要形成大型黑洞，能量必須大於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製造出一些微型黑洞，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，碰撞的能量已經可以超過1012電子伏特，整個地球表面上每天大量產生這樣的黑洞。雖然觀察不到，但也未危及我們的安全——根據霍金的理論，黑洞的消失速度與其質量成反比，因此微型黑洞在產生的瞬間就消失不見了。　　「如果微型黑洞果真出現了，它們會立刻變成很多小粒子，利用ATLAS探測器應該可以發現。」閆真博士說。　　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，經過數以千計的物理學家探索和總結，人類終於對物質的基本結構有了深刻見解。上世紀六七十年代發展出來的「標準模型」成功地解釋了一系列的實驗結果，準確地預測了各種現象。隨著時間的推移，經過許多物理學家的眾多實驗積累，標準模型已經成為一個經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。夸克是組成質子和中子的最小單位，也是更為奇異的物質。然後還有中微子，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的粒子，玻色子則是負責傳遞各種作用力。」閆真博士說。　　但是，標準模型還留了一個空位，它就是尚未現身的「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，究竟什麼是問題？》（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」源於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量。當宇宙逐漸冷卻，直到溫度低於一個臨界值時，一個看不見的力場通過與其相關的粒子形成了，這個力場現在稱為「希格斯場」，而該粒子稱為「希格斯玻色子」。這個場普遍存在於整個宇宙，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）則完全沒有質量。總之，希格斯玻色子的作用就是將質量賦予其他物質組成粒子。　　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於尋找這種粒子，他說：「不知道它長什麼樣，甚至連它存在的形式都是未知數。」要找到希格斯玻色子的唯一方法是製造一個宇宙大爆炸發生後的模擬環境，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，標準模型也並不令人滿意。例如，它並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」，後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，大多數宇宙中的物質是看不到的，但是我們可以通過引力作用感知它們的存在。　　對於這些科學家來說，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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