欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LargeHadron Collider,简称LHC)按计划即将投入运行。作为地球上最大的机器,大型强子对撞机将会以接近光速的速度,让两束粒子撞击,模拟出宇宙大爆炸后的状态。物理学家希望借此来解开长期以来的重大和基本难题,比如粒子为何存在质量(即验证希格斯玻色子)、空间是否隐藏着额外的维度等等。
“大型强子对擅机”的惊人功能
自从1980年建造“大型强子对撞机”的构想问世以来,历经近30年,这一“世界上最大的机器”终于从梦想成为现实。
它是世界上最大的机器:“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器,而且是世界上最大的机器。它位于法国和瑞士边境地区的地下100米深的环形隧道中,隧道全长26.659千米。
它是地球上最快的“轨道”:如果“开足马力”,数以百万计的粒子将在环形隧道内产生每秒11245圈的速度,约等于光速的99.99%。
它是太阳系中最“空旷”的地方:为避免粒子流与气体分子发生碰撞,粒子流都在超高真空的“通道”内运行,其间如同星际空间一样“空旷”,气压仅为10-13个标准大气压,比月球上的大气压还小10倍。
它是最热与最冷的机器:大型强子对撞机是个既极端热又极端冷的机器。当两束粒子流对撞的时候,碰撞点将产生极端高温,可以达到太阳中心温度的10万倍。而与之形成鲜明对比的是,由于采用了超流体氦冷却等手段,对撞机中粒子运行的加速腔在工作时的温度仅为零下271.3℃,比宇宙深处还要冷。
它是全球最强大的超级计算机系统:大型强子对撞机上进行的每一个大型试验一年所获得的数据,可以刻满十万张双层DVD。为了对这些数据进行分析,世界各地成千上万名科学家都参与进来,他们所使用的数万台甚至数十万台计算机借助分布式计算网络(网格计算)联合在一起,这也构成了全球最强大的超级计算机系统。
宇宙之谜“擅”出来
宇宙大爆炸学说是目前影响力最广的宇宙起源学说,产生于上个世纪20年代。但宇宙是否真的起源于大爆炸,至今仍缺乏足够的令人信服的证据。科学家们将在LHC对撞实验中加速粒子并使它们相撞,创造出与宇宙大爆炸之后万亿分之一秒时的状态类似的条件,接着细致分析撞击产生的残骸,从而揭开诸多宇宙之谜,比如宇宙是如何从虚无中创造物质的,以及物质为什么会有质量等。
希格斯玻色子被认为是物质的质量之源。根据被称为“标准模型”的粒子物理学理论,基本粒子被分成3大类:夸克、轻子与玻色子。但这个“标准模型”有个致命缺陷,那就是无法解释物质质量的来源。为了修补“标准模型”理论的缺陷,英国科学家彼得·希格斯提出了希格斯场的存在,并进而预言了希格斯玻色子的存在。假设出的希格斯玻色子是物质的质量之源,其他粒子在希格斯玻色子构成的“海洋”中游弋,受其作用而产生惯性,最终才有了质量。“标准模型”预言了62种基本粒子的存在,这些粒子基本都已被实验所证实,而希格斯玻色子是最后一种未被证实的基本粒子。如果大型强子对撞机确能发现希格斯玻色子的存在,它将填补“标准模型”这个巨大的空白。
不过,自LHC建立之初,反对的声音就一直没有平息过,有学者创建了粒子模型试图证明LHC不会找到希格斯玻色子。更多的担心集中于黑洞——根据各种版本的弦理论,黑洞可能会在对撞机上显现。为此,两位科学家甚至把欧洲核子研究中心告上了法庭,他们认为实验可能会制造出能吞噬地球的黑洞或粒子,比如“杀手奇异子”。如果一种奇异子十分稳定并且带有负电,那它们就有可能“吞下”普通物质的原子核,并将其转变为“奇异物质”,最终一系列危险的连锁反应会毁灭整个地球。
科学家已经造出微型黑洞
其实,今年3月就有报道说,美国布朗大学一位物理学家霍拉蒂·纳斯塔西已经在实验中制造出了一个人造黑洞。虽然这个黑洞体积很小,却具备真正黑洞的许多特点。这个黑洞不像我们以为的“黑洞是黑的”,而是个明亮的火球。
纽约布鲁克海文国家实验室里的相对重离子对撞机,可以以接近光速的速度让大型原子的原子核(如金原子核)相互碰撞,产生相当于太阳表面温度3亿倍的热能。纳斯塔西在这个实验室里利用原子撞击原理制造出来的灼热火球,恰好具备天体黑洞的显著特性:火球可以将周围10倍于自身质量的粒子吸收,这比目前所有量子物理学所推测的火球可吸收的粒子数目要多。
人造黑洞的设想最初提出于20世纪80年代,由加拿大不列颠哥伦比亚大学的威廉·昂鲁教授提出,他认为声波在流体中的表现与光在黑洞中的表现非常相似,如果使流体的速度超过声速,那么事实上就已经在该流体中建立了一个人造黑洞。然而由于他的人造黑洞缺乏足够的引力,无法像真正的黑洞那样“吞下周围的所有东西”。然而,纳斯塔西教授制造的人造黑洞已经可以吸收其他物质了。因此,有关专家认为,这是黑洞研究领域的重大突破。目前,不少科学家对于接受“黑洞”的概念还不大情愿。因为黑洞理论没有直接的实验数据来支持。纳斯塔西教授此次制造的人造黑洞,给黑洞理论一个比较直接的实验证据,可能会重新掀起一股黑洞研究热潮。
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