ihao 2010-4-1 10:39
上帝粒子
大型強子對撞機：尋找上帝粒子的LHC馬戲團
2008年9月18日
2008年9月10日，『地球上最偉大的科學演出』拉開帷幕，位於法國和瑞士邊境的大型強子對撞機開撞。這個全球排名第一的『大科學』工程挑起了全世界公眾的神經，除了激動，他們更多的是好奇、恐慌和疑慮。
『上帝粒子』芳蹤難覓
這些天，大型強子對撞機(LHC)差不多被渲染成『黑暗傳說』的主角，製造黑洞毀滅地球的傳言沸沸揚揚，甚至有一位印度少女因害怕世界末日降臨而喝農藥自殺。
也難怪人們把它想像得恐怖又神秘。LHC隸屬目前世界上最大的物理實驗室──歐洲核子研究中心，他們花了30年時間，耗資60億美元，在地下100米處挖了一個周長27公里的隧道，圈地面積有450個『鳥巢』那麼大，然後放入巨型機器。一大堆頂級聰明的科學家在不見天日的地洞里終日忙碌，很容易被人聯想到秘密和陰謀。
這台周長約是半程馬拉松的大機器，能夠將兩束質子分別加速到99.9999991%光速，然後讓二者迎頭相撞，每個質子攜帶的能量相當於一輛重400噸的火車以時速200公里的速度前行時所具有的能量。科學家們則坐在監測器和電腦前，等著看質子束們『頭破血流』後的『好戲』。他們能看到什麼？他們為什麼和粒子們過不去？
物理學家有他們的大夢想。人類對宇宙的認識並不完整，對一些問題苦苦思索卻始終沒有答案，比如人類來自何處？世界由何構成？宇宙最初是什麼樣子？質量如何從無到有？物理學家似乎是在研究上帝生活uv，為此他們提出很多理論，然後製造出龐大的機器來檢驗這些理論是否正確。於是粒子加速器誕生了，而LHC就是它們中規模最大、最先進的一個。
他們要用這個大家伙檢驗關於粒子和力的『標準模型』是否正確，做法是設法撞擊出傳說中的『上帝粒子』希格斯玻色子。希格斯玻色子是以英國物理學家彼得‧希格斯的名字命名的，上世紀60年代他引入希格斯玻色子，解釋了為什麼粒子會有質量，粒子的質量到底從何而來，由此完善了粒子物理標準模型。1988年諾貝爾物理學獎得主利昂‧萊德曼將希格斯玻色子譽為『上帝粒子』，意思是找到希格斯玻色子就洞悉了上帝。
這個模型已經經過多年精確實驗的檢驗，但是唯獨沒有發現傳說中的『上帝粒子』。40多年來，它一直芳蹤難覓，和物理學家玩捉迷藏遊戲。大多數物理學家認為，找不到是因為現有的粒子加速器無法產生質量如此之大的粒子，所以他們建造了威力更加強大的LHC。『LHC的研究具有判決性，如果真有希格斯玻色子出現，它一定能探測到，不像以往的實驗設備存在漏網的可能性。』中科院高能物理研究所陳國明研究員對本刊記者說。
事實上，希格斯玻色子轉瞬即逝，根本無法直接觀測到。加速器中的粒子束碰撞能得到極大的能量，可以轉化為一些稀有、奇異、已經不在現今宇宙中的粒子。這些粒子就像古代的錢幣，能給我們提供一個觀看過去的獨特視角，但是它們非常『易碎』，在極短的時間內就會衰變成普通的粒子。
所以，『LHC在兩束粒子流碰撞之處安裝有巨型探測器，用於記錄並測量每次對撞產生的上千個粒子。通過電腦處理探測到的穩定粒子下的信號痕跡，科學家能夠倒推出是否發現了新粒子。』中科院高能物理研究所副研究員賈宇對本刊記者說。
找到好還是找不到好？
此前有人認為，LHC發現希格斯玻色子的概率是30%。著名物理學家霍金曾與美國密歇根大學的高迪‧凱恩教授打賭，認為LHC不會發現希格斯玻色子，賭注是100美元。鑒於霍金逢賭必輸的經驗，LHC找到希格斯玻色子的可能性或許會高一些。
當然這隻是玩笑，擁護不同理論的科學家有他們自己的看法，看見曙光者有之，潑冷水的更是不乏其人。有人說，如果能順利發現希格斯玻色子，將會一口氣解決一大堆物理學難題;如果發現不了，要麼就是標準模型有問題，要麼就是量子理論有問題，不論如何，對物理學界都是一記重拳。
美國普林斯頓高級研究院的尼瑪‧哈米德也為此打了個賭，賭LHC能找到希格斯玻色子，不過他的賭注稍微大了點，是自己一年的薪水。
而荷蘭烏特勒支大學的諾貝爾得主馬丁‧維爾特曼則認為，如果實驗沒有發現希格斯玻色子他不會感到驚訝，因為他不相信希格斯理論。
英國卡拉姆市原子能機構主任里斯‧史密斯認為，希格斯玻色子和超對稱都能被找到，前者的概率為95%，後者的概率為60%。他在1994～1999年擔任歐洲粒子物理研究所所長，曾為LHC做過大量的工作，當然不希望自己的努力落空。
國外甚至還有媒體撰文名為《60億美元的LHC馬戲團》，配圖是被PS上紅鼻子的希格斯教授，下面配有一行字:『參觀LHC的希格斯，是當今最昂貴科學馬戲團的負責人。』霍金則說，如果實驗找不到『上帝粒子』反而會『更令人興奮』，理由是『顯示某些東西出錯，我們需要重新思考』。
那麼，科學家希望LHC發現的最好結果到底是什麼？
中國參與此項研究的科學家顯得較為謹慎，陳國明對本刊記者說:『這真是個矛盾。如果找到希格斯玻色子，是件令人高興的事，這就證實現有的標準模型非常完美。如果找不到希格斯玻色子，我也會非常高興，這証明我們原有的理論是錯誤的，以後會有新的發展。原有模型本來就有一些缺陷，比如無法解釋暗物質以及太陽中微子振蕩，即便找到希格斯玻色子，這些問題還是無法解決，需要理論進一步發展。』
看來，霍金的觀點不無道理，只是他樹大招風。
實際上，科學是一門証偽的學問，如果投入如此之大的人力、物力、財力，只証明一個存在了40多年的理論是錯誤的，雖然對很多研究人員而言是個巨大的打擊。但是從科學的長河來看，卻是值得的，它會給研究人員指明新的方向，催生新的理論。19世紀牛頓力學幾乎可以解釋一切，但它頭頂上一直徘徊著兩片烏雲，一片是干涉，一片是黑體輻射。正是因為對這兩片烏雲疑惑不解，所以才催生了後來的相對論和量子力學，致使物理學迅速發展。
賈宇的觀點則是:『如果只找到了希格斯玻色子卻沒找到其他東西，那將是非常可怕的。三四十年來，高能物理都沒有太大突破，如果又証明模型已經完美，那麼高能物理幾乎就走到頭了。』
如果模型真的完美，那麼可能會有大批理論物理學家失業。只要『上帝粒子』仍未發現，理論學家就可以繼續天馬行空，推算上帝是如何生活的。
這是一群極度渴望完美的科學家，他們認為物質的原始形態應該是非常簡單的，可能就像電腦運用二進制排列組合編制程式一樣。萊德曼在《上帝粒子:假如宇宙是答案，究竟什麼是問題？》一書的結尾處寫了一段非常抒情的話:『天空中出現了一道炫目的光芒，一束光亮照亮了我們這位沙灘主人。在巴赫B小調彌撒曲莊嚴、高潮的和弦配樂下，也可能是在斯特拉文斯基的《春之祭》中，天空中的光慢慢地變成了上帝的臉，微笑著，但帶著極度甜蜜的悲傷表情。』
這是他們對終極理論的渴望，而且他們理想中的終極理論非常簡潔，沒有過多的參數，一個諸如E=MC2的公式就能夠闡釋整個宇宙。但是標準模型除了無法解釋暗物質、太陽中微子振蕩等現象之外，還包含了過多參數，這些都不符合一些物理學家對終極理論的審美標準。換句話而言，女神應該婀娜多姿、完美無暇，不應該是個滿臉雀斑的胖子。
黑洞以及其他傳言
或許『黑洞吞噬地球』的言論能夠增加報紙銷量，但是，『對於懂物理的人來說，這純粹是無稽之談』。賈宇說。
LHC的科學家已經對媒體說過很多遍LHC不會產生世界末日的原因。
數十億年來，自然界產生的高能粒子通過太空中巨大的磁場和電廠提供的能量來獲得加速度，它們曾大量降落在地球上。它們的能量比LHC大得多，但是地球照樣存在。即便真能產生微型黑洞，也只有電子或質子大小。『根據霍金的理論，黑洞的溫度和表面積成反比，表面積越小溫度越高，電子或質子大小的黑洞會在瞬間蒸發。穩定的黑洞才具有危險，這種轉瞬即逝的微型黑洞沒有任何殺傷力。』賈宇補充道。
不過，LHC這種大型專案注定會引起爭議，就算不是黑洞也會是其他，比如理論不成熟、浪費納稅人的錢、沒有實際意義、破壞環境、毀滅地球等等。這在之前是有過先例的，最慘的莫過於當年的超導超級對撞機(SSC)。
在LHC建成之前，粒子物理的研究中心一直在美國。世界上最大的粒子對撞實驗室是美國的費米國家實驗室，曾因其在2001年7月第一次直接觀測到τ中微子而開啟了物理研究的新時代。『但是LHC建成後，粒子物理的研究中心就移到了歐洲。』賈宇說。
在美國粒子物理風華正茂的年代里，曾經有過更加雄心勃勃的大計劃。1987年6月，雷根總統宣布美國將開發用於探究基本粒子的超導超級對撞機，大小和威力是LHC的3倍多，如果建成，將耗資100億美元。它包括一條長87公里的加速器隧道，計劃將粒子束加速到30萬億～40萬億電子伏特，相比之下，LHC的隧道是27公里，將粒子束加速到7萬億電子伏特。
1993年秋天，美國人已經在得克薩斯州東北部城市達拉斯挖掘了大約23公里的隧道，就在這一年，在美國國會的強烈干預下，SSC專案被迫下馬，胎死腹中。先挖坑、裝儀器，後拆儀器、填坑，前前後後就花了20多億美元，不僅斷送了粒子物理在美國的霸主地位，也埋葬了眾多科學家的夢想。大型粒子對撞機的發展過程，真是幾家歡樂幾家愁。
就算LHC已經呱呱墜地，仍被千夫所指。它被稱為是科學家陶醉其中的夢幻狂想曲，除此之外沒有任何實際用途。『基礎研究剛發展時，往往沒有過于明確的應用前景，但是發現真理後對其他科學的推動作用是無可估量的。』陳國明對本刊記者說，『科學史上可以舉出一大串例子來証明這一點。比如量子理論剛提出時對於實際應用也是一無是處，但是後來它在實踐中獲得的成就卻令人吃驚。科學家通過量子理論發明了電晶體、半導體，隨後研制出晶片，我們的生活中已經離不開這些東西了。』
『不過，LHC本身還是有一些實際應用的，它的幾大關鍵技術，比如加速器、探測器和電腦技術都有實際應用價值。』
之前，歐洲核子物理研究組織總控制室主任保羅‧科利爾(Paul Collier)也曾說過:『人人都把注意力集中到LHC的啟動上，但是它還有很多重要的實際應用研究專案要實施。』
『歐洲核子研究中心是萬維網(www)的發源地，萬維網是當時為了提高中心內科學家們相互協作的效率才開發的，後來才有了大家熟悉的互聯網。當時中科院高能所也參與了這些專案，所以最早將萬維網引入中國。』陳國明介紹道，『在LHC中，據科學家估算，每秒鐘產生的資料能夠寫滿10萬張光盤，6個月時間這些光盤就可以從地球堆到月球。這需要中央電腦非常強大的運算能力，所採用的網格網路是新研發的技術，日後也能推動互聯網技術的發展。』
『此外，如果用加速器加速的粒子照射海鮮等不易保存的食品，會把所有的活組織都殺死，然後進行真空包裝，不用添加任何防腐劑即可長期保存。加速器加速的粒子還可以用在海關上，用來掃描集裝箱有無違禁物品。』按照歐洲核子研究中心的說法，LHC還能在疾病治療、摧毀核廢料以及計算氣候變化方面大顯身手。總之它用處多多，用《科學》雜誌的話來說，即使它只能貢獻少量科研資料，也足以被視為重大進展。
到目前為止，LHC還處於對質子束流進行極其複雜細致的同步調整階段，只是剛剛開了個頭。不管它日後能撞出什麼，物理學的探尋之旅都不會終結，而會是新的開始。