9月10日,是一个令物理学家振奋的日子。 欧洲日内瓦原子核中心的大型强子对撞机(Large Hadron Collider)启动了。
这个耗资54亿美元的建设, 将有助于破解物理家们困惑已久的种种谜团,如“上帝粒子”与“宇宙黑洞”。( 见潘国驹教授的 “上帝粒子与宇宙黑洞的奥秘”早报言论9月15日。)
在十九世纪牛顿的世界里, 原子是最基本的物质; 原子( Atom )这一 名词来自希腊,意思是“不可分割”。到了二十世纪,物理学家才知道原子是由质子( proton )、中子 (neutron )与电子 ( electron ) 组成。后来又知道,质子与中子( 这两者都是强子, 强子对撞机由此得名) 是由更基本的夸克( quarks )和胶子 ( gluon ) 构成.。到此, 己进入了物理的“模糊”境界,至於还有没有更小的基本物质,谁都不敢说。
据“大爆炸”的理论,整个宇宙本来是没有维度的 (没有前后左右上下与时间)。有一天, 几乎是无中生有的,哄咙一声,这个无限紧密的宇宙爆炸了,炽热的能量在泠却后逐渐形成各种物质,膨胀成一个充满星星、银河系以及各种天体的大千世界。
大型强子对撞机所要复制的,就是一个微型的宇宙大爆炸。物理学家希望通过观察这个物质宇宙形成的第一瞬间,来了解我们是从哪里来,将到哪里去。
大型强子对撞机是世界上能量最高的粒子加速器。两束质子流在长达27公里的真空通道中,以接近光速(99.9998%)的高速对撞。其能量状态近于宇宙大爆炸,粒子物理学家将利用质子碰撞后的产物来探索物理现象。
以下谈的, 是科学家希望在对撞后找到的一些物质, 以及几个待解的谜团。
上帝粒子
一个令科学家百思不解的迷团, 是质量的来源. 现在我们己经能精确的测量一个电子,一个夸克以及几乎所有其他粒子的质量,可是却不知道质量何来。
40多年前, 一位英国的物理学家, 彼得. 希格斯,提出了一个设想; 整个空间存在着一个场, 好像手机与无线电广播用的电磁场一样.
这个充斥天地的希格斯场有若看不见的泥浆, 当我们把东西移动时, 就会遇到阻力, 而这就是质量的现象.
我们也可以想象:所有的粒子, 就好像跑过一个泥地的一群人, 有些粒子, 比如夸克, 穿的鞋子比较大, 所以鞋子就带上很多泥土; 而其他粒子, 如电子,穿的鞋子比较小,带的泥也相对的少,所以其质量比较轻。
这个设想虽然离奇,但却准确的描述了许多粒子的行为。希格斯场是粒子物埋学关键性的理论。
不过,奇怪的是,尽管科学家努力的上下求索,就是看不到这理当无所不在希格斯场的庐山真面目。
现在,他们希望大对撞后,能找到希格斯场被撞落的一些碎片,也就是希格斯粒子(也称上帝粒子)。这样,就可以了结40多年来的争论。
暗物质
科学家早就知道宇宙中有一种能把银河系拖来拖去的东西,却不知道那是什么。无计可施之余,他们提出了了一个假设:宇宙中存在一种不发光的物质和能量 - 暗物质。我们看得见的物质仅构成宇宙的4%,而暗物质却占96%。
现在,他们寄望这个冲撞实验,能帮他们找到一些有关喑物质构成的证据。
黑洞
当一个恒星寿终正寝时,会发生坍塌把大量的物质聚集在很小的空间黑而形成黑洞。黑洞的贪吃是出名的,它习惯把附近的物质都吞噬而越变越大。
这引起了一些人担忧,他们害怕试验中的微型大爆炸会别制造出微型黑洞,如果这个黑洞越变越大,最终会把整个地球吞下去。这些欧美人士还煞有所事的告到法院去,叫停这个项目。
不过,对微黑洞夙有研究的物埋学家斯蒂芬 . 霍金教授认为,大型强子对撞机形成微黑洞的几率非常小,几乎不到1%。就算形成了,也会很快蒸发掉,将没有时间吞噬任何物质。
上面谈的,只是强子对撞实验有望解答的一些物理谜团的例子。其他可能的收获还有很多,例如:额外空间、对称性粒子与弦理论的证实,甚至还会有一些从来没有人想过的,新的物理发现。
或许有人会问,花那么多钱,去证实这些玄之又玄的理论,满足物理学家的好奇心,值得吗?
诚如潘国驹教授指出,上个世纪,因为有了爱因斯坦的相对论和量子力学的形成,使人类进入了一个更文明的世界。比如手机、电视、半导体,原子能等等新科技,都是在这两个新的科学理论的发现后才有可能出现的。
新的物理学发观,势将把人类的科技水平提升到一个更高的境界。
联合早报 言论版 2008年10月2日