世界強(qiáng)子對撞機(jī)

世界強(qiáng)子對撞機(jī)

位于歐洲核子中心（cerm）的大型強(qiáng)子對稱沖突機(jī)（lbc）將引導(dǎo)人們探索數(shù)千個能源世界。幾經(jīng)周折,現(xiàn)在這臺龐大的環(huán)狀機(jī)器即將運(yùn)轉(zhuǎn),利用這臺機(jī)器,人們期待發(fā)現(xiàn)什么呢?這是一個舉世矚目的問題。LHC原本是為了發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子而建造的,它是標(biāo)準(zhǔn)粒子模型中最后一種尚未觀測到的粒子。希格斯(P.Higgs)本人堅信會發(fā)現(xiàn)這種粒子。但是,當(dāng)兩個具有萬億電子伏能級的粒子對撞的話,它們可能造成一個微型黑洞;如果粒子對撞又略有偏離的話,它們會造成一個蟲洞(wormhole,又譯蛀洞)。樂觀的估計認(rèn)為,在不久的將來在LHC中就可以發(fā)現(xiàn)蟲洞。如果這一切變成事實的話,研究時間之旅就成了阿列菲娃(I.Ya.Arefeva)和伏羅維奇(I.V.Volovich)走向斯德哥爾摩的終南捷徑。lhc的特性經(jīng)過9年的建造,LHC這臺龐大的超級機(jī)器預(yù)計將在今年產(chǎn)生兩股質(zhì)子束流。LHC周長約為27公里,有12層樓房那么高,繞行一圈需要4個多小時。LHC中的正反質(zhì)子束流的速度可達(dá)到光速的99.9999991%,每個質(zhì)子攜帶的能量達(dá)到7萬億電子伏,利用愛因斯坦的質(zhì)能公式計算,7萬億電子伏相當(dāng)于質(zhì)子靜質(zhì)量所含能量的7000倍。從日常生活的角度來看,1萬億電子伏的能量并不很大,還抵不上一只飛蚊的動能。但是,質(zhì)子的尺寸僅為蚊子的萬億分之一,所以當(dāng)1萬億電子伏的能量集中到一個亞原子粒子上時,就會產(chǎn)生非同尋常的效應(yīng)。除此之外,LHC的束流強(qiáng)度極高,在最高能量狀態(tài)滿荷運(yùn)轉(zhuǎn)時,巨型圓環(huán)中繞行的所有粒子攜帶的總能量,大約相當(dāng)于900輛時速100公里的小客車所具有的總能量。更形象地說,這些能量等價于3百萬億只飛蚊的動能。LHC的質(zhì)子分布在2808個束團(tuán)之中,每個束團(tuán)由1000億個質(zhì)子組成。在對撞點(diǎn)上,束團(tuán)長不過幾厘米,直徑約16微米,比發(fā)絲還細(xì)。四個巨型探測器建在四個對撞點(diǎn)周圍,其中最重的一臺探測器所用的鐵超過了埃菲爾鐵塔。這些儀器將記錄并測量每次對撞產(chǎn)生的數(shù)以千計的粒子。由于LHC每秒束團(tuán)相遇次數(shù)高達(dá)3000萬次,所以僅在1秒的時間內(nèi)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就可以寫滿10萬張光盤。若采用光盤方式記錄數(shù)據(jù),那么不到半年,光盤疊起的高度就將等于地球與月球間的距離。為此,LHC設(shè)計了一種類似于垃圾郵件過濾器的數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng),每秒內(nèi)只篩選出100個最有價值的對撞事例,再將它們的數(shù)據(jù)傳送到由上千臺計算機(jī)組成的LHC中央計算系統(tǒng)。系統(tǒng)將通過一種稱為網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)(gridnetwork)的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。這個網(wǎng)絡(luò)由世界各地研究機(jī)構(gòu)的數(shù)萬臺PC機(jī)組成,通過專用光纜連接到CERN。這個網(wǎng)絡(luò)分成3個層次,歐洲核子中心是最高層,它將數(shù)據(jù)分配給下一層的12個計算中心,包括歐洲核子中心自身、費(fèi)米實驗室和布魯克黑文實驗室等。再下一層由世界各地的大學(xué)和研究所的小型計算中心組成,這些中心的計算機(jī)將對整個網(wǎng)格上的數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式處理分析?！皩ΨQ破缺說”LHC的第一個目標(biāo)不是探索新現(xiàn)象,而是確認(rèn)已有的成果。它會大量產(chǎn)生已經(jīng)熟知的粒子,物理學(xué)家將能在更高的精度下對它們進(jìn)行測量。同時LHC還肩負(fù)著尋找希格斯玻色子,并確定其特性的重任。根據(jù)粒子物理的標(biāo)準(zhǔn)模型,物質(zhì)粒子由3代夸克和輕子構(gòu)成,它們的相互作用由對稱性決定。傳遞強(qiáng)作用力是8種膠子,強(qiáng)相互作用服從顏色對稱性,無論夸克的顏色如何,描述夸克的方程都是相同的。電弱相互作用服從另一種對稱性,傳遞粒子分別是W±玻色子、Z玻色子和光子。對稱性是標(biāo)準(zhǔn)模型中粒子相互作用的基礎(chǔ),但是對稱性在指導(dǎo)電弱相互作用情況時顯得有點(diǎn)兒復(fù)雜。闡明這種現(xiàn)象的根本原因,是LHC的重要目標(biāo)之一。電弱理論的早期形式有兩大缺點(diǎn):其一,作為傳遞粒子的4種玻色子都是長程力,而自然界中僅有光子是長程傳遞的,另外3種粒子傳遞的都是短程力,力程不超過10-17米,還不到質(zhì)子半徑的百分之一。依照海森伯不確定原理,這些粒子的質(zhì)量應(yīng)該在千億電子伏左右;其二,各代粒子之間的代對稱性不允許夸克和輕子有質(zhì)量,而它們實際上是有質(zhì)量的。希格斯提出的“對稱性破缺”理論使電弱理論擺脫了早期的尷尬局面。包含了希格斯粒子的現(xiàn)代電弱理論,能夠非常精確地解釋大量實驗結(jié)果。希格斯粒子是一種標(biāo)量粒子,它產(chǎn)生的希格斯場被認(rèn)為像流體一樣充滿空間,阻礙了W±、Z玻色子的自由移動,從而限制了弱相互作用的范圍。希格斯場還作用于夸克和輕子,賦予它們質(zhì)量。如果LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子,這將是標(biāo)準(zhǔn)模型的重大勝利。如果未能找到這樣的粒子,那么標(biāo)準(zhǔn)模型就露出了破綻,而這又將進(jìn)一步激發(fā)理論家們的探索熱情。今年4月7日,現(xiàn)年已經(jīng)78歲的希格斯在歐洲核子中心說,他相信這種粒子可能出現(xiàn)得很快,但是“玻色子很可能隱藏在收集的大量數(shù)據(jù)中,通過分析找到它可能要花費(fèi)很長時間”。如果希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)確實需要一定的時間,那么在LHC上最早發(fā)現(xiàn)的,又可能是什么呢?廣義相對論中的時空旅行自從1895年英國著名作家韋爾斯(H.G.Wells)的作品《時間機(jī)器》問世以來,有關(guān)時間旅行機(jī)器就一直是科幻小說的重要組成部分。當(dāng)時年僅10歲的外爾(H.Weyl)肯定受到了韋爾斯小說的影響,1918年,在他的相對論名著《空間、時間和物質(zhì)》中寫道:“現(xiàn)在我所經(jīng)歷的某些事物可能受我將來的決定和行為的影響。讓一條每點(diǎn)都有類時方向的世界線(可以特指我身體的邊界線)回到曾經(jīng)歷過的鄰近點(diǎn)并非沒有可能。產(chǎn)生這種作用的必要條件是時空度規(guī)張量存在相當(dāng)大的起伏?！睈垡蛩固?、哥德爾(K.Godel)和外爾曾在普林斯頓高等研究院一起共事,或許外爾在某種程度上影響了哥德爾。1949年,奧地利數(shù)學(xué)家哥德爾證明了在愛因斯坦理論框架內(nèi),時間旅行是完全可能發(fā)生的。愛因斯坦的廣義相對論是目前人類擁有的最精確科學(xué)理論之一。它以10-14的精度預(yù)言了脈沖星的變化。廣義相對論還對我們在宇宙中所看到的諸如黑洞、中子星、引力透鏡,以及水星運(yùn)動中的現(xiàn)象作出了成功的解釋。按照廣義相對論,宇宙萬物是在一個具有三維空間和一維時間的背景上歷經(jīng)興衰的。對宇宙中任何一個事物的描述僅與宇宙中的其他事物密切相關(guān)。宇宙中某一事物的位置和運(yùn)動狀態(tài)只能通過與宇宙中其他事物的相對位置來確定和辨別。在日常生活中,時空幾何似乎并不受運(yùn)動物體的影響,當(dāng)我們在房間內(nèi)走動時,房間的時空幾何似乎沒有改變。但這一切僅僅是表面現(xiàn)象,若進(jìn)行精確的測量,可以發(fā)現(xiàn)時空幾何確實發(fā)生了微小的變化。廣義相對論指出:時空會由于宇宙中的物質(zhì)和能量而發(fā)生彎曲或扭曲,這同時也是引力相互作用的根源所在。彎曲空間比較容易理解,地球的質(zhì)量會使周圍的空間發(fā)生彎曲,造成鄰近地球的一切物體受到一種趨向于它的吸引力。時間的扭曲則較難進(jìn)行直觀想象,但是在任何質(zhì)量或能量面前,它確實會發(fā)生極微弱的扭曲。對地球而言,越靠近地面時鐘走得越慢,只不過變化實在太弱,用現(xiàn)有的儀器無法測量。在黑洞或中子星附近這種變化就會變得很明顯。正如在橡膠平板上的一條直線經(jīng)過卷曲就能變成一條閉合曲線那樣,足夠大的質(zhì)量密度或能量密度甚至還能將時間扭曲成可以往返的環(huán)路。物理學(xué)家稱這樣的環(huán)路為類時閉曲線,從理論上說,允許我們通過類時閉曲線重訪過去的某個時間點(diǎn)。哥德爾論證在愛因斯坦理論框架中時間旅行可能發(fā)生是從揭示閉合類時曲線形成之謎開始的。哥德爾認(rèn)為,如果整個宇宙在自轉(zhuǎn)的話,廣義相對論就應(yīng)該允許這種自轉(zhuǎn)創(chuàng)造條件,讓時間形成可以往返的環(huán)路。若能設(shè)法進(jìn)入這個環(huán)路,就會再三抵達(dá)同樣的時間點(diǎn),直到設(shè)法脫離為止。當(dāng)哥德爾把他的計算結(jié)果給愛因斯坦看時,這種想法曾使愛因斯坦困惑不已。但觀測表明宇宙并不真的在自轉(zhuǎn),因此時間旅行不可能以哥德爾預(yù)言的方式進(jìn)行。后來理論家又設(shè)想了一種時間機(jī)器,它是一個無限長的、快速旋轉(zhuǎn)的高密度圓柱體,但這顯然不是一臺能被建造出來的機(jī)器。人們早就知道,廣義相對論中的愛因斯坦方程有一個蟲洞解,不過引力學(xué)家從未認(rèn)真思索過這個數(shù)學(xué)解的物理意義。直到1988年情況才發(fā)生了本質(zhì)變化,加州理工大學(xué)的索恩(K.S.Thorne)論證道:蟲洞會造成一個時間環(huán)路,從而使時空之旅成為可能。在這個環(huán)路中旅行,有點(diǎn)像通過隧道穿越阿爾卑斯山。當(dāng)然經(jīng)過翻山越嶺能到達(dá)阿爾卑斯山的另一邊,但隧道卻能讓你更快捷地抵達(dá)那里。若對蟲洞細(xì)加挑選或者選取一條現(xiàn)存的隧道并移動一下它的出入口,甚至還能在抵達(dá)另一端之前就從蟲洞中冒出來。在索恩等人的工作之后,能否建造出時間機(jī)器的問題就變成一個如何產(chǎn)生蟲洞的問題了?！翱咕薄ⅰ按箨懛ㄏ怠钡臅r間旅行觀允許時間旅行發(fā)生的愛因斯坦理論就像一匹特洛伊木馬。表面上,這是一件非常好的禮物,但內(nèi)部卻潛伏著隱患。假如時間旅行切實可行,我們會面臨邏輯矛盾。你可以熟讀今天印刷精美的《紅樓夢》,然后逆時間旅行,去會見當(dāng)時還年輕的曹雪芹,給他提供《石頭記》的構(gòu)思。那么《石頭記》的故事到底是從何而來的呢?你從曹雪芹的作品中讀到了它,但曹雪芹卻是從你那兒聽到的!這種“倘若我殺死了我的祖父”類型的邏輯悖論被稱作“祖父悖論”。著名科幻作家尼文(L.Niven)于1971年宣布了所謂的“尼文定理”:“如果所論述的宇宙允許時間旅行,并允許改變過去的可能性存在,那么在那個宇宙中將不會發(fā)明出時間機(jī)器?！蹦嵛拇_信這種不自洽性會被自然法則中某種深層的自洽原理所禁止。1992年,霍金將這種思想稱為“年代學(xué)保護(hù)猜想”。對于時間旅行悖論的另一種解決方案與尼文或霍金的提議不同,為了避免悖論出現(xiàn),僅僅要求“過去的不可易性”?；蛟S我們的活動范圍強(qiáng)烈地受到協(xié)調(diào)性的限制,不改變現(xiàn)在就不能改變過去?；蛟S一種現(xiàn)實保護(hù)原則非常有效,使得對過去的調(diào)整沒有任何可能性。用哲學(xué)家德懷爾(L.Dwyer)的話來說,就是“引起反向因果關(guān)系的時間旅行,不必包括改變過去。時間旅行者不破壞已經(jīng)做了的事,或做沒做過的事?！比绻麑r間旅行分析與量子引力理論聯(lián)系起來,問題會變得更為復(fù)雜。對宇宙中將要發(fā)生某種變化的概率進(jìn)行計算時,應(yīng)該將時間旅行途徑的貢獻(xiàn)也考慮在內(nèi)。利用量子理論的多世界解釋,時間旅行者回到的過去是一個不同的“量子宇宙”。微膠囊的能量大型強(qiáng)子對撞機(jī)會成為時間機(jī)器的工作母機(jī)嗎?也就是說,LHC會制造出一個蟲洞,從而實現(xiàn)某種形式的時空之旅嗎?每個通過大型強(qiáng)子對撞機(jī)的粒子,會在時空中形成一種沖擊波,即產(chǎn)生一種造成周圍空間和時間扭曲的引力波動。當(dāng)兩個這樣的引力波彼此向?qū)Ψ节吔臅r候,就可能會產(chǎn)生令人感興趣的結(jié)果。在適當(dāng)?shù)臈l件下,撞擊的引力波會在時空中打出一個洞。需要多少能量才能使時空出現(xiàn)一個洞?這需要進(jìn)行量子引力的計算,然而至今尚未有一種完備的量子引力理論。如果采用阿卡尼-哈梅德(N.Arkani-Hamed)的研究,量子引力在幾個TeV(1012電子伏)的能量下就可能生效了。于是,物理學(xué)家推測LHC的威力也許已經(jīng)大到足以形成微型黑洞和量子胚(brane)。當(dāng)兩個以幾個TeV能量的質(zhì)子對撞時,可望形成直徑為10-18米的黑洞或者量子胚。這種想法實在太讓人著迷了,已經(jīng)引起物理學(xué)家們廣泛的討論。2007年10月,阿列菲娃和伏洛維奇等人重新研究了愛因斯坦方程,以期找到類時閉曲線的形成途徑,也就是說,以期發(fā)現(xiàn)在強(qiáng)子對撞過程中創(chuàng)造時間機(jī)器的可能性。事實上,若超高能粒子在對撞時又略有偏離的話,那么它們就會使周圍的時空發(fā)生足夠的扭曲,以致兩個扭曲的時空通過相互作用而形成一條類時閉曲線。阿列菲娃和伏洛維奇經(jīng)過計算認(rèn)定:大型強(qiáng)子對撞機(jī)創(chuàng)造出蟲洞和微型黑洞的機(jī)會是同等的,蟲洞甚至還可能以每兩秒鐘一次的頻率出現(xiàn)。他們興奮地說:“我們已認(rèn)識到,類時閉曲線和蟲洞也可能是粒子撞擊產(chǎn)生的結(jié)果?！比绻l(fā)現(xiàn)在LHC的撞擊中出現(xiàn)了能量不守恒現(xiàn)象,那也可能是因為撞擊中形成的粒子已遁入蟲洞了。暗能量的存在密度然而,這些蟲洞并不是可供人類旅行的時間機(jī)器,人類想要進(jìn)行時間旅行依然存在著許多本質(zhì)上的困難。蟲洞的洞口具有一種讓自身閉合的傾向,要避免這種情況,唯一的途徑是用某種導(dǎo)致排斥力而不是吸引力的奇異物質(zhì)將蟲洞撐開。在牛頓力學(xué)中,物體的引力強(qiáng)度只與物體質(zhì)量和物體間距離有關(guān),引力總是吸引的。這就是將這個“萬有”的作用力稱為“引力”的由來,為此人們還不得不別扭地去描述排斥的引力。事實上,愛因斯坦的廣義相對論允許存在排斥的引力,它使得宇宙加速膨脹。在廣義相對論中,引力源也與壓強(qiáng)p有關(guān)。一些非常有彈性的物質(zhì)(即負(fù)壓強(qiáng)p<-ρ/3)可以產(chǎn)生排斥的引力,而不是吸引的引力。然而,壓強(qiáng)與能量密度相當(dāng)?shù)奈镔|(zhì)是非常奇特的,即使是在太陽中心,物質(zhì)的壓強(qiáng)也比它的能量密度小好幾個數(shù)量級。因為壓強(qiáng)與能量密度之比取決于物質(zhì)內(nèi)部速度的平方除以光速,所以暗能量本質(zhì)上必須是相對論性的,且更像能量而不像物質(zhì)。暗能量可以用它的狀態(tài)方程參數(shù),即壓強(qiáng)與能量密度的比值w=ρ/ρ來表征。如果暗能量是真空能,那么w=-1(作為比較,非相對論性物質(zhì)的w=0,輻射的w=1/3)。暗能量的能量密度在宇宙膨脹時的演化遵循ρ∝l/R3(1+w),其中R是宇宙標(biāo)度因子。負(fù)壓強(qiáng)(u<0)導(dǎo)致了一個比物質(zhì)密度減小的速度(ρM∝1/R3)更慢的能量密度。正因為這一事實,暗能量在宇宙歷史的過去是相對次要的,但會在未來變得越來越重要。暗能量在過去不重要,這一點(diǎn)與觀測符合得很好。這個事實意味著暗能量的排斥性引力不會干擾暗物質(zhì)的吸引性引力,而后者推動了現(xiàn)有宇宙結(jié)構(gòu)的形成。此外,暗能量在過去不重要這一點(diǎn)也是宇宙在加速膨脹的另一個獨(dú)立論據(jù)的基石。對宇宙微波背景輻射進(jìn)行的測量,得到宇宙是平坦的,而這要求有一些“缺失”的能量作為物質(zhì)的補(bǔ)充,而且這種能量在過去的影響并不重要。若非如此,均勻分布的暗能量將會干擾結(jié)構(gòu)的形成。為了讓這部分“缺失”的能量在過去不重要,需要w<-1/2,而這又意味著它具有排斥的引力。暗能量也許正是促使蟲洞入口保持敞開所必需的。但要確定這是否可能,還得了解另一個問題的答案:隨著時空的膨脹,暗能量的密度是增加、減少還是保持恒定呢?物理學(xué)家在解釋觀察結(jié)果時,通常假定時空膨脹變化為如下模式:每立方厘米時空中的能量始終保持著“恒定”,宇宙的膨脹不會將能量“稀釋”。不過,也有少數(shù)物理學(xué)家把希望寄托在另一種可能性上,那就是隨著時空的膨脹,每立方厘米會增添更多的能量。如果暗能量確實具有這種“幻影”特性的話(這時對應(yīng)的w<-1),那么時空就會具有一種內(nèi)在的排斥力,它不僅可以使得大型強(qiáng)子對撞機(jī)制造出的蟲洞洞口保持敞開,甚至還能增大到足以讓人穿越而過。目前WMAP第5年的觀測數(shù)據(jù)允許態(tài)方程范圍是-1.13<w<-0.94,所以觀測并不排斥“幻影能量”的存在?？嫉峦?R.Caldwell)提出了一