粒子碰撞 [粒子碰撞与我们的生活]

时间：2019-01-06 03:33:06　来源：柠檬阅读网本文已影响人

　　原子粉碎机　　世界究竟是由什么构成的？宇宙是如何产生，又是如何演化的？地球上最热衷于弄明白这一终极理论的科学家中，有一半都曾在欧洲核子中心工作过。在东起瑞士日内瓦湖，西至法国侏罗山的大片草地下，有一台地球人都在关注的大型强子对撞机。包括100名中国研究人员在内的，来自世界上85个国家580所大学的8000名学者在那里开展自己的研究。
　　你可能会说，我们已经学过了：物质是由分子组成的，分子由原子组成的，原子是由原子核和电子构成的，而原子核则是由质子和中子组成的。没错。但质子和中子又是由什么组成的呢？电子能不能再分呢？更有趣的是，你有没有想过，当初科学家是怎么发现原子核中还有质子和中子的呢？当你想吃坚硬的小核桃中的核桃肉时，你会想到用锤子把小核桃砸碎；当科学家想知道原子核中究竟有什么时，他们也会设法把原子核打碎，只不过他们用的不是普通的锤子，而是一种叫对撞9机的高科技机器，有人形象地称它们为“原子粉碎机”。
　　
　　撞出来的诺贝尔奖
　　“大型强子对撞机”，这名字听起来内涵丰富，让人不太好懂。其实，“大型”是指它的尺寸、规模，在它的仓库般高大的磁铁测试实验室里，整齐地摆放着一排排的磁铁装置，正是这一节节的仪器设备在地下100米深处组装成了一个周长27千米的环形通道。此外，在粒子发生碰撞的区域四周，还安装有大型探测器，每一台探测器都有一幢房子那么大，但是比房子重得多。
　　“强子”是指对撞机加速的或者说将在其内部相互撞击的都是参与强相互作用的粒子。那什么是“强相互作用”呢？你一定知道质子是带正电的，也肯定知道同种电荷是相互排斥的，而且相距越近的同种电荷相互排斥的作用力就越强。可你有没有想过，在原子核的小得难以想象的空间里，都带着相同正电荷的质子之间的相互作用力该有多强？为什么它们没有互相推开各奔东西，而是稳定地聚集在一起呢？简单地说，科学家把原子核中质子之间存在的相互作用叫“强相互作用”。
　　“对撞机”的工作原理说起来挺简单，先利用电磁场把两束带电粒子加速到很高的能量，然后让它们在对撞机内迎头相撞，以至于粉身碎骨。就好像你抡起锤子“叭”的一下砸碎了坚硬的核桃壳，并在破碎物中看到了自己想吃的核桃肉。但科学家却从不指望自己能看到被加速的粒子，以及碰撞后产生的新的更小的粒子。你的锤子可以砸核桃也可以砸西瓜，但一种对撞机只能加速一种特定的带电粒子，例如，正负电子对撞机只能加速分别带正、负电荷的电子；质子对撞机只能加速都带正电的质子。但任何对撞机都不能加速不带电的粒子。
　　因撞击而粉身碎骨的粒子会发出辐射，这种辐射包含多种粒子。科学家通过安装在碰撞区域四周的大型探测器，来监视这些粒子经过时留下的蛛丝马迹。运算能力强大的计算机会分析探测到的信号，重新绘制出通过探测器的粒子轨迹，并且由此计算出该粒子的质量和所带电荷，从而判断它究竟是已知的，还是新发现的粒子。1983年，正是在欧洲核子中心，两位分别来自意大利和荷兰的物理学家，发现了两种分别被命名为W和Z的粒子，并因此荣获了1984年的诺贝尔物理学奖。
　　
　　重现宇宙之初的景象
　　大型强子对撞机是世界上最大、最冷的“冰箱”。它每年工作270天，2009年用了大约是800兆度电，相当于日内瓦全城一年的用电量。所消耗的电能大部分用于将磁铁冷却到接近绝对零度的零下271摄氏度，目的是使磁铁上的线圈达到电阻为零的超导状态。这样做一方面可节省实验用电，另一方面能为带电粒子的加速提供持续稳定的磁场。你可能会问，为什么要耗费这么多资源，建造如此庞然大物来寻找那些看不见的粒子呢？
　　按照目前公认的理论，宇宙诞生于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到1秒的时间里，宇宙是一锅无定形的“热汤”，由最基本的粒子夸克和轻子构成。随着膨胀和冷却，不同层次的结构依次出现：先是中子和质子，然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团，最终形成超星系团。大型强子对撞机让两束速度接近光速的质子迎头相撞，产生的能量接近大爆炸初期的能量。科学家希望，能从被撞碎的粒子中找到或许只存在于大爆炸初期的粒子，重现宇宙之初的景象。
　　
　　宇宙中有一个大坏蛋
　　包括大名鼎鼎的爱因斯坦在内的许多物理学家，一直试图用一个模型来解释世界万物，其中比较成功的是一个“标准模型”。之所以称它为模型，是因为它尚未经过实验最终验证上升为理论；说它是模型，其实只是一些数学方程的组合，并非你平常所见的各种实物模型。目前，这一“标准模型”已能描述所有已知的物质结构，从原子到星系无一漏网。
　　1995年，美国费米国家实验室宣布发现了“顶夸克”。至此，描述粒子物理学的这一“标准模型”所预言的61个基本粒子，已有60个得到实验数据的支持和验证，而最后一个未被发现的粒子却无论如何也找不到。一位著名的美国物理学家因此戏称它为“上帝粒子”，并在他的《上帝粒子》一书中“咬牙切齿”地写道：“宇宙中有一个无所不在的幽灵一样的大坏蛋，正在阻止我们理解物质的真正本质，阻止我们获得终极的知识。我们对宇宙的描绘都依赖于这一粒子的发现。不幸的是，地球上还没有一个加速器可以提供足够的能量以产生一个能量高达1万亿电子伏特的粒子。然而，你可以建造一个。为了捉拿这个大坏蛋，今天的大型强子对撞机，已经能将质子的能量提高到7万亿电子伏特，但它在哪儿呢？”
　　
　　别关机，这是一台服务器
　　好心的你也许会担心，投入如此巨大的人力、物力和财力，万一宇宙中真的不存在“上帝粒子”，那怎么办呢？科学家对此非常坦然，那就修改已有的理论、模型，或者干脆从头再来。他们说，这就像当年哥伦布启程寻找印度群岛一样，他和他的信徒们相信，如果到不了目的地，他们也会发现一些别的东西，而这些东西可能会更有意义。结果，他们发现了美洲大陆。大型强子对撞机实验的最终发现，并不一定是预先设想的结果。但即使没有发现“上帝粒子”，在它所能提供的能量范围内，也一定会有新的物理学出现。对此，他们很乐观。
　　你可能会问，科学家探索这么高深的理论，进行如此复杂的大型实验，与我们老百姓的生活有什么关系呢？这真是个有趣的问题。你知道互联网是在什么地方诞生的吗？就是在欧洲核子中心。用对撞机做实验是很耗钱财的，为了使同行不要再重复进行已经解决了的实验，当年在那里工作的物理学家蒂姆・伯纳斯・李发明了互联网，让从事相同研究的其他人能访问他的计算机，看到他挂在网页上的相关实验信息，并共享自己获得的实验数据。这意味着，他当时使用的那台计算机是世界上第一台互联网服务器。尽管他本人早已离开该中心去经营自己的网络公司了，但这台计算机如今仍陈列在欧洲核子中心总部的展览柜里，计算机上贴了一张纸，上面写着：“别关机，这是一台服务器！”
　　在大型强子对撞机中，质子迎头相撞的比例极小。当质子束相互穿过时，一共2000亿个质子中大约只有20对能撞上，也就是说，相撞的可能性只有50亿分之一。据估计，大型强子对撞机每年产生的数据要写满170万张双层DVD光盘，但其中99.99999%的撞击结果都是无意义的，为了从中过滤出最有价值的事例，必须处理海量的数据。为此，科学家建立了一个大型强子对撞机“网格”。这种网格网络由世界各地相关研究机构的数万台计算机组成，它们先连接到亚洲、欧洲和北美洲的12个大型网络集线中心，再通过专用光缆连接到欧洲核子中心。这种超高速网络的网速比现有宽带网快1万倍。尽管它目前仅用于科研目的，但潜在商业应用前景不可估量。试想，一旦它能转为民用，下载一部高清电影只要5秒，那感觉岂不是要多爽就有多爽。显然，对撞机不仅能撞出新粒子，还能撞出新思想、新方法；一旦这些新想法、新方式得到普及，就能逐渐改变我们的生活。

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