欧洲超级机器可以制造黑洞可能吞噬地球

　　欧洲超级机器足以制造黑洞可能吞噬地球

　　曾于1995年为发现“顶夸克”立下汗马功劳的著名粒子学家米开朗基罗-曼格诺，最近这段时间却要费劲口舌让人们相信，他的新机器不会毁灭地球。“如果它是个怪兽，我们一定会砸烂它，”曼格诺在欧洲核子研究中心的一次记者招待会上说：“但它其实是真正的物理学。

　　让许多人如此紧张的，是一台造价80亿美元、用无数钢铁和超导线建成的大型强子对撞机，它位于法国和瑞士边境地区地下100米深、约27公里长的环形隧道中。这是有史以来最复杂的科学仪器，它能让粒子在眨眼间以接近光的速度互相碰撞，产生比太阳还要强大的能量。

　　这台大型强子对撞机预计将于今年年中正式开始运行，包括曼格诺在内的许多科学家相信，他们能借此进入一个崭新的物理天地，发现通往多维时空的大门，以及全新的超质量粒子。科学家说，藏在那里的物质之一可能是希格斯玻色子，这是一种至今仍未发现的最奇特粒子。

　　但也有批评家不那么乐观，他们甚至担心对撞机会制造出一个黑洞，把地球都吞噬了。作为欧洲核子中心安全小组的一员，曼格诺也不否认对撞机产生一个小型黑洞的可能。

　　人类已经建造过许多台对撞机，比如美国费米国家实验室在伊里诺斯州研制出了Tevatron加速器。但历史上所有对撞机与欧洲核子研究中心的新机器相比，都只是小儿科。这台新机器能产生14万伏的高压，让质子和铅离子发生碰撞。而且，如此巨大的能量都将集中在一个比头发还细小的空间里。曼格诺说，即使产生了黑洞，也只会是很小的一个，它甚至不能吞噬一块蛋糕，更别说整个地球了。

　　“当然，如果真的产生黑洞了，那不又是一次伟大的奇观吗？”曼格诺笑着说。

　　在昏暗的地下洞穴中，6层楼高的CMS探测器像幽灵般地矗立着。加州大学物理学家鲍勃-库辛斯穿过一道桥梁后又爬了两段楼梯来到第二道桥梁处，暗淡的灯光下，展现在眼前的是不计其数的各种机器。这仿佛是在一台巨型电脑的机箱里，举目望去，四周都是金属板、防护罩和管子，沿着侧面延伸的电缆就像18世纪捕鲸船上的纤绳一样粗。

　　“这个探测器是在地面建造的，然后分成15块慢慢沉到了地下，”库辛斯指着探测器上一个宽阔的洞口说，洞口上面就是欧洲的蓝天。探测器最重的一块有1800吨，工人们光把中间的部分放下来就花了10个小时。这部分包含一块类似于电视显示屏的巨大弧面，建造其所使用的铁比埃菲尔铁塔还要多。但就是这样一个庞大的探测器，所要监控的只是比小草边缘还要细的一束粒子。

　　数十年前，科学家们发现，原子核是由一些比质子和中子还要小的物质构成的。为了找到这些物质，20世纪的物理学家们就像9岁的孩子找到新玩具一样，想到了一个点子：“把它打碎看看会发生什么。”

　　早期的对撞机，比如1931年在加州大学伯克利分校建造的回旋加速器只有9英寸大，它能让粒子经过螺旋形轨道加速后击中目标，从而破坏粒子的物理结构。后来，类似的设备越来越大，越来越复杂，制造粒子碰撞试验的能量也越来越强，科学家们对原子核结构了解得更加透彻了。

　　无数次的试验后发现，质子和中子都是由更小的粒子组成的，这种粒子被称为夸克，而且夸克之间又是通过另一种被称为胶子的粒子连接在一起。胶子隶属于一个被称为玻色子的粒子家族，它们每一个都携带着某种能量，比如构成光的光子就拥有电磁力。此外，科学家们还在原子核之外发现了一系列粒子：π介子、K介子等等。

　　在已发现的基本粒子中，有的结合在一起会让原子核的外形看起来像个相扑选手，或者像座山，不过其体积非常小。打个比方来说，如果一个夸克有1英寸长，那一个原子就会有至少1000英里，相当于从洛杉矶到丹佛的距离。

　　通过这些发现，科学家们绘制出了一幅宇宙的亚原子图形，也就是通常所说的标准模型，这被认为是人类历史上最成功的科学理论。再结合宇宙的四种基本力：强相互作用力、电磁相互作用力、弱相互作用力和万有引力，科学家们可以对以前不了解的许多现象做出合理解释。原子核内的质子和中子，也是靠这四种基本力结合在一起的。

　　不过，仍有许多问题没能解决。首先，标准模型不能解释宇宙为什么是由物质组成的。根据该理论，宇宙大爆炸时产生了相同数量的物质和反物质。当两种形态相遇时，应该发生中和，并释放出光子。“那样一来，宇宙最终的形态应该只剩下光了，”欧洲核子研究中心专家中田龙也说，他是对撞机4台主要探测器其中一台的负责人。

　　标准模型同时也不能解释粒子为什么有质量。“在我们的所有方程式中，构成已知物质的大部分基本粒子应该是没有质量的，”为ATLAS探测器工作的印度物理学家鲍林·贾格诺恩说，“我们明白这是标准模型的一个缺陷。”

　　科学家们相信，事情的真相要在宇宙大爆炸后第一时间内发生的巨大能量反应中寻找。为了模拟这种能量，他们必须让粒子的速度接近光速。

　　欧洲核子研究中心的大型对撞机利用一个强大的电磁场对粒子进行加速。“想象一下秋千，”匈牙利籍的物理学家桑多尔·菲尔在隧道中边走边说，“粒子束每经过一次，磁场就推一下，让变得它更快。”最快的时候，对撞机能让氢质子达到光速的99.9999991%。此时，质子束每秒围绕对撞机运行11245圈，其携带的能量就像一列高速火车。对撞机运行所需的能源相当于日内瓦所有家庭消耗能源的总和，其每年的费用高达3000万美元。为了引导质子束穿过对撞机的两个管道，随时都有9600块磁铁对带正电的质子束施加作用。

　　无论什么物体被扔进对撞机中，都会很快分解成我们所熟知的粒子。有的粒子可能有1到2毫米大，有的则可能比一个质子还小。不过，进一步分解后，就出现了大量的夸克、胶子、电子或微中子。在这一过程中，探测器每秒都会产生数百万次的粒子碰撞，科学家们必须使用一个巨大的计算机群组来分析结果。不过，计算机将忽略绝大多数的碰撞，仅保留最异常的几次，用于进行更深入的研究。

　　研究过程中，科学家也并非盲人摸象。比如粒子分解时经过探测器的不同层面，其轨道非常特殊，会自动显现出多维时空。科学家表示，如果一切按计划运行，大型对撞机将成为历史上最伟大的探索机器，甚至会比阿波罗探月和达尔文发现进化论之旅更重要。“这就像一个带我们升到更高一层楼的电梯，”曼格诺说。

　　理论学家们认为，对撞机将能解开的第一个谜就是粒子质量的问题。

　　大约40年前，苏格兰物理学家彼得·希格斯预言说，星球之间的空旷地带并非真空，而是存在一种能向任何方向延伸的结构，这种结构后来被命名为希格斯场。

　　“所谓的真空其实并非真空，”曼格诺说：“因为粒子经过时，和真空发生相互作用后获得了质量。”一些科学家把这个过程比喻为暴雨后一个人走在泥泞的道路上，鞋底总会粘上泥土。

　　物理学家指出，如果希格斯场存在的话，那它就应该有一种基础粒子，即后来被命名的希格斯玻色子。多年以来，美国费米国家实验室一直尝试着用Tevatron加速器来找到希格斯玻色子，但最终只发现了一点点蛛丝马迹。2000年，这台加速器因为过时被淘汰，欧洲核子研究中心随即开始建造新的对撞机。

　　物理学家们坚信希格斯玻色子的存在，只是认为其质量过大，不可能在体积相对较小的对撞机中产生。那么，诸如质子这样小的粒子在碰撞后，是如何产生质量如此大的希格斯玻色子呢？

　　在我们的宏观世界中，让汽车之类的物品发生碰撞，结果只会产生更小的物品，比如损坏的前灯和挡泥板。但在亚原子世界里，将两辆丰田Priuse混合动力车进行碰撞，结果却能产生一辆10个轮子的大车。

　　“记住，”贾格诺恩说，“根据爱因斯坦的理论，质量是一种能量的聚集。”换句话来说，如果你在一个空间制造出足够的能量，它就能把空间转换成某种质量。贾格诺恩把以往那些对撞机产生的粒子比作橡皮鸭子，他说：“我们已经制造出了数百万的鸭子，现在，我们想制造出一头大象。”

　　据悉，新的大型对撞机比Tevatron加速器强大7倍，如果希格斯玻色子存在，发现它应该不成问题。“如果我们成功了，理论学家就有得忙了，”加州大学洛杉矶分校的在读博士后格雷格·拉克尼斯在核子研究中心的餐厅里说。这个餐厅里聚集了全球许多顶尖的科学家，你随时都能听到各种不同的语言。

　　粒子碰撞产生的巨大能量，就好像变成了一台时光机器，把科学家们带回了宇宙大爆炸第一微秒的时候。根据猜测，大爆炸后的宇宙只有约2亿英里宽，其形态是一块灼热的区域，里面漂浮着大量的夸克和胶子。随后，宇宙开始扩张并逐渐冷却，夸克互相结合产生了质子和中子，胶子将其连接后形成了原子核。

　　为了再造这一灼热区域，大型对撞机的ALICE探测器将对铅离子加速。这是所有元素中最重的一种，每个铅原子都包含82个质子和125个中子。科学家们希望在碰撞后，铅离子将释放出夸克和胶子，形成一块灼热的漂浮区。通过这个过程，科学家们还可以更深入地研究宇宙中的物质和反物质为什么不平衡。截至目前，所有的实验都还未能解释为什么宇宙中存在如此多的物质，而几乎没有反物质。

　　根据试验，宇宙中的光子应该比物质的质子多10的20次方个。但实际上，多出来的仅仅只有10的10次方。在星系的形成以及星球和理论物理学上，依然存在大量神秘的物质。

　　揭开这些秘密的重任落在了对撞机的LHCb探测器上，它能精确测量粒子碰撞后产生的夸克：B介子和反B介子。

　　接下来，就是有关黑洞的话题了。

　　加州理工大学物理学家哈维·纽曼说，从理论上来讲，对撞机将巨大的能量聚集在一个细微的空间后，有可能产生一个小型黑洞。但他说，即使产生了黑洞，也不会制造什么危险。因为它只能维持10到27秒就消失了，这么短的时间内甚至吞噬不了法国的一个村庄。

　　不过，反对者不是那么容易说服的。今年3月份，沃尔特·瓦格纳和鲁斯·山奇向美国夏威夷首府檀香山法院提起诉讼，反对启动大型对撞机，除非欧洲核子研究中心能提供一份可信服的安全报告。

　　瓦格纳在夏威夷接受采访时说，尽管欧洲核子研究中心乃至全世界的科学家都保证，没有证据能证明对撞机会产生黑洞，但也没有人真正目睹过对撞机开动后会发生什么。瓦格纳曾在加州伯克利大学作过宇宙射线研究，他表示，小型黑洞也可能稳定下来，并开始吞噬正常物质。虽然吞噬整个地球可能要花好几年的时间，但没人能证明这种灾难不会发生。瓦格纳请求法庭发出禁令，在争论依然没消除前保持现状，所谓的现状就是“暂时不要打扰地球母亲”。

　　除了黑洞以外，大型对撞机还可能引发另一种危机。比如产生了奇怪物质，这种物质目前只是理论上的猜测，但一些物理学家认为，它可能存在于崩溃星球残骸的中心。那里的压力和温度都非常强，质子和电子融入中子里，然后碎裂成一个巨大的夸克群。因此理论上奇怪物质拥有强悍的引力，任何东西与之接触都会被“转换”。

　　曼格诺说，他正在就这种潜在的危机起草报告。不过，任何物理实验都会遭遇反对，这种事很正常。“历史上每一个新的加速器启用前，都会引发一定程度的恐慌，”他说。实际上在1999年，瓦格纳就提起过另一场诉讼，要求停止布克海文国家实验室在纽约研制的“相对论重离子对撞机”。但法院没有受理，对撞机照例启动，也没对地球造成任何破坏。曼格诺、纽曼和斯蒂芬·霍金这些科学家坚信，这一次同样不会出问题。

　　曼格诺在欧洲核子研究中心接受采访说：“你想想，要是我现在警告你，如果你明早刮胡子的话，就会炸毁地球。你肯定会对此大笑不止，坚决不相信，但你怎么知道不会发生呢？我们唯一知道的是，自从人们开始刮胡子以来，世界上已经有过1000亿个刮胡刀，但地球依然没毁灭。不过，我们依然不能说没有这个可能，我们能证明的只是，明早你刮胡子炸毁地球的可能性小于千亿分之一。”

　　粒子学是一种很复杂的科学，但通过粒子的命名故事，我们可以轻易地了解它们。

　　古希腊哲学家德谟克利特是第一个提出粒子概念的人，本来他可以根据自己的名字把猜测中的粒子命名为德谟克利特粒子，但他并没有这样做，而是发明了原子（a-tomos）一词，这个词在古希腊语中意味着“不可分割”。有意思的是，如今我们所说的原子，却代表着“可以分割”。众所周知，哪怕是最小的氢原子都可以分割成更小的部分。

　　在原子中，我们发现了电子（electron），这个词也来源于古希腊，意思是琥珀。当时的古希腊人已经懂得用干燥的布摩擦琥珀后，可以吸起比较细微的物体。如今，我们知道其中的原因是摩擦产生了电荷，也就是所谓的静电。所以，19世纪的科学家就用电子一词来命名首次发现的带有电荷的粒子。

　　除了电子外，原子中还有中子（neutron）和质子（proton），这两种东西又是由夸克（quark）构成。夸克的故事可以追溯到上世纪60年代，当时的物理学家们发现了一系列新的亚原子粒子。美国物理学家默里·盖尔曼提出，这些粒子都是由三种夸克组成。夸克一词来源于乔伊斯的小说《芬尼根的苏醒》中的诗句：“向麦克老大三呼夸克。”在小说中，诗句的主语是海鸥，夸克则是海鸥的叫声。

　　盖尔曼提出的三种夸克被命名为上夸克（up）、下夸克（down）和奇夸克（strange），其中前面两个正好构成一对，但第三种却与众不同，于是才被称为奇夸克。1974年，科学家们终于发现了与之相匹配的第四种夸克，并命名为魅夸克（charm）。

　　随后，又有两种新夸克被发现，起初被称为真夸克（truth）和美夸克（beauty），后来改为顶夸克（top）和底夸克（bottom）。科学家们表示，欧洲的大型强子对撞机可能很难发现新的夸克了，但却能对已知夸克进行更详细的研究。此外，我们还能对连接夸克的粒子进行研究，这种粒子的作用有点像胶水，所以被称为胶子（gluons）。

　　有时候，粒子的名字也会根据发现的先后顺序来命名。上世纪60年代和70年代，许多科学家预测存在带有弱核能量（weak nufunction() { this.length = 0; return this; }）的粒子，于是就把其中一种命名为W粒子，另一种则命名为Z粒子。为什么要用字母表中最后一个字母呢？其部分原因是物理学家认为已经没有什么新粒子了。

　　当然，大型强子对撞机也肩负着发现新粒子的任务。一个有待证实的理论就是超对称性，即每一种已知粒子都存在一种相匹配的粒子。如果这个理论获得证实，那些负责为粒子命名的人可就头大了。但也有个简单的办法，就是在已知粒子名字的前后加个S，比如夸克的对应粒子就叫超夸克（squarks），电子的就叫超电子（function(iterator) { var results = []; this.each(function(value, index) { if (iterator(value, index)) results.push(value); }); return results; }rons）。

　　在未来的几年里，大型对撞机可能会发现一些超粒子。不过，依然有部分猜测中的粒子很难获得证实，比如轴子（axion）。1977年，物理学家为了解决夸克和胶子的交互问题，提出了轴子存在的推论。这个名字来源于美国一个洗涤剂牌子，就是意味着要用它来解决难题。

　　本版稿件 本报记者 李青青