世界强子对撞机

世界强子对撞机

位于欧洲核子中心（cerm）的大型强子对称冲突机（lbc）将引导人们探索数千个能源世界。几经周折,现在这台庞大的环状机器即将运转,利用这台机器,人们期待发现什么呢?这是一个举世瞩目的问题。LHC原本是为了发现希格斯玻色子而建造的,它是标准粒子模型中最后一种尚未观测到的粒子。希格斯(P.Higgs)本人坚信会发现这种粒子。但是,当两个具有万亿电子伏能级的粒子对撞的话,它们可能造成一个微型黑洞;如果粒子对撞又略有偏离的话,它们会造成一个虫洞(wormhole,又译蛀洞)。乐观的估计认为,在不久的将来在LHC中就可以发现虫洞。如果这一切变成事实的话,研究时间之旅就成了阿列菲娃(I.Ya.Arefeva)和伏罗维奇(I.V.Volovich)走向斯德哥尔摩的终南捷径。lhc的特性经过9年的建造,LHC这台庞大的超级机器预计将在今年产生两股质子束流。LHC周长约为27公里,有12层楼房那么高,绕行一圈需要4个多小时。LHC中的正反质子束流的速度可达到光速的99.9999991%,每个质子携带的能量达到7万亿电子伏,利用爱因斯坦的质能公式计算,7万亿电子伏相当于质子静质量所含能量的7000倍。从日常生活的角度来看,1万亿电子伏的能量并不很大,还抵不上一只飞蚊的动能。但是,质子的尺寸仅为蚊子的万亿分之一,所以当1万亿电子伏的能量集中到一个亚原子粒子上时,就会产生非同寻常的效应。除此之外,LHC的束流强度极高,在最高能量状态满荷运转时,巨型圆环中绕行的所有粒子携带的总能量,大约相当于900辆时速100公里的小客车所具有的总能量。更形象地说,这些能量等价于3百万亿只飞蚊的动能。LHC的质子分布在2808个束团之中,每个束团由1000亿个质子组成。在对撞点上,束团长不过几厘米,直径约16微米,比发丝还细。四个巨型探测器建在四个对撞点周围,其中最重的一台探测器所用的铁超过了埃菲尔铁塔。这些仪器将记录并测量每次对撞产生的数以千计的粒子。由于LHC每秒束团相遇次数高达3000万次,所以仅在1秒的时间内产生的数据就可以写满10万张光盘。若采用光盘方式记录数据,那么不到半年,光盘叠起的高度就将等于地球与月球间的距离。为此,LHC设计了一种类似于垃圾邮件过滤器的数据获取系统,每秒内只筛选出100个最有价值的对撞事例,再将它们的数据传送到由上千台计算机组成的LHC中央计算系统。系统将通过一种称为网格网络(gridnetwork)的方法对数据进行分析。这个网络由世界各地研究机构的数万台PC机组成,通过专用光缆连接到CERN。这个网络分成3个层次,欧洲核子中心是最高层,它将数据分配给下一层的12个计算中心,包括欧洲核子中心自身、费米实验室和布鲁克黑文实验室等。再下一层由世界各地的大学和研究所的小型计算中心组成,这些中心的计算机将对整个网格上的数据进行分布式处理分析。“对称破缺说”LHC的第一个目标不是探索新现象,而是确认已有的成果。它会大量产生已经熟知的粒子,物理学家将能在更高的精度下对它们进行测量。同时LHC还肩负着寻找希格斯玻色子,并确定其特性的重任。根据粒子物理的标准模型,物质粒子由3代夸克和轻子构成,它们的相互作用由对称性决定。传递强作用力是8种胶子,强相互作用服从颜色对称性,无论夸克的颜色如何,描述夸克的方程都是相同的。电弱相互作用服从另一种对称性,传递粒子分别是W±玻色子、Z玻色子和光子。对称性是标准模型中粒子相互作用的基础,但是对称性在指导电弱相互作用情况时显得有点儿复杂。阐明这种现象的根本原因,是LHC的重要目标之一。电弱理论的早期形式有两大缺点:其一,作为传递粒子的4种玻色子都是长程力,而自然界中仅有光子是长程传递的,另外3种粒子传递的都是短程力,力程不超过10-17米,还不到质子半径的百分之一。依照海森伯不确定原理,这些粒子的质量应该在千亿电子伏左右;其二,各代粒子之间的代对称性不允许夸克和轻子有质量,而它们实际上是有质量的。希格斯提出的“对称性破缺”理论使电弱理论摆脱了早期的尴尬局面。包含了希格斯粒子的现代电弱理论,能够非常精确地解释大量实验结果。希格斯粒子是一种标量粒子,它产生的希格斯场被认为像流体一样充满空间,阻碍了W±、Z玻色子的自由移动,从而限制了弱相互作用的范围。希格斯场还作用于夸克和轻子,赋予它们质量。如果LHC发现了希格斯玻色子,这将是标准模型的重大胜利。如果未能找到这样的粒子,那么标准模型就露出了破绽,而这又将进一步激发理论家们的探索热情。今年4月7日,现年已经78岁的希格斯在欧洲核子中心说,他相信这种粒子可能出现得很快,但是“玻色子很可能隐藏在收集的大量数据中,通过分析找到它可能要花费很长时间”。如果希格斯粒子的发现确实需要一定的时间,那么在LHC上最早发现的,又可能是什么呢?广义相对论中的时空旅行自从1895年英国著名作家韦尔斯(H.G.Wells)的作品《时间机器》问世以来,有关时间旅行机器就一直是科幻小说的重要组成部分。当时年仅10岁的外尔(H.Weyl)肯定受到了韦尔斯小说的影响,1918年,在他的相对论名著《空间、时间和物质》中写道:“现在我所经历的某些事物可能受我将来的决定和行为的影响。让一条每点都有类时方向的世界线(可以特指我身体的边界线)回到曾经历过的邻近点并非没有可能。产生这种作用的必要条件是时空度规张量存在相当大的起伏。”爱因斯坦、哥德尔(K.Godel)和外尔曾在普林斯顿高等研究院一起共事,或许外尔在某种程度上影响了哥德尔。1949年,奥地利数学家哥德尔证明了在爱因斯坦理论框架内,时间旅行是完全可能发生的。爱因斯坦的广义相对论是目前人类拥有的最精确科学理论之一。它以10-14的精度预言了脉冲星的变化。广义相对论还对我们在宇宙中所看到的诸如黑洞、中子星、引力透镜,以及水星运动中的现象作出了成功的解释。按照广义相对论,宇宙万物是在一个具有三维空间和一维时间的背景上历经兴衰的。对宇宙中任何一个事物的描述仅与宇宙中的其他事物密切相关。宇宙中某一事物的位置和运动状态只能通过与宇宙中其他事物的相对位置来确定和辨别。在日常生活中,时空几何似乎并不受运动物体的影响,当我们在房间内走动时,房间的时空几何似乎没有改变。但这一切仅仅是表面现象,若进行精确的测量,可以发现时空几何确实发生了微小的变化。广义相对论指出:时空会由于宇宙中的物质和能量而发生弯曲或扭曲,这同时也是引力相互作用的根源所在。弯曲空间比较容易理解,地球的质量会使周围的空间发生弯曲,造成邻近地球的一切物体受到一种趋向于它的吸引力。时间的扭曲则较难进行直观想象,但是在任何质量或能量面前,它确实会发生极微弱的扭曲。对地球而言,越靠近地面时钟走得越慢,只不过变化实在太弱,用现有的仪器无法测量。在黑洞或中子星附近这种变化就会变得很明显。正如在橡胶平板上的一条直线经过卷曲就能变成一条闭合曲线那样,足够大的质量密度或能量密度甚至还能将时间扭曲成可以往返的环路。物理学家称这样的环路为类时闭曲线,从理论上说,允许我们通过类时闭曲线重访过去的某个时间点。哥德尔论证在爱因斯坦理论框架中时间旅行可能发生是从揭示闭合类时曲线形成之谜开始的。哥德尔认为,如果整个宇宙在自转的话,广义相对论就应该允许这种自转创造条件,让时间形成可以往返的环路。若能设法进入这个环路,就会再三抵达同样的时间点,直到设法脱离为止。当哥德尔把他的计算结果给爱因斯坦看时,这种想法曾使爱因斯坦困惑不已。但观测表明宇宙并不真的在自转,因此时间旅行不可能以哥德尔预言的方式进行。后来理论家又设想了一种时间机器,它是一个无限长的、快速旋转的高密度圆柱体,但这显然不是一台能被建造出来的机器。人们早就知道,广义相对论中的爱因斯坦方程有一个虫洞解,不过引力学家从未认真思索过这个数学解的物理意义。直到1988年情况才发生了本质变化,加州理工大学的索恩(K.S.Thorne)论证道:虫洞会造成一个时间环路,从而使时空之旅成为可能。在这个环路中旅行,有点像通过隧道穿越阿尔卑斯山。当然经过翻山越岭能到达阿尔卑斯山的另一边,但隧道却能让你更快捷地抵达那里。若对虫洞细加挑选或者选取一条现存的隧道并移动一下它的出入口,甚至还能在抵达另一端之前就从虫洞中冒出来。在索恩等人的工作之后,能否建造出时间机器的问题就变成一个如何产生虫洞的问题了。“抗菌”、“大陆法系”的时间旅行观允许时间旅行发生的爱因斯坦理论就像一匹特洛伊木马。表面上,这是一件非常好的礼物,但内部却潜伏着隐患。假如时间旅行切实可行,我们会面临逻辑矛盾。你可以熟读今天印刷精美的《红楼梦》,然后逆时间旅行,去会见当时还年轻的曹雪芹,给他提供《石头记》的构思。那么《石头记》的故事到底是从何而来的呢?你从曹雪芹的作品中读到了它,但曹雪芹却是从你那儿听到的!这种“倘若我杀死了我的祖父”类型的逻辑悖论被称作“祖父悖论”。著名科幻作家尼文(L.Niven)于1971年宣布了所谓的“尼文定理”:“如果所论述的宇宙允许时间旅行,并允许改变过去的可能性存在,那么在那个宇宙中将不会发明出时间机器。”尼文确信这种不自洽性会被自然法则中某种深层的自洽原理所禁止。1992年,霍金将这种思想称为“年代学保护猜想”。对于时间旅行悖论的另一种解决方案与尼文或霍金的提议不同,为了避免悖论出现,仅仅要求“过去的不可易性”。或许我们的活动范围强烈地受到协调性的限制,不改变现在就不能改变过去。或许一种现实保护原则非常有效,使得对过去的调整没有任何可能性。用哲学家德怀尔(L.Dwyer)的话来说,就是“引起反向因果关系的时间旅行,不必包括改变过去。时间旅行者不破坏已经做了的事,或做没做过的事。”如果将时间旅行分析与量子引力理论联系起来,问题会变得更为复杂。对宇宙中将要发生某种变化的概率进行计算时,应该将时间旅行途径的贡献也考虑在内。利用量子理论的多世界解释,时间旅行者回到的过去是一个不同的“量子宇宙”。微胶囊的能量大型强子对撞机会成为时间机器的工作母机吗?也就是说,LHC会制造出一个虫洞,从而实现某种形式的时空之旅吗?每个通过大型强子对撞机的粒子,会在时空中形成一种冲击波,即产生一种造成周围空间和时间扭曲的引力波动。当两个这样的引力波彼此向对方趋近的时候,就可能会产生令人感兴趣的结果。在适当的条件下,撞击的引力波会在时空中打出一个洞。需要多少能量才能使时空出现一个洞?这需要进行量子引力的计算,然而至今尚未有一种完备的量子引力理论。如果采用阿卡尼-哈梅德(N.Arkani-Hamed)的研究,量子引力在几个TeV(1012电子伏)的能量下就可能生效了。于是,物理学家推测LHC的威力也许已经大到足以形成微型黑洞和量子胚(brane)。当两个以几个TeV能量的质子对撞时,可望形成直径为10-18米的黑洞或者量子胚。这种想法实在太让人着迷了,已经引起物理学家们广泛的讨论。2007年10月,阿列菲娃和伏洛维奇等人重新研究了爱因斯坦方程,以期找到类时闭曲线的形成途径,也就是说,以期发现在强子对撞过程中创造时间机器的可能性。事实上,若超高能粒子在对撞时又略有偏离的话,那么它们就会使周围的时空发生足够的扭曲,以致两个扭曲的时空通过相互作用而形成一条类时闭曲线。阿列菲娃和伏洛维奇经过计算认定:大型强子对撞机创造出虫洞和微型黑洞的机会是同等的,虫洞甚至还可能以每两秒钟一次的频率出现。他们兴奋地说:“我们已认识到,类时闭曲线和虫洞也可能是粒子撞击产生的结果。”如果发现在LHC的撞击中出现了能量不守恒现象,那也可能是因为撞击中形成的粒子已遁入虫洞了。暗能量的存在密度然而,这些虫洞并不是可供人类旅行的时间机器,人类想要进行时间旅行依然存在着许多本质上的困难。虫洞的洞口具有一种让自身闭合的倾向,要避免这种情况,唯一的途径是用某种导致排斥力而不是吸引力的奇异物质将虫洞撑开。在牛顿力学中,物体的引力强度只与物体质量和物体间距离有关,引力总是吸引的。这就是将这个“万有”的作用力称为“引力”的由来,为此人们还不得不别扭地去描述排斥的引力。事实上,爱因斯坦的广义相对论允许存在排斥的引力,它使得宇宙加速膨胀。在广义相对论中,引力源也与压强p有关。一些非常有弹性的物质(即负压强p<-ρ/3)可以产生排斥的引力,而不是吸引的引力。然而,压强与能量密度相当的物质是非常奇特的,即使是在太阳中心,物质的压强也比它的能量密度小好几个数量级。因为压强与能量密度之比取决于物质内部速度的平方除以光速,所以暗能量本质上必须是相对论性的,且更像能量而不像物质。暗能量可以用它的状态方程参数,即压强与能量密度的比值w=ρ/ρ来表征。如果暗能量是真空能,那么w=-1(作为比较,非相对论性物质的w=0,辐射的w=1/3)。暗能量的能量密度在宇宙膨胀时的演化遵循ρ∝l/R3(1+w),其中R是宇宙标度因子。负压强(u<0)导致了一个比物质密度减小的速度(ρM∝1/R3)更慢的能量密度。正因为这一事实,暗能量在宇宙历史的过去是相对次要的,但会在未来变得越来越重要。暗能量在过去不重要,这一点与观测符合得很好。这个事实意味着暗能量的排斥性引力不会干扰暗物质的吸引性引力,而后者推动了现有宇宙结构的形成。此外,暗能量在过去不重要这一点也是宇宙在加速膨胀的另一个独立论据的基石。对宇宙微波背景辐射进行的测量,得到宇宙是平坦的,而这要求有一些“缺失”的能量作为物质的补充,而且这种能量在过去的影响并不重要。若非如此,均匀分布的暗能量将会干扰结构的形成。为了让这部分“缺失”的能量在过去不重要,需要w<-1/2,而这又意味着它具有排斥的引力。暗能量也许正是促使虫洞入口保持敞开所必需的。但要确定这是否可能,还得了解另一个问题的答案:随着时空的膨胀,暗能量的密度是增加、减少还是保持恒定呢?物理学家在解释观察结果时,通常假定时空膨胀变化为如下模式:每立方厘米时空中的能量始终保持着“恒定”,宇宙的膨胀不会将能量“稀释”。不过,也有少数物理学家把希望寄托在另一种可能性上,那就是随着时空的膨胀,每立方厘米会增添更多的能量。如果暗能量确实具有这种“幻影”特性的话(这时对应的w<-1),那么时空就会具有一种内在的排斥力,它不仅可以使得大型强子对撞机制造出的虫洞洞口保持敞开,甚至还能增大到足以让人穿越而过。目前WMAP第5年的观测数据允许态方程范围是-1.13<w<-0.94,所以观测并不排斥“幻影能量”的存在。考德威尔(R.Caldwell)提出了一