最近中国科学界针对我们是否建设大型强子对撞击展开了一番激烈辩,就连华人诺贝尔物理学奖得主、现年94岁的杨振宁,都撰文《中国今天不宜建造超大对撞机》,回应华裔数学家丘成桐赞成中国建造超大对撞机,但同时遭中国科学院高能物理研究所所长王贻芳反驳,后者称“建大型对撞机正当其时”。
既然我们的科学界这么热闹,那你有想过那么大型强子对撞机究竟是什么东西,它到底有什么用?真的会毁灭世界吗?
从一开始曼巴菊长就对大型强子对撞机(LHC)充满好奇,犹如科学家对这新科学新发现一样充满无限憧憬。
欧洲大型强子对撞机LHC坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深·总长17英里(含环形隧道)的隧道内。是世界上规模最大、能量最高的粒子加速器,能够解答我们以前没有能力提出来的问题。
LHC一单启动将会以近光速的速度投放出质子与离子束,并将让此粒子束彼此撞击,之后记录此撞击所发生的结果。
科学家希望这些撞击事件将告诉我们更多有关宇宙是如何起源的以及宇宙由什么组成的内容。所以这就有可能创造出通向其他维度的微型黑洞。
2008年9月10日,对撞机初次启动进行测试时,当时世人会感到惶恐不安,那时候甚至有媒体报道称,LHC创造的黑洞将吞噬地球。
LHC真的有那么可怕吗?当然这种担忧很大一部分原因是来自大家对LHC不了解。不知道它能干什么,它在做什么。
实际上,LHC是几十个国家的数千名科学家一直为它在努力工作的研究结晶。
什么是LHC?LHC是世界上最大的粒子加速器。
粒子加速器始现于1937年,被物理学家用来窥视微观宇宙。
这种装置让粒子高速撞击以产生高能碰撞,最初被用来探索原子核的结构。
随着技术的进步和物理学研究的深入,粒子加速器变得越来越大,但其工作原理仍然是利用电磁场驱使亚原子粒子高速运动。
一位工程师在大型强子对撞机偶极磁铁之间的连接处作业
加速器通道中,主要是放置两个质子束管。加速管由超导磁铁所包覆,以液态氦来冷却。
管中的质子是以相反的方向,环绕着整个环型加速器运行,粒子束运动的速度就越快,碰撞产生的能量就越高,这意味着我们对未知世界的探索就越深入。
LHC加速环的四个碰撞点,分别设有五个侦测器在碰撞点的地穴中。其中超环面仪器(ATLAS)与紧凑渺子线圈(CMS)是通用型的粒子侦测器。其他三个(LHC底夸克侦测器(LHCb),大型离子对撞器(ALICE)以及全截面弹性散射侦测器(TOTEM)则是较小型的特殊目标侦测器。
如何撞击质子大型强子对撞机的实验原理相当简单,首先你沿着2条路径发出2束粒子,一束顺时针方向前进,另一束逆时针方向前进。你将这两束粒子加速至近光速,之后让它们相向前进,看看会发生什么。
当质子束进入大型强子对撞机时,我们来看看其历程如何。首先科学家剥去氢原子的电子以生产出质子来,之后这些质子进入LINAC2。将质子束射向此加速器的机器叫“PSBooster”。
发现新粒子大型强子对撞机发现新粒子
LHC为科学研究作出了巨大贡献,最著名的一个例子是发现希格斯玻色子。
这种粒子是粒子物理学标准模型缺失的最后一环。标准模型是描述基本粒子及其相互作用的理论。
从彼得·希格斯(PeterHiggs)的最初计算到2012年希格斯玻色子的发现,过去了近50年时间。
据称,这种粒子通过无所不在的希格斯场,把质量赋予其他所有粒子。
但希格斯玻色子的发现只是个开始。
未知的维度
一些科学家认为大型强子对撞机能揭开其它维度存在的证据。我们习惯于生活在四维世界里,三维空间和第四维的时间。
但一些物理学家理论认为还有我们察觉不到的其它维度。比如,弦理论就需要存在的维度得不少于11个。
有些人指出,如果有更多的维度,这可以解释现代物理学的一些未解之谜,比如引力相对于其他几种基本力为什么如此之弱。
弦理论等物理学理论预测了某些粒子的存在,但这些粒子只存在于比四维更高的维度中。
弦理论学家希望大型强子对撞机将提供证据来支持他们提议的宇宙模式。
LHC的世界之最
世界上最大的机器:大型强子对撞机的精确周长是2.6659万米,内部总共有9300个磁体。大型强子对撞机不仅是世界上最大的粒子加速器,而且仅它的制冷分配系统(cryogenicdistributionsystem)的八分之一,就称得上是世界上最大的制冷机。
世界上最快的跑道:功率达到最大时,数万亿个质子将在大型强子对撞机周围的加速器环内以每秒1.1245万次的频率急速穿行,它们的速度是光速的99.9999991%。
太阳系中最空的空间:为了避免加速器中的粒子束与空气分子相撞,这些粒子束在像行星间的空间一样空荡的超真空环境中穿行。
银河系最热点:大型强子对撞机是一个极热和极冷并存的机器。当两束质子束相撞时,它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。
史上最先进的探测器:为了抽样检查和记录每秒多达6亿次的质子相撞结果,物理学家和工程师已经制造了测量粒子的精确度是微米的庞大仪器。
世界最强大计算机系统:记录大型强子对撞机进行的每项大试验的数据,每年大约足够刻10亿张双面DVD光盘。据估计,大型强子对撞机的寿命是15年。为了让世界各地的数千名科学家在未来15年内通力合作,分析这些数据,分布在世界各地的好几万台电脑将利用一种被称作网格的分散式计算网(distributedcomputingnetwork)实施研究工作。
大型强子对撞机会毁灭整个世界吗?
大型强子对撞机将让科学家观察到更高能量的粒子撞击。一些人担心如此大能量的撞击反应会导致地球出现严重问题。
2008年3月,前核能安全官沃尔特•瓦格纳和卢伊斯•山其欧在夏威夷的美国联邦地方法院提交了起诉状,称大型强子对撞机会毁灭整个世界。
其中一个担忧是大型强子对撞机能产生黑洞,而科学家也承认大型强子对撞机能产生黑洞,但他们表示这些黑洞是亚原子级别的,且马上会崩溃。
另一个担忧是大型强子对撞机将产生奇异物质,叫“奇异子”(strangelets,一种包含非通常夸克的假想粒子物质)。奇异子的一个可能的特性就是特别令人不安。
宇宙学家理论认为奇异子拥有强大引力场,能让它们将整个行星变为无生命的废物。
学家多个方面来解除这种担忧。
首先,他们指出奇异子是假设的。没有人在宇宙中观察到这种物质。
其二,这些物质周围的电磁场会排斥正常物质而不是将它变成其它东西。
第三,他们表示即使有这种物质存在,它们也会高度不稳定,会瞬间衰变。
第四,科学家表示高能量宇宙射线将会自然产生这种物质。由于地球是圆的,因此他们理论认为奇异子将对地球无可奈何。
其它担忧还包括辐射和高能撞击的粒子。欧洲核子研究组织表明大型强子对撞机是安全的,其上面有100米厚的防护土层。此外,实验期间不允许个人进入地下。至于此撞击事件,宇宙时刻都在发生高能宇宙射线撞击,射线时常撞击月球、太阳和其它行星,但并没有出现破坏迹象。何况这种撞击还在可控环境下进行。
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