揭秘世界最大对撞机将破解的五大科学谜团(转贴)

揭秘世界最大对撞机将破解的五大科学谜团(转贴) (2008-09-09 17:23:37)

标签：大型强子对撞机科学谜团宇宙杂谈

分类：科学前沿

CERN的大型强子对撞机

大型强子对撞机隧道内的冷磁体

　　导语：北京时间8月28日消息，欧洲核子研究中心已于8月7日宣布将于9月10日启动大型强子对撞机(LHC)。这个世界上最大的机器，除了为有望揭开宇宙起源的奥秘，还将揭开哪些谜团呢？以下就是欧洲核子研究中心网站上披露的有关信息。
　　过去几十年来，物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解。了解的加深让粒子物理学的“标准模型”变得更为丰满，但这个模型中仍存在缝隙，以至于我们无法绘制一幅完整的图画。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜，需要大量实验数据支持，大型强子对撞机便担负起“数据提供者”的角色，这也是非常重要的一个步骤。大型强子对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞，此时的撞击可能带来意想不到的结果，绝对是任何人都无法想象的。

　　谜团一、牛顿未完成的工作——什么是质量？

寻找希伯斯玻色子

　　质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些问题，科学家到现在也没有找到一个确切答案。最有可能的解释似乎可以在希伯斯玻色子身上找到。希伯斯玻色子是“标准模型”这一粒子物理学理论中最后一种尚未被发现的粒子，它的存在是整个“标准模型”的基石。早在1964年，苏格兰物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)便首次预言存在这种粒子，但迄今为止，科学家仍未见过它的庐山真面目。
　　ATLAS 和 CMS实验将积极寻找这种难于捉摸的粒子存在迹象。

谜团二、一个“看不见”的问题——96%的宇宙由什么构成？
2007年科学家绘制的宇宙暗物质三维数字地图

　　我们在宇宙中看到的一切——从小蚂蚁到巨大的星系——都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的部分据信由暗物质和暗能量构成，对它们进行探测和研究的难度不可想象。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。
　　ATLAS 和 CMS实验将寻找超级对称的粒子，用于验证一种与暗物质构成有关的假设。

谜团三、大自然的偏好——为什么找不到反物质？
在这个蟹状星云的合成照片中，物质和反物质粒子已接近光速的速度被喷射出

　　我们生活在一个由物质构成的世界，宇宙万物——包括我们人类在内都是由物质构成的。反物质就像物质的一个孪生兄弟，但它却携带相反电荷。在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。不知何故，少量物质幸存下来，并形成我们现在生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？
　　LHCb实验将寻找物质与反物质之间的差异，帮助解释大自然为何如此偏向。此前的实验已经观察到两者之间的些许不同，但迄今为止的研究发现还不足以解释宇宙中的物质和暗物质为何在数量上呈现出明显的不均衡。

谜团四、“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？
宇宙大爆炸示意图

　　构成宇宙万物的物质据信来源于一系列密集而炽热的基本粒子。现在宇宙中的普通物质由原子构成，原子拥有一个由质子和中子构成的核子，质子和中子都是被称之为“胶子”的其它粒子束缚夸克形成的。这种束缚非常强大，但在最初的宇宙，由于温度极高加之能量巨大，胶子很难将夸克结合在一起。也就是说，这种束缚似乎是在“大爆炸”发生后的最初几微秒内形成的，此时的宇宙拥有一个由夸克和胶子构成的非常炽热而密集的混合物，也就是所说的“夸克-胶子等离子体”。
　　ALICE实验将利用大型强子对撞机模拟大爆炸发生后的原始宇宙形态，分析夸克-胶子等离子体的性质。

　 谜团五、隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗？
根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间

　　根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。弦理论便暗示额外的空间维度尚未被人类观察到，它们似乎会在高能条件下显现出来。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度存在迹象。(孝文）

新浪科技讯北京时间9月8日消息，据国外媒体6日报道，大型粒子对撞机将于9月10日正式启动，可是，有少数科学反对这项对撞试验，认为可能形成黑洞，毁灭地球。当然，负责这项工程的科学家已经多次进行安全评估，认为这种担心是多余的。

　　现在人们面对的问题是，假如这次对撞是安全的，是否可以确定其他的科学试验也是安全的？答案是否定的，科学家认为，大型科学试验在进行之前，都应该进行全面的安全评估。以下五个试验便具有很大的风险。

　　1.重建宇宙大爆炸

　　也许令许多科学家感到遗憾的是，宇宙大爆炸发生之时他们尚未出世。地球上曾发生了一个掌握真相所有秘密的事件，可是我们错过了，而我们之所以错过，是因为我们太懒了，以致于在接下来的130亿年里没有得到足够的进化。按照科学家的说法，要解决宇宙诞生之谜，关键就是让一切重来。

　　他们向我们保证，假如他们能以非常非常快的速度和力量撞击质子，那么就可以让宇宙大爆炸再次上演。

　　实验后果：首先，想象一下核爆炸的景象吧。将这一爆炸规模乘以1200000亿相，接着再乘以无穷大的区域，结果也仅相当于宇宙大爆炸强度的八分之一。尽管如此，科学家仍相信他们可以将大爆炸装在锥形烧瓶中，只要他们记得用塞子将它堵上。

　　想象一下，你将一辆大型油罐车停在儿童医院外面的镜头。你不知道里面是什么，但你相当自信，里面要么是治疗癌症的良方，要么是2万加仑的爆炸性硝化甘油。若想找到答案，那么你必须用AK-47对油罐车进行扫射。后果会怎样呢？

　　目前进展：大型强子对撞机不仅是有史以来建造的最大粒子加速器，且是有史以来建造的最大东西。科学家最初计划在2005年启动大型强子对撞机，但因种种原因，启动时间推迟至2008年9月，它将以接近于光速的速度对17英里周长内的小物体进行轰击，接着将这一过程中生成的物质粉碎，观测发生什么事情。

　　问题在于，即便是理论家也不清楚究竟会发生什么事情，这就是他们为何首先从事这项研究，为何有人为了停止这项实验一纸诉状将他们告上法庭。大型强子对撞机项目的科学家坚称，实验没有任何危险，并预测观测结果将令科学发生革命性变化，将我们送入知识的黄金时代，当然，前提是我们能在这种实验中幸存下来。

　　危险指数：3

　　专家向我们保证，依据他们对科学的了解，世界末日到来的可能性微乎其微。专家还称，大型强子对撞机将彻底改变我们对科学的认识。所以，他们也许通过大型强子对撞机可以了解到的一个全新知识是，它可以将整个星球变成一团粒子云。

　　2.量子芝诺效应(quantum zeno effect)

　　多年来，科学家一直在扫描宇宙寻找某种奇异的反重力物质——他们称之为“暗能量”的神秘物质。他们已取得了一定的成果，当然了，这可能以付出我们灵魂为代价。

　　量子物理学将要掌控日常物理学特征，正如大卫·林奇(David Lynch)执导的影片一定会成为主流卖座大片一样。我们是在谈论同时在两个地点若隐若现的粒子，毋庸置疑，最奇怪的地方是量子芝诺效应，该理论指出观测和测量粒子会改变它们的特性，特别是会改变它们衰减的速率。如何改变？没人知道答案。很显然，它是最有可能证明“黑色魔力”(black magic)存在的科学了。

　　实验后果：按照一位知名科学家的理论，仅仅是观测暗能量而引起的变化，都有可能造成它垮塌，对宇宙造成冲击。但科学家们太渴望证明暗能量的存在了，所以，只要有机会，他们就会迫不急待地观测暗能量。

　　目前进展：科学家劳伦斯·克劳斯(Lawrence Krauss)教授认为，这方面的研究可能已在进行当中。显然，在20世纪90年代末期，科学家在首次捕捉一些暗能量的时候，看到有一堆物质在太空中爆炸。这可能将宇宙置入一种特定的状态，在这种条件下，它可能或不可能在特定瞬间内像肥皂泡一样爆裂。仅仅是因为我们不停地看它。

　　危险指数：3

　　这种理论正确吗？你可以说这是无聊的人在胡说八道。不过，他可能是这个国家最著名的物理学家，已就这一主题发表了大量的科学论文和书籍。其中一部就是《星舰迷航记的物理学》(The Physics of Star Trek)，既然我们要对这个问题进行思考，那么我们相信他从《下一代》(The Next Generation)的情节中窃取了这个荒唐的故事。

　　3. 怪物质

　　我们可能已经注意到，科学的世界存在一些不可思议的怪分子，例如所谓的“怪物质”。之所以有“怪物”一说是因为这是很多基本理论无法解释。而造成这种尴尬的原因就在于：很多有关事物真相的基本理论均建立在数学方程式的基础上，而不是来源于实际的观察。

　　从理论上说，怪物质可能存在于这个世界之上，但我们从没有见过它们的庐山真面目。迄今为止，至少已经有一名科学家表示，如果能够亲眼看到怪物，我们的第一反应一定是尖叫，而后便是永不休止的尖叫。作为怪物之一的怪物质是假设中一种由夸克构成的物质。夸克是比原子更小的基本粒子，它的“渺小”甚至超过我们想象。

　　实验后果：有关怪物质的假设有两个。一个是，这种物质可能在会在出现后不到一秒钟就马上消失；另一个是，这种物质非常稳定，能够将接触到的原子转变成更为怪异的物质。但至于到底哪种假设成立，我们就不得而知了。这是怪物质的地盘，自然由它们说了算。有理论认为，宇宙中存在完全由怪物质构成的恒星，一旦接触到这种怪物质的微小碎片，所有的一切就面临“下地狱”的厄运。

　　现在让我们做一个大胆设想，如果地球上出现非常稳定的怪物质并开始与正常物质发生反应，我们所有人将一同去见上帝。传说中的麦达斯王有点石成金的神奇能力，而可怕的怪物质的却是“点正成怪”。怪物质会首先将你“同化”，在此之后，你又会将接触到的一切事物变成怪物质。而在发现这可怕的一幕前，整个世界已经完全“怪化”了，这全都是你一个人的错。

　　目前进展：幸运的是，怪物质只能在高能粒子碰撞中产生，类似这样的碰撞还没有发生过一次。说到这，读者的脑海中一定闪过“大型强子对撞机”，它不就是高能粒子碰撞的制造者吗？事情是这样的，参与大量强子对撞机的科学家认为，在让原子相互撞击过程中，一定会出现很多怪异的事情，产生怪物质就是其中一个。这也就是为什么科学家在撰写论文时使用“相对论重离子碰撞会摧毁我们的行星吗？”这样令人胆战心惊的字眼儿。对于大型强子对撞机，我们也只能在担忧中等待，希望能够在顺利完成碰撞试验的同时，不会杀死你以及你关心的每一个人。

　　危险指数：5

　　科学家在回应怪物质问题时表示，如果真的产生怪物质也没什么大不了的，这只能说明怪物质在此之前就已经存在了，原因很简单：大气层中每秒钟会发生无数次类似反应。虽然科学家这么说，但在我们看来，他们的这种花言巧语不过是为了避开上面提到的假设。他们心里很清楚，如果事实证明他们大错特错，也不会有任何人站出来控诉他们。

　　4.时光旅行

　　关于时光放行的故事已有很多，而且几乎每个故事都包含某种灾难或不愉快的结局。当然，许多物理学家认为，时光旅行根本不可能发生，而且宇宙的真实存在证明了这一点。此外，如果人类将来证明时光旅行可行的话，那么穿越时空的人又在哪里呢？

　　不过，也有一种似乎有几分道理的观点存，那就是我们可以研制出一个时光穿梭机来完成这项任务。或许只有等到这项技术真正存在的时候你才能回到过去或进入未来，在未来世界，你将会看到盘旋的滑板和飞翔的蒸汽火车。

　　实验后果：当然，宇宙惩罚我们胆敢违背规律、因果最基本的原则的方式有很多。在我们第一次听说时光旅行之前，我们连想都不敢想。但有人推测，穿越时空回到过去的尝试可能会导致世界爆炸、瓦解、缩成一个奇点，或干脆消失。

　　在遥远的未来，当恒星耗尽能量，行星偏离轨道，人类的后代将面临灭亡，如果他们进入一台被诅咒的时光旅行机器，他们可能会开骂然后回到历史上一个更舒适的点。

　　大批来自未来世界的难民可能会在现在这个繁华的世界安家，在这个世界再次终结之前，他们决定再利用时空穿梭机换个地方，如此反复。在我们接通第一台时空穿梭机的那一刻，我们的世界将变成无数来自未来世界的难民的家。你来算算。

　　目前进展：先看看大型强子对撞机吧。大型强子对撞机可能摧毁这个世界的情形似乎有很多种，但时空穿梭呢？据一些俄罗斯科学家介绍，这种可能性同样存在。当然，目前还没有启动任何计划探究时空穿梭机的研制，但谁说它肯定是有意造的？青霉素的发现完全是个意外。

　　有人推测，未来人类可以操纵用于时空穿梭目的的大型强子对撞机可能会用它高能量的碰撞打开虫孔。显然，瑞士的那帮书呆子在接通时空穿梭机的一刻却发现赤身裸体的阿诺德·施瓦辛格向他们要衣服也是有可能的。

　　危险指数：7

　　你可能在想“如果我们得到一台时空穿梭机，并认识到它将摧毁这个世界，那么我们所要做的就是及时回到过去并毁掉那台时空穿梭机！就这么简单！”不过，如果我们毁掉了那台时空穿梭机，我们就不能及时回到过去，所以穿梭机仍会完好无损，这样的话，我们就可以利用它回到过去……该死的科学。

　　5.纳米技术

　　人们研发新技术的目的是让东西变得越来越小，现在这些技术已经可以制作出世界上最小的东西。借助纳米技术制成的机器人不比一个分子大，我们这样做的原因有很多，其中最大的原因可能是因为我们能这样做

　　设想将数百万个微型机器放入人的血流中，让它们攻击癌细胞，或者利用小型移相器抗击艾滋病毒。设想利用一群小型清洁机器人吃掉河流中的污染物，或者利用微型工业机器人，在短时间内用分子制造出我们希望得到的东西。然而，现在面临的最大问题是，你如何制造出数万亿个这种小型机器人。其实方法很简单，你只要教它们如何利用环境中的物质像细胞一样复制自己。如果有一百万个这种小东西，不难想象一定会出现一系列问题。

　　纳米技术之父埃里克·德雷克斯勒提出了一个令人毛骨悚然的有关世界末日设想的数字。现在面临的问题是，我们的纳米机器人或许更像细胞终结者，它们比大自然的创造物更加先进。它们会在一夜间彻底战败有机生命，遵循进化论的规则消灭所有有机生命。

　　我们曾提出一种极端假设，这就是众所周知的“灰雾(gray goo)”问题，这个问题指的是，机器人的自我复制开始失控，最后世界上幸存下来的只有大量这种微型机器人，科学家想象，这些机器人看起来就像一堆灰雾漂浮在空中。

　　实验后果：假设你与一位不可思议的怪物见面，经过一番讨价还价后，他提出给你修了房子，并给你增加了一个房间。于是你将他带回家，然而他突然吃掉你的住宅，吐出更多怪物，这些怪物动手将你杀掉。

　　目前进展：科学家向我们担保，我们在20年内就能制造出完全受控的致命蜂群，或许我们在2010年就能实现这个目标。现在他们正在制造一些被称作“装配工”的东西，这些“装配工”将生产数万亿个纳米机器，并指挥这些机器人消灭掉遇到的所有东西。

　　危险指数：10

　　可以避免我们在几年内陷入“灰雾”僵局的唯一东西是，大型强子对撞机赶在“灰雾”之前将我们灭掉。

[ 本帖最后由名侦探兔美于 2008-9-10 09:51 编辑 ]