创造性智慧：最大强子对撞机的伟大科学实验

2023-11-23 理论教育版权反馈

【摘要】：在科学上，由假设到公认的真理，必须经过科学实验来证明。一个雄心勃勃的计划开始了，建造迄今为止最大的强子对撞机，这是科学家们创造性智慧的体现。

根据推测，人类生存的地球已经有46亿年了，8000万年以前出现了最早的人科动物，60万年以前开始进入到人类的纪元。但是，地球是怎么形成的？宇宙是怎样演变而来的？地球以外的其他星球是否还有生命？人又是怎样进化而来的？这些本源问题一直困惑着人们，千百年以来，科学家们也不停地致力企图揭开这些秘密。到目前为止，关于宇宙的起源主要有三种观点：一是大爆炸理论，二是稳态理论，三是虫洞喷发说。由于没有直接找到科学实验的根据，所以它们也仅仅只是假说。

在科学上，由假设到公认的真理，必须经过科学实验来证明。人类历史上的每一个发现、发明，都是经过了这样的检验过程。同样的，关于宇宙起源的假设，也必须经过这样的验证。为此，天文学家、宇宙学家们设想建造一座强子对撞机，以便模拟宇宙大爆炸的情景，希望能够找到宇宙起源的直接证据。

一个雄心勃勃的计划开始了，建造迄今为止最大的强子对撞机，这是科学家们创造性智慧的体现。强子对撞机简称LHC，它是Large Hadron Collider的缩写。这个实验方案是1980年代初提出的，由欧洲20个国家的物理学家于1984年在洛桑召开了讨论会，1994年正式设计建造。世界上80多个国家和地区的近8000多名科学家和工程师参加了建设与研究，总投资是60到100亿美元。经过20年的努力，最终于2008年9月10日在瑞士日内瓦建成和启动。可是，仅仅运行了9天，由于发生了液氦严重泄漏，导致冷却不良，使超导体脱离了超导状态。于是立即停工检修，经过半年的抢修、调试，又于2009年3月30日正式复工。经过一年的试运行，从3月29日晚上开始，经过20个小时的努力，两道离子束于30日下午1点零6分相撞，每一道离子束包含了200亿个中子，它们以接近光速的速度，环绕27公里的加湿器运行，实现了总能量达到7万亿电子伏特的质子束流的对撞，仅仅达到设计14万亿电子伏特的一半。美国亚利桑那大学物理学家沃尔特·兰普（Walter Lamp）在对撞发生后立即评论说：“第一批对撞在仅仅几分钟前发生了。这里已经陷入疯狂，实在是太棒了。这是正在创造中的物理，是一个新纪元的开始。”

这次强子对撞实验，创造了许多世界之最。例如：

强子对撞机不仅是世界上最大的粒子加湿器，而且也是世界上最大的机器。它建在瑞士和法国边境地区地下100米深处，隧道全长26.659公里。整个建筑有12层楼房高，走完全程需要4个小时，它的范围可以容纳百慕大、摩纳哥和4个梵蒂冈。

世界上最大的制冷机；

世界上最快的跑道，每秒以1.1245万次频率的速度运行；

太阳系中最空的空间；

银河系中最热的热点，所产生的温度是太阳中心温度的10万倍；

拥有有史以来最大最先进的探测器；(www.chuimin.cn)

世界上最强大的超级计算机系统，连接全球6万台计算机全球网。可以把它想象成有着1.5亿像素，每秒可以拍摄6亿次的巨大数码相机，可以填满200万张DVD。数据通过高速线路传送到欧洲、北美、亚洲11个顶尖的研究中心，再从那里分散到世界各地150个研究中心的网络。

当然，通过对撞实验待揭开的诸多谜团，更是史无前例的。

那么，这次庞大的实验工程，究竟有望揭开哪些科学之谜呢？

据强子对撞机项目主任利恩·伊万斯（Lun Evans）介绍说：“目前来说，人们对大型强子对撞机的期待程度不言而喻，但究竟要破解哪些难题呢？所有这些难题无外乎以下几个方面：质量、粒子问题；宇宙构成及起源；是否存在反物质；宇宙大爆炸的谜团；是否存在空间额外唯独？

在这五大谜团中，宇宙的起源及构成无疑是最激动人心的，为了揭开这个秘密，理论物理学家设计出了“标准模型”理论，但这个模型有一个缺陷，即无法解释物质质量的来源。为了修补这个缺陷，20世纪60年代末，英国著名物理学家希格斯提出了所谓的希格斯机制和希格斯粒子。他认为，希格斯粒子（Higgs boson）是宇宙中物质之源，人们以上帝创造世界的神话，比喻希格斯粒子为“上帝粒子”。按照这个模型的预言，宇宙中共有62种基本粒子存在，其他粒子基本都已被实验所证实，唯有神秘的“上帝粒子”尚没有现身。

1935年比利时天文学家勒梅特提出，宇宙是在137亿年前的一次大爆炸后形成的。这次强子对撞机实验，就是模拟出137亿年前宇宙大爆炸后万亿分之一秒内的情况，并希望搜索到所谓的“上帝粒子”。但是，是否存在“上帝粒子”呢？科学界一直存在着激烈的争论，赞成者和反对者中都有许多重量级的物理学家。2004年英国先锋科学期刊《新科学家》（New Scientis）上，发表了由全球34名科学家和工程师的《致科学界的公开信》，后来在网上又征得了185名科学家的签名，他们一致抗议大爆炸理论对超越大爆炸理论的自由探索的压制。世界两位著名理论物理学家斯蒂芬·霍金（Stephen William Hawking，1942-）和希格斯甚至发生争吵，霍金还就寻找“上帝粒子”问题与美国密歇根大学高迪·凯恩以100美元打赌。霍金不相信存在“上帝粒子”，而凯恩却说“人们很快就会找到它”。这个打赌意义非同一般，无论是谁获得了胜利，他们都可能问鼎诺贝尔物理学奖。

纵观人类科学发展的历史，任何重大的科学发现，都不可能是一帆风顺的，在其探索的过程中，失败或争论也是不可避免的。只要本着科学的实事求是的态度，以坚忍不拔的毅力，通过假设、探索、失败，总会有所发现、有所发明、有所前进的。我深信，这次巨大的强子对撞实验，如果能够找到“上帝粒子”，那当然是世界最伟大的成就，有益于揭开宇宙形成之谜；即使找不到“上帝粒子”，也一定会获得丰富的科学资料，导致许多科学新的发现，将会对科学发展起到巨大的推动作用！

2012年7月4日，欧洲核子中心对外宣布：他们发现了“上帝粒子”，准确性是99.9999%，这一结果也获得了世界物理学界的承认。因此，比利时的弗朗索瓦·恩格勒和英国的彼得·希格斯共同获得了2013年的诺贝尔物理学奖。这是20世纪后半叶最重大发现，将有助于解开宇宙形成之谜。

创造性智慧：最大强子对撞机的伟大科学实验

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