生存还是毁灭.docx

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生存还是毁灭

生存还是毁灭

　　坐落于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（又名欧洲粒子物理实验室），横跨法国和瑞士的边境。

大型强子对撞机是世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC（LargeHadronCollider）。

它是一个圆形加速器，深埋于地下100米，它的环状隧道有27公里长，因此走完全程要花4个多小时。

你可以将百慕大、摩纳哥和4个梵蒂冈塞进它所占的区域内。

2008年09月10日大型强子对撞机正式投入使用，以下是有关这个巨无霸的简单介绍：

　　它有什么用途?

　　加深人类对宇宙的了解。

比如：

宇宙的起源是什么?

获得新发现的科学家将带头研发相关的实际应用，这就是为何数百名科学家和工程师建造此对撞机的原因。

　　它为什么这么大?

　　事实上，你应该问为什么它这么小，答案是为了节省成本。

物理学家们没有开凿一条昂贵的新隧道来容纳新的对撞机，而是决定拆掉原来安置在欧洲原子核研究中心的正负电子加速器，代之以建造大型强子对撞机所需要的5万吨设备。

当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加，这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。

要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场，这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。

　　谁在为它工作?

　　来自大约80个国家的600名科学家和工程师，其中包括20余名中国科学家。

　　成本

　　大约25亿美元。

　　对撞机工作过程

　　启动后，大型强子对撞机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。

　　对撞机工作原理

　　简单地说，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。

　　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”。

这些机器利用叫“射频空腔”的装置来加速这些质子，这些空腔包含有射频电场，能将质子束提高到更快的速度。

巨大磁铁产生的磁场可以维持质子束在轨道中正常行进。

以汽车术语来说，此射频空腔相当于加速器。

而磁铁相当于方向盘。

　　一旦质子束到达适当的能量水平，"PSBooster”就会将它导入另一个加速器叫“超级质子同步（SPS）”，让质子继续加速前进。

至此，此质子束已经被分成了2，808束。

每一束含有1.1x1011个质子。

　　之后，“超级质子同步（SPS）锵质子束导入大型强子对撞机，其中一束顺时针方向前进，另一束逆时针方向前进。

在大型强子对撞机里，质子束将继续加速前进，大约20分钟达到顶峰速度。

在此顶峰速度下，此质子束将每秒绕行大型强子对撞机11，245周。

　　这两柬质子将会在大型强子对撞机沿途6个探测器位置中的1个聚合。

在此位置上，它们将每秒发生6亿次撞击。

当两个质子撞击时，它们就会分裂成更小的粒子，包括亚原子粒子――夸克和缓和力――胶子（一种理论上假设的无质量的粒子）。

此外，它们还会产生光子、正电子和u介子。

之后，探测器将数据发送到网格计算机系统。

　　并非每一个质子都会和另一个质子发生撞击。

没有发生撞击的质子将继续在质子束中运行，进入束流收集器。

此束流收集器由石墨组成，将能吸收此质子束，以防大型强子对撞机里出现意外故障。

　　创造之最

　　世界最大粒子对擅机、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。

不仅大型强子对撞机是世界上最大的粒子加速器，而且仅它的制冷分配系统的八分之一。

就称得上是世界上最大的制冷机。

制冷分配系统在充满近60吨液态氦，将所有磁体都冷却到零下271.3摄氏度前，它将先利用1.008万吨液态氮将这些磁体的温度降低到零下193.2摄氏度。

　　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予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％。

两束质子束分别以70000亿电子伏特的最大功率相向而行，在功率达到140000亿电子伏特时发生碰撞，每秒总共能发生大约6亿次撞击。

　　太阳系中的最空的空间

　　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。

大型强子对撞机的内压是10的负13次方个大气压，比月球上的压力小10倍。

　　银河系中最热的热点，但比外太空要冷

　　大型强子对撞机是一个极热和极冷的机器。

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。

与之相比，促使超流体氦在加速器环周围循环的制冷分配系统，让大型强子对撞机保持在零下271.3摄氏度的超低温环境下，这个温度比外太空的温度还低。

　　有史以来最大最先进的探测器

　　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。

大型强子对撞机的探测器拥有先进的电子触发系统，它测量粒子经过时所用时间的精确度，大约是十亿分之一秒。

这个触发系统在确定粒子的位置时，精确度可达百万分之一米。

这种令人难以置信的快速和精确反应，是确保一个探测器连续层内记录的粒子保持一致的基础。

　　进行安装时电脑中心的场景，世界最强大的超级计算机系统

　　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实施研究工作。

　　世界各地的数千名科学家都希望了解并分析这些数据。

为了解决这个问题，目前欧洲粒子物理研究所（cERN）正在建一个分散的计算和数据储存设施――大型强子对撞机计算网格（LCG）。

大型强子对-撞机实验产生的数据，将通过欧洲粒子物理研究所记录在磁带进行原始文件备份后，再分发到世界各地。

经过初始加工，这种数据将被传送到可为大量数据提供充足储存空间的一系列大型计算机中心，这些计算机中心一天二十四小时不停地为大型强子对撞机计算网格提供服务。

　　经过这些计算机中心的处理，其他设备就可使用这些数据了，其他的设备每个都由一个或几个实施特殊分析任务的联合计算机中心组成。

科学家可通过大学部门的局域网或个人电脑了解这些设备，他们可能会经常查看大型强子对撞机计算网格。

　　待解谜团

　　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，由于需要大量实验数据的支持，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。

　　牛顿未完成的工作――什么是质量?

　　质量的起源是什么?

为什么微小粒予拥有质量，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。

希格斯玻色子是“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。

　　一个“看不见”的问题一96％的宇宙由什么构成?

　　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。

余下的部分据称由暗物质――不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用，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。

　　大自然的偏好――为什么找不到反物质?

　　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?

　　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。

　　“大爆炸”的秘密――物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态?

　　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“夸克一胶子等离子体”。

　　隐藏的世界――空闻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。

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。

　　争议

　　美国从20世纪90年代其实就已经开始建造一个更大的粒子加速器――超导超级对撞机（SSC），不过1993年美国国会取消了这个项目。

在最后几天的听证会上，一名国会议员提出一个重要的问题：

“我们能通过这种机器找到上帝吗?

如果能，我将为它投上一票。

”参加听证会的所有物理学家都被这个问题雷倒了，他们无法给出具有说服力的答案。

不久，超导超级对撞项目就被取消了，为对撞机挖洞并填洞就花费了美国纳税人20亿美元的税款。

　　还有一些物理学家认为大型强子对撞机在其粒子发生撞击时可能会产生微型黑洞，而且这些黑洞通常都非常强大，以至于它们不仅能吞没整个地球，而且还能吞噬整个星系，这在很大程度上引起了全球的恐慌。

2008年9月10日实验启动的当天，一位印度少女就因为恐惧于世界末日的来临而自杀身亡。

　　选自《科学人》