发生时间
2008年9月10日
入选理由
欧洲大型强子对撞机的首次启动是目前规模最大的科学计划启动,标志着物理学发现的新黄金时代来临。
事件简介
2008年9月10日,欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(简称LHC)首次启动,两束质子分别被加速到7万亿电子伏特的超高能状态,并使之对撞。这种能量状态几乎可以与宇宙大爆炸之后不久的状态相比。粒子物理学家们对此满怀期待,希望能够从中找到素有“上帝粒子”之称的希格斯粒子,并探索其他超出物理标准模型的新物理。
事件经过
人们总是对原始的一切充满好奇,通过考古发现与生物研究,人类逐渐从零星的遗迹和化石那里复原了侏罗纪以及人类的原始时代。从最初观望星空到现在,人类已经测算出那些行星的轨道,登上了荒凉的月球,甚至带回了火星的土壤。然而,宇宙从何而来,这个问题却始终没有得到圆满的解答。所以,当2008年欧洲核子研究中心公布了大型强子对撞机启动的消息之后,许多科学家为之翘首期待,这是人类模拟的“宇宙大爆炸”。
欧洲强子对撞机加入这项国际性合作计划的,有世界上34个国家的超过两千位物理学家,其中又以英国物理学家斯蒂芬·霍金、英国物理学家林恩·埃文斯博士以及英国科学家希格斯贡献最大。有趣的是,一手策划这个大型实验的霍金林恩·埃文斯博士,出身于矿工家庭,年轻时便喜欢玩“爆破”。科学家希格斯在1964年最先提出了“上帝粒子”(希格斯玻色子)的概念,物理学家们对于本次“对撞”最大的期待便是发现“上帝粒子”,然而霍金却拿出100美元,打赌对撞机不会发现“希格斯玻色子”。
早在1980年,科学家就已经提出了建造“大型强子对撞机”以供国际高能物理学研究之用的构想。但直到近些年以来,LHC才终于成为现实。欧洲核子研究组织(简称CERN,位于瑞士日内瓦近郊)所建造的粒子加速器与对撞机,便是目前所说的“LHC”。这个长达27公里的“大家伙”,位于瑞士、法国边境地区的地下100米深的环形隧道中,隧道全长26.659公里,建设耗资超过六十亿美元。这个史无前例的“大机器”同时创造了几项世界之最,它不仅是世界上最大的机器、世界上最快的跑道,同时还是太阳系中最空的空间、银河系中最热的热点,它还将制造宇宙最低的温度,并且,在对撞瞬间产生的大量数据,将由世界上最强大的超级计算机系统进行处理。
简单地说,强子对撞机的工作原理是使高度活跃的质子以超快的速度撞击,上演微缩版的“宇宙大爆炸”。具体而言,强子对撞机主要包括加速管、质子束管以及一些具有特殊功用的磁铁组成。加速器的通道中,放置着两个由超导磁铁包裹、以液态氦冷却的质子束管,管中的质子以相反的方向环绕着整个环形加速器运行。此外,在四个实验碰撞点附近,另外安装了偏向磁铁和聚焦磁铁。
当实验开始时,两个对撞加速管中的质子,将被加速到7万亿电子伏特的高能状态,两个质子撞击时所产生的总能量将达到14万亿电子伏特。每个质子环绕整个储存环的时间为89微秒。由于同步加速器的特性,加速管中的粒子是以粒子团而非电子流的形式存在的,2800个粒子团的最短碰撞周期仅为25纳秒。在加速器开始运作的初期,轨道中将放入较少的粒子团,碰撞周期为75纳秒。
2008年7月,欧洲核子研究中心宣布将在9月份启动大型强子对撞机。随后,这个消息迅速引发了一场始料未及的恐慌。一些欧洲科学界人士发表声明,要求立刻叫停这项对撞实验,他们认为实验产生的黑洞可以吞噬地球,或者,对撞将产生一类名为“奇异微子”的粒子,将地球变成一团沉寂、收缩的“奇异物质”。这些学者甚至到法院起诉资助该项目的20个欧洲国家。在美国和印度,也出现了类似的恐慌,一个印度女孩甚至因为惧怕世界末日而自杀,当时的媒体也使用了《复制“宇宙大爆炸”,是追溯生命起源还是“末日实验”?》一类耸人听闻的标题。然而,根据科学家的测算,一个大型强子对撞机里制造出的黑洞,其长度仅为百亿亿分之一米(10.18米),存在时间仅为十亿分之几阿秒(1阿秒=10.18秒)。由于它存在的时间如此之短,根本不可能吞噬任何周边物质,因此也不可能对地球构成任何伤害,正如霍金所说:“微小的黑洞不会像报纸上所说的那样把地球吃掉,恰恰相反,它会像‘霍金辐射’理论所说的那样‘扑’地消失。”久而久之,这个“巨无霸”所引起的恐慌,终于慢慢销声匿迹了。
2008年9月10日下午15:30,强子对撞机首次启动。这无疑是一个激动人心的时刻。然而就在9天之后,强子对撞机却突然出现了严重故障:LHC第三与第四段之间用来冷却超导磁铁的液态氦发生了严重的泄漏,导致对撞机暂停运转。这是所有的科学家都始料未及的。虽然首次启动未能成功对撞,但并非致命打击。此后,强子对撞机被迫“冬眠”了一年,于2009年11月重新启动,并在12月创造了粒子碰撞级的新纪录。2010年3月31日,大型强子对撞机质子束流对撞试验获得成功,消息传来,世界沸腾了,换句话说,对撞机从此“撼动”了世界。
影响和评价
在美国《时代》周刊所评选出的“2008年世界十大科学发现”中,“欧洲大型电子对撞机的首次启动”高居榜首。这是一次震撼人心的启动仪式,自此,物理学研究进入了一个前所未知的全新世界,粒子物理学时代到来了。法国物理学家达尼埃尔·富尼耶评论说:“对撞成功对探索宇宙起源和粒子研究具有里程碑式的意义。”美国学者认为:这一壮举将引领粒子物理研究进入“全新能量范围”。无论是对于宇宙暗物质的探索,还是对于“上帝粒子”的寻找,都将使人类获得更多关于宇宙起源的新知识。
同时,在LHC首次启动的过程中,人类战胜了自己的恐惧,向未知的知识领域发起了挑战。这是科学之外的伦理问题,但也被作为科学精神的一部分,体现出人类发现以及探索未知的热情和勇气。我们有理由相信,随着粒子物理学的新突破,人类一定能够揭开宇宙起源的未解之谜。