史上最大对撞机启动在即 或能解开物质世界组成之谜
粒子大炮，一级准备！
世界是由什么东西组成的？不久以后，史上最大的机械设备、一台名叫大型强子对撞机(LHC)的机器将为我们回答这个问题。
说起这个话题一般人大概都能想起中学教科书上写过的原子、分子。或许有些人还会想起更专业一些的夸克、胶子。有些物理学家甚至提出过毛(泽东)子、无(产阶级)子之类的。
这一切都可以上溯至古代希腊。早期的朴素唯物主义哲学家们认为原子是构成天地万物的基本粒子，事实上，东方哲学家们也提出了类似的观点，佛教理论家则认为，万物是“微尘”聚合而成的。
近代物理学家们终于向我们揭示了这一切的真相。他们发现，如果将两组粒子装进特殊的“大炮”，然后以很高的速度发射出去，使之发生碰撞，很有可能会将一些粒子撞碎，从而获得更为基本的物质组成单位。于是，一系列类似的撞击实验极大拓展了物理学的视野。
LHC是这些“大炮”中最强大的。它埋藏在法国、瑞士边境的地下。巨大的圆形隧道，周长超过27千米。实验管道将维持在-271℃的极低温。这时会出现奇妙的超导现象，粒子在管道中将几乎不受任何阻力，因此，它们可以以让人惊讶的速度发射出去———那将是光速的99.9999991%。尽管这些粒子的质量非常小，但超高的速度使之带上了巨大能量。一旦它们彼此相互碰撞，将发生剧烈的爆炸。科学家们希望，这样的爆炸能抛出一种名叫希格斯子的基本粒子。此前，科学家们只是通过运算而预言了它的存在，它也是所有已知基本粒子中，惟一尚未被找到的一个了。
然而，尚未正式“出生”的LHC，命运已然多舛。由于它的工作温度接近“绝对零度”，所以在启动前它必须完成降温工作，并进行相应试运行。但一旦出现问题，就必须又恢复到室温修理。这种反复升温、降温的工作让LHC的启动时间不断推迟。今年5月启动的原计划，已经没有可能了。
另一方面，LHC也在公众中引起了一些恐慌。两名美国科学工作者正式起诉了LHC及其主要建设单位。他们认为，LHC可能会制造出黑洞或“奇异粒子”，毁灭地球。
不过，在物理学家看来，“LHC毁灭地球”的说法实在是无稽之谈。但他们同样有一些其他的担心。中科院高能物理研究所所长陈和生告诉《新知周刊》，LHC的初衷是找到希格斯子，但是否能找到它，谁也不能打包票。
史上最大强子对撞机今夏启动，有望找到“希格斯粒子”
LHC 揭开物质世界最后的秘密
今年夏季，大型强子对撞机将投入使用。这是世界上最大、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(Large Hadron Collider)。它同时也是人类建造的最大规模机械装置和最大规模的超导设备。
LHC是个圆形加速器，深埋于地下100米。其环状隧道有27千米长，大得可以将百慕大、摩纳哥或者4个梵蒂冈塞进它所占的区域内。然而，近日来，两位美国科研人员却将LHC的主要研制方欧洲核子研究中心(CERN)告上法庭，认为LHC产生的黑洞不会消失，或会产生“杀手奇异子”，而两者结果都将导致地球的毁灭。
起因 寻找希格斯粒子
上世纪50年代起，随着物质微观结构研究前沿从原子核深入到基本粒子，粒子物理逐步形成物理学的一门独立学科。物理学似乎已经回答了物质结构的基本问题，并相当完美。然而，在物理学家看来，粒子物理的终结远未到来。希格斯粒子(Higgs particle)就是标准模型中最关键的粒子，然而遗憾的是，至今尚未发现。
有了希格斯粒子，不仅标准模型理论会检验并扩展到完美化，物质质量起源之谜也将会揭开，因为科学家相信这种粒子给其他粒子赋予了质量。
粒子物理学家一直热切期盼着，能探索难以捉摸的希格斯粒子和暗物质粒子。为此就需要科学史上尺寸最大、功能最强的显微镜，能让物理学家探索到发生在迄今为止距离最短(小到1纳纳米，即百亿亿分之一米)、能量最高状态下的物理过程。此外，科学家还相信LHC能揭开充斥在宇宙中的暗物质的神秘本质。中国科技大学教授李淼表示，现在物理学家、天文学家都对LHC寄予了厚望，期盼LHC能发现暗物质粒子。“之前哈勃望远镜等太空望远镜也观测到了暗物质，但是太空望远镜与LHC的发现是不同的。”李淼指出，哈勃望远镜只能看到暗物质引力效应，但是通过LHC却有望能真正“看到”暗物质粒子，这使宇宙学研究跃进到一个新的领域。
于是，便有了由欧洲核子研究中心牵头研制的LHC的诞生，“这将是世界上最高能量的质子对撞机。”中国科学院高能物理研究所所长陈和生指出。
研制 国际合作大手笔
中国科学院高能物理研究所从上世纪80年代便开始与欧洲核子研究中心有了合作。“原来我们合作正负电子对撞机。”该所所长陈和生指出，自然在粒子物理学的重大突破上也不能缺席。
事实上，粒子物理实验装置是典型的大科学工程，需要国际合作的大手笔。自然，中国的科学家也加入了这场物理学新探索的里程中。LHC的主体部分为四个巨型探测器，它们各负责一项实验.。其中，ATLAS和CMS这两个高能物理实验将开展寻找希格斯粒子和新物理现象等高能物理前沿等重大课题的研究。高能物理研究所和北大参与了CMS的研发，清华大学参与了LHCb的研发。事实上，光是CMS探测器就是个国际大手笔，由30多个国家、2000多名物理学家和工程技术人员合作完成。
不过，说起贡献比例来，陈和生指出CMS中国的科研人员大概占了1%，而ATLAS则占0.5%。
运行 最高能量的质子对撞
经过9年的建造，这台庞大的机器预计将在今年夏季正式投入使用，产生粒子束流。
陈和生介绍，目前LHC上的四个巨型探测器都已安装好，并接受了调试。类似从一个束流到两个束流，再到对撞的束流；从较低能标增加到万亿能标；从强度较弱的测试束流到适合快速采集数据、但更难控制的较强束流。
与此同时，对超导磁体的降温工作也在紧锣密鼓地进行。“LHC的目标是降低到-271℃。”陈和生介绍，这主要是为了让LHC能维持在超导状态运行，引导并聚焦着两个质子束流。
这样一旦开始运行，LHC就将产生出能量比以前高得多的质子束流。质子束流的速度可达光速的99.9999991%。每个质子携带的能量将达到7万亿电子伏特，相当于质子静止质量所含能量的7000倍。
一旦LHC开始运转，那么这些质子将分布在大约3000个束团之中，沿着周长27千米的对撞机圆环运转。每个束团由多达1000亿个质子组成，但在对撞点上，束团的尺寸如同一支银针：长不过几厘米，粗细仅有16微米(大约相当于最细的头发丝)。在圆环的四个对撞点上，这些银针一根接一根通过，每秒钟发生6亿多次粒子对撞。当LHC以最高能量状态满负荷运转时，在巨型圆环中绕行的所有粒子携带的总能量，大约相当于900辆时速100千米的小轿车所具有的总动能。
成果 全球分享海量数据
LHC诞生的数据将是海量的。在两个最大的探测器中，每一个都拥有近1亿条数据流，每秒钟产生的数据能够写满10万张光盘。陈和生介绍，位于探测器不同层中的元件，能够对穿过该元件的一些特定粒子做出特有的响应。每次对撞都将产生超过1兆字节(MB)的数据，两秒钟就是1皮字节(PB)，“这相当于十万台PC的计算能力。”
触发系统会根据一些独立要素挑选出其中最有价值的事例。其中“初级触发”每秒钟筛选出10万个束团的数据，供下一阶段的高级触发系统作进一步分析。在此基础上，高级触发系统每秒钟将筛选出100个事例，上传给LHC的全球计算资源网络———LHC计算网格的集线中心。“目前，我们所已经开始做数据分析的准备工作。”陈和生指出高能物理研究所已经加入网格研究队伍中。LHC对粒子物理学的推动是各个国家的物理学家都会分享的。因为届时，用户只须从当地研究所登录网格，就可利用网格的处理能力进行数据分析。
争议 LHC将毁灭地球？
然而，这台世界上最大的“粒子粉碎机”尽管有着如此美好的前景描述，但是反对的声音却时有发出。
居住在夏威夷的美国科学工作者杉科(Luis Sancho)和瓦格纳(Walter Wagner)针对CERN和能源部、国家自然科学基金会和芝加哥附近的费米实验室，向美国联邦地方法院提出了诉讼，要求在安全性得到证实之前，不启动LHC对撞计划。
杉科和瓦格纳提出了一些理论假想。类似LHC制造出的黑洞会开始吸收周围的物质，甚至将整个地球吞噬。或者LHC可能制造出吞没地球粒子的物质，这是一种包含非通常夸克的假想粒子物质。它们有可能“吃掉”普通物质的核子，并将其转变为奇怪的物质。最终，一系列危险的连锁反应会毁灭整个地球。
对此，CERN的发言人格力斯(James Gillies)则表示，这项诉讼要求是“彻底的胡说”。而陈和生更是表示，对于LHC的这种质疑，是出于一种无知。事实上，LHC并不会创造出微型黑洞，也不会带来地球毁灭的后果，“这点在国际上的物理学家那是没有争议的”。
不过，陈和生也指出了，对LHC的争议主要来自效果的评判，一些物理学家表示，LHC的初衷是找到希格斯粒子，但是否能找到希格斯粒子，谁也不能打包票。有学者就曾创建了粒子模型试图证明：LHC运转的结果只能为空。LHC不会找到希格斯粒子，顶多只能停留在上一代超质子同步加速器的水平；夸克与轻子能且只能分为三代，LHC不会对此有所突破，对标准模型的完善亦毫无意义……
回溯粒子物理学发展历程 展望物质认识新纪元
世界是如何构成的？
很久很久以前，人类就提出这样的问题：世界是由什么构成的？从此人类开始了漫长的思考和探索过程，祖先们曾经把一块石头逐渐砸成粉末，看看最终会得到什么。千万年过去了，如今人类制造出了名叫“大型强子对撞机”(LHC)的巨大机器，它可能会撞碎“最小粉末”。
人类探索粒子世界的过程，经历了从猜到称，到撞，再到理论猜想，最后又是撞的过程，不过猜也不是瞎猜，撞更不是撞运气，随着人类社会和科技的发展，我们逐渐对物质世界的本源有了越来越深入的认识，但是远远还没有到头，随着LHC的建成运转，人类又站在一个全新的门槛上。
猜想 “原子论”VS“元素说”
古希腊人认为宇宙万物由水、火、土、气组成，称为“四元素说”。在古中国，人们认为宇宙万物由“五行”组成。这些元素的概念混杂了事物本身和它的感官特性。
而“原子论”和“元素说”针锋相对，古希腊哲学家留基伯、德谟克利特和稍后的伊壁鸠鲁都曾提出“世界是由原子组成的”。其中，德谟克利特的学说最有名。他认为，一切物质都由微粒组成，这种微粒无限小，世上没有比它再小的东西。无数的原子在无限的空间或“虚空”中运行；原子是永恒存在的，没有起因,“不可分”，也看不见，相互间只有形状、排列、位置和大小之区别。而佛教的世界理论将微尘视作构成世界的“基本粒子”。
古代的原子说更接近现代的科学理论，但是那只是“猜准了”。实际上，“元素说”更接近人的感官体验和思维模式，所以在很长时间里一直占主导地位。
称量 实验方法正式登场
17世纪，人类进入科学时代，伽利略开创了把“思维实验”的结果用真实的物理实验验证，并用数学方式来描述物理过程的科学方法。后来，这套方法也被用在探索物质的组成部分上。
1803年，英国小学算术教师道尔顿提出了自己的“原子论”。他认为，化学元素均由不可再分的微粒组成。这种微粒称为“原子”。原子在一切化学变化中均保持其不可再分性。这回猜得比以前更准，因为它有一个科学依据“倍比定律”：如果甲、乙两元素能相互化合生成几种不同的化合物，则与一定量甲元素相化合的乙元素的质量互成简单整数比。简单说，那时对原子的认识，建立在对化学物质的称重上。
19世纪中叶，通过这套称重的方法，以及对所谓“原子量”的想象，头发乱蓬蓬的俄罗斯化学家门捷列夫绘制了无比美丽的元素周期表。
碰撞 把粒子装进“大炮”
在19世纪末，放射性元素逐一被发现。“原子会裂变”这一事实击破了原子不能再分的传统观念。1897年，英国科学家汤姆森用X光轰击气体，随后出现的电离现象，让他猜测存在“电子”。后来他又用阴级射线管偏转实验证明了这一点。
1911年，卢瑟福和盖革用α粒子轰击金属箔，并用荧光屏记录粒子散射现象的情况。他发现大部分α粒子按直线透过金属箔，只有极少一部分α粒子被反弹回来或偏转很大角度。这个实验充分说明原子内有很大空间，而正电荷部分集中在原子中心极小的球体内，这里占原子质量的99%以上，从而发现了原子核。1919年，卢瑟福发现了质子；1932年，查德威克发现了中子。质子和中子统称“强子”，就是“大型强子对撞机”里的那个“强子”。
总之，人类对原子结构的发现一开始就离不开“撞”，开始的时候用天然射线撞物质，用微粒撞荧光屏，后来发展成用电磁场加速粒子让它们去撞别的东西。
既撞又想 物理学家们分道扬镳
光“撞”还是不成的，还要“想”，就是开动脑筋，通过“撞”的结果，想象原子里面是个什么样子。当然，它要有严谨的科学依据，还要通过科学检验才能被承认。
此时，物理分成了“实验物理”和“理论物理”两个系统。在粒子物理学中实验物理学家主要管“撞”，理论物理学家主要管“想”。到了现在，实验物理学家和理论物理学家已经完全分开了，一个只“撞”不“想”，一个只“想”不“撞”。
波尔提出的量子学说告诉我们电子的能量是一份一份的，这让人类习惯于“无级变速”的“模拟电路”大脑难以接受；后来德布罗意又告诉我们微粒具有“波粒二象性”；海森堡提出了一个“测不准原理”；薛定谔又过来告诉我们原子世界里的猫可以既死又活……
亲爱的德谟克利特，你只说对了一半，原子并非最小微粒。
继续撞 让撞击来得更猛烈些
在开始的时候，卢瑟福等人都是用天然放射性元素放射出来的粒子轰击别的物体，物理学家很快就认识到天然放射性粒子能量有限，于是建造了多种粒子加速器，性能不断提高。
1932年，考克饶夫特和瓦尔顿开发制造了700kV高压倍加速器加速质子。科学家们说：让撞击来得更猛烈些吧！他们知道对撞的能量肯定要大于单方碰撞的能量，于是在加速器的基础上又设计制造了粒子对撞机。1961年，最早的两台正负电子对撞机建成运转。通过撞击，又发现了很多新的粒子和新的现象，其中有些是之前的理论已经提出的，有些是全新的。更厉害的“撞”发现的新东西，让物理学家们不得不更努力地“想”。
继续想 建立“标准模型”
物理学家发现了无穷无尽的粒子或粒子族。这连物理学家都感到有些不舒服。当有个学生问费米某个粒子的名字的时候，他回答说：“要是我记得清这些粒子的名字，我就成了植物学家了。”
上世纪70年代，物理学家建立了粒子物理的“标准模型”。这个模型显得有些笨拙，也一直有人对它提出质疑。但李淼表示，这个模型已经得到了多数人的认可，因为它较符合实验结果。
但是，有一个问题，标准模型中还有一个叫“希格斯粒子”的东西还没有在实验中被找到，如果这个东西不能被证明存在，“标准模型”的一个重要前提将会无法立足。怎么办？接着“撞”吧。
结论 最终还得靠撞
李淼说，LHC的建成肯定会发现新的物理现象。第一，可能会发现希格斯子，第二，可能发现超对称现象———LHC可能会撞出一个粒子和它的超对称伙伴粒子，从而发现“超对称现象”。
通过LHC等研究设备的帮助，我们能最终建立起像元素周期表一样完美的“基本粒子表”吗？李淼说，如果真的发现希格斯粒子，还是有可能建成很闭合的理论体系的，但也有可能发现了全新的现象，建立全新的理论。
那么，最终有可能建立一种粒子理论，让普通人也能明白吗？李淼说，这不可能，也没有必要。但那些夸克、希格斯子、强力、弱力……李淼说，如果去学，肯定会懂的。真的吗，试试看？
物质世界的“标准模型”
新知补丁
对一般人来说，要理解夸克需要一些想像力。“夸克”一词本身就是想像力的结果。1964年，物理学家盖尔曼以乔伊斯小说《在芬尼根守灵》中的一句话对其命名。在小说中，作者写道：给马斯特·马克来三夸克(quarks)！这个词的原意是一种海鸟的叫声。
随着物理学的进一步发展，人们把夸克分成了六类。随后，物理学家们制造了“标准模型”(Standard Model)，把所有基本粒子分成两个家族：夸克和轻子(Leptons)。这两个家族各有6个成员。此外，还有5种起媒介交互作用的玻色子(Boson)。它们被用来传递粒子之间的交互作用力。
在这个标准模型中，所有的基本粒子都已经通过实验而被找到了———除了希格斯玻色子，或者简称为希格斯子。英国物理学家希格斯(Peter Higgs)在30多年前通过运算而预言了它的存在。
