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利用对撞机制造上帝粒子进行时光旅行

时间:2017-11-06 13:21:01 浏览量:
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据国外媒体报道,一直以来时间旅行都是科幻小说虚构的产物,而科学家近日称时间旅行也是可能的,其中位于日内瓦地下的17英里长的大型强子对撞机(Large Hadron Collider,简称LHC)可能是实现的关键。他们的理论认为世上最大的粒子加速器可能能够释放希格斯粒子,它是一种碰撞前产生的粒子。在猜想中有许多未解之处,最大的问题是希格斯粒子是否真的存在?如果存在,啥模样?能干啥?它能否在机器中创造出来?

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“上帝粒子”——希格斯粒子

自1899年汤姆逊爵士发现电子开始,直至如今,在一个多世纪的时间里,人类一直孜孜不倦的探索着微观世界的奥秘。物理学家们建立了一套称之为标准模型的粒子物理学模型,使得对物质微观结构的探索已经到达了几乎尽善尽美的地步,但是仍然有一个粒子,游离于人类的掌控之外。

它是质量之源,承载着世间万物的终极本质,是世代物理学家穷极探求的目标;它是“上帝粒子”,游走于过去和未来之间,狂热的科学家们坚信它能穿越时空;它也可能会击垮整座物理大厦,被物理学家称为“指挥着宇宙的交响曲”。它就是希格斯粒子。

质量起源:来源于与希格斯粒子相互作用

为什么会有质量?乍一看,这仿佛根本就不是个问题,有物体存在当然就有质量啦。您也许会说是因为组成物质的分子有质量,那分子的质量又由何而来?也许您依然有答案:原子,或是再细分下去的质子和中子、夸克。到了这一步,您或许有点要缴械投降了:它们这些粒子有质量,所以就有质量嘛!但是物理学家明显不会满足于这个答案。要解释这个问题,牵涉到非常复杂的物理理论,我们就此采访了粒子物理学家、高能物理所研究员、大型强子对撞机LHC上ATLAS国际合作组中国负责人金山,或许能稍微解开我们的疑惑。

“物理学家们为了试图理解这个世界,建立了一套非常经典的标准模型。在物理学家眼中,所有的物质归根结底都可以分解成基本的小小单元,于是他们把目光聚集在了这些单元上。建立标准模型正是去描述自然界中所有组成物质的最基本的粒子,以及这些粒子之间的相互作用。在标准模型中引入了英国物理学家希格斯提出的一种机制,认为基本粒子本没有质量,它们受希格斯场的作用,与之发生相互作用产生了质量。质量越大表明粒子和希格斯场作用越强烈;相反,质量越小则是和希格斯场作用越弱。简单点说,基本粒子是因为和希格斯粒子发生相互作用所以才有了质量,而这种解释才能够使得整个粒子物理的其它方方面面解释得圆满。”金山说。

这或许会让您迷惑,但标准模型解释了各种复杂的粒子物理现象,并且接受了大量的实验的证实,可以说几乎完美的搭建了整个物理学领域的金字塔。同样,基于希格斯理论的标准模型成功预言了W、Z粒子存在并准确地预言它们的质量,随后被Rubia在实验中证实,并因此而获得了诺贝尔奖。

希格斯粒子:检测困难,至今没有找到

标准模型的主要内容形成于20世纪七八十年代,之后逐步走向完善,其预言的基本粒子包括希格斯粒子在内一共有61个。那是什么原因使得希格斯粒子如此备受关注呢?至今,标准模型所预言的基本粒子中已有60个得到实验数据的支持和验证,而最后一个未被发现的粒子,就是希格斯粒子。“也许正是因为未知,所以才如此吸引人吧。”金山说。

那又是什么原因使得寻找希格斯粒子如此困难呢?金山介绍说主要有三个方面:“首先,从理论上来说,希格斯粒子存在的时间非常短暂,仅有十亿分之一秒,之后就会衰变成我们平常容易看到的其它粒子。这给探测带来很大的难度。第二,希格斯粒子产生的几率非常小,它的产额是普通粒子的1/1013,科学家们要把它们从无数的普通粒子中筛选出来,完全相当于大海捞针。第三,也是最重要的一个原因,目前人类所创造的条件的能量都不够把希格斯粒子激发出来。从相对论我们知道要想把越重的东西激发出来则需要越大的能量,由此,科学家推断希格斯玻色子的质量应该很重。迄今为止,美国费米实验室的万亿电子伏特加速器以及其它加速器都没有能够发现希格斯粒子,物理学家们唯有寄希望于目前世界上能量最大的对撞机——位于欧洲核子中心的大型强子对撞机,它能把每个质子加速到相当于其质量7000倍的能量,也许它的运行能够帮助科学家们寻觅到这个精灵。”

希格斯粒子是什么样的,是圆的还是扁的?或许您现在也是满腹疑问。可惜的是物理学家们也还没有答案:“粒子都是非常非常微小的,比纳米还要小近十个数量级,目前的所有放大设备都没有办法达到这个精度,肉眼根本就无法看见。所以你可以想象它是方的、圆的,甚至可以想象它只是一个轨迹。”金山说。

根究底可难不倒金山:“希格斯粒子在现在的自然界中是不存在的,只有非常非常高能量的粒子间进行相互撞击,才有可能把希格斯粒子激发出来,所以科学家们猜想它应该是在宇宙大爆炸的那一瞬间产生的。希格斯粒子产生之后,会在极其短暂的时间之内衰变成电子、夸克等普通粒子。但希格斯粒子产生的希格斯场还是一直存在着的,由它赋予万物以质量。”

既然希格斯粒子看不见又摸不着,物理学家们又是如何寻找希格斯粒子呢?“我们都使用非常高精度的探测器来进行光电信号的收集,展现在物理学家面前的会是计算机里的海量的数据和探测轨迹,物理学家们通过一系列复杂的运算,筛除大量的普通粒子信号,挖掘出想要的信息。目前我们实验上寻找希格斯粒子的途径是由希格斯粒子衰变而来的粒子信息推导出希格斯粒子的存在与否。”金山解释说。

被“神话”的希格斯粒子

希格斯粒子被披上了太多神秘的面纱,有人称它为“上帝粒子”,觉得如上帝一样神秘难测却是赋予万物质量的起源,也有人认为它能“时空穿梭”,给过去和未来捎个口信,这些无不让人产生无限遐想。作为一个务实的粒子物理学家,金山认为:“物理学其中的奥秘千千万万,无数的理论物理学家们都希望通过各种机制进行解读,其中不乏很多设想上帝粒子、时空穿越的膜理论、弦论,但这些都是一些理论上的推导和猜想,并没有得到实验的证实。物理学是以实验为基础的科学,在实验上发现新粒子或新物理现象,一直是促进物理学发展的根本动力,而许多重大问题最终只能由实验回答。”

最后,金山告诫大家:“所谓术业有专攻,物理学解决的也只是一个专业的范畴,不能寄希望于物理去解决我们日常的所有问题,也不能对物理抱有太多不切实际的幻想。无论找到或者找不到希格斯粒子,这些都是对物理学理论领域的挑战,太阳照常升起,我们的日常生活都不会受到任何干扰。只是,物理学家们估计要多头疼一会儿了。”

强子对撞机?时间机器!

自2008年首次运行以来,围绕欧洲大型强子对撞机(LHC)展开的争论从来没有停止过。日前,美国科学家又抛出一颗重磅炸弹:这台世界上规模最大、能量最高的粒子加速器有望成为人类历史上第一台时间机器!

“上帝粒子”的时间旅行

强子对撞机的主要任务是创造出传说中的“上帝粒子”——希格斯玻色子。希格斯玻色子不仅是解开大爆炸初期宇宙起源之谜的关键钥匙,也是产生物理标准模型中最后一种尚未被发现的粒子——希格斯单粒子——的先决条件。

按照范德比尔特大学物理学家汤姆·韦勒(Tom Weile)的设想,希格斯单粒子将会“在孕育了该粒子的对撞爆发之前诞生”。听上去是自相矛盾?事实上,时间旅行理论便可解释这不可思议的一切。

我们所处的时空拥有四个维度——三维空间加一维时间,漂浮在一个10或11维的宇宙中。所有已知的力与粒子均是这四维空间的“囚徒”,然而根据所谓的M理论,希格斯单粒子能够“散射”到其他维度,在不同的时空之间来回跳跃。因此,只要找到希格斯玻色子与希格斯单粒子同时出现的证据及相关的衰变产物,便可证明后者是由过去发生的某次对撞产生,或者说是过去的希格斯单粒子“预测”了未来的碰撞,通过另一维度进入现在的时空。

“我们的理论需要长期的追踪观察,然而它没有违反任何物理学原理或实验法则。” 韦勒称,时间旅行理论最具吸引力的地方是,它避免了所有可能产生的物理学矛盾。“假如科学家能够控制希格斯单粒子,那便意味着人们可以向未来或过去的时空发送信息。”

载人时间旅行是否可能?

“时间旅行仅限于这些特殊的粒子。一个人不可能回到过去,然后谋杀自己的生父。” 韦勒断然否决了载人时间旅行的可能性,莫斯科斯捷克洛夫数学研究所的阿列菲娃和伏洛维奇却不这么认为。他们相信,大型强子对撞机的粒子会发出令时空扭曲的强大冲击波。两股狭路相逢的冲击波将足以撕出一个连接宇宙遥远区域的时空环路即所谓的“虫洞”,其出现频率甚至可能达到两秒一次。暗物质的作用将使“虫洞”入口保持敞开,并扩张到足可容人类通过。这意味着我们有望通过时空隧道在过去、现在与未来之间自由穿梭,甚至可以在须臾之间到达亿万光年之外的遥远时空!

然而,即使上述猜想得到证实,时间旅行恐怕也并非如想象中一般轻松惬意。穿越时空隧道时,你得设法避免被X射线和伽马射线烤焦,还得提防着“虫洞”因为微小的扰动而坍塌。更大的可能性是,你还没来得及向过去的自己问好,便被巨大的引力吞噬得一干二净。

编辑:夜樱
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