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对撞机能让人类看到什么?

麻省剑桥 —— 根据现代物理学和宇宙学可以推论,要看见自然界运行和宇宙生成的基本真相,必须具有一双超级眼:能看清比光穿过质子还快的动作、比原子还小的距离。幸运的是,人类没有被排除在外,因为我们的肉眼可以“升级”。

大型强子对撞机( LHC )应运而生。这种设备令质子以极大能量对撞,通过观测那些由对撞产生的粒子,重构这些物质的产生过程,物理学家必将发明出有史以来速度最快、解析度最高的显微镜 —— 在这个显微镜里,每个质子都成为反映另一个质子内部结构的影像。

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LHC 是一个宏伟工程,有许多了不起的看点,这些媒体都已经广泛报道过了。我对这些都不再复述,直接跳到我们的目标: LHC 究竟能让我们看到什么?

我们能看到的是宇宙其在诞生千分之一秒时的样子、大爆炸的初始阶段。在 LHC 里发生的初始事件实际上就是一场微型大爆炸,许多微小的火球再现宇宙大爆炸的条件,只不过其规模非常小而已。

宇宙开端的这种重构开启了全新的可能性,非常令人兴奋。我们知道今日之宇宙包涵着一种物质形式,即所谓暗物质,它迥异于我们之前观察到的任何物质。

暗物质的“暗”并不是通常意义上的暗,而是彻底透明。它既不释放也不吸收光,因此几千年以来的天文学家一直忽略了这些物质的存在。直至 20 世纪后期,对普通可见物质运动规律的研究才揭示了大量不可见物质的重力影响。

由于宇宙初始大爆炸产生了大量暗物质, LHC 的微型大爆炸也可能产生出一些来。科学家可以通过对撞实验寻找那些能够产生暗物质的粒子:一些长期以来就存在,然而同普通物质和光只有微弱的相互作用的粒子。这是一个好机会,可以让我们了解那些无处不在、极其丰富然而看不见摸不着的物质到底是什么。

试想有一种具有智慧的鱼类开始对世界进行深刻的思考。几千年来,它们的祖先已经习惯了它们所生活于其中的物质 —— 水,因此认为水是“真空”。但是,通过研究一些力学现象并且发挥一些想象力,这种鱼类中的物理学家意识到,如过假定它们周遭并非真空,而是被一种介质(水 ! )包围着,而这种介质影响了事物的表现,那它们所了解的运动定律可以被大大简化。

我们就是那些鱼。我们发现,假定我们平常所认为的空间实际上是一种介质,就可以大大简化基本的物理学方程。我们观察到了“水”的效应 —— 它使物体运动减缓,增加了物体的重量等等,但我们还不知道它是由什么东西构成的。

LHC 可以让我们透视宇宙介质的微观结构。最简单的一种猜测是,它是由一类新的粒子构成,所谓的“希格斯粒子”( Higgs particle )。但我认为还有其他物质。(有的物理学家提出了包涵物种新粒子的精美方程,不过可能还会有更多种类的新粒子)。

19 世纪 60 年代,詹姆斯·麦克斯韦( James Clerk Maxwell )提出了我们今日所知道的电磁方程组,并发现了一个内在缺陷。他通过新增的方程弥补了这一缺陷。

经过完善的方程组,即麦克斯韦电磁方程组描述了关于电和磁的统一理论。该方程组表明,光是电磁场中一种运动的、自我更新的波,并且预言存在新的电磁波类型的可能性。

那些新型的电磁波,如今我们叫它们无线电波、微波、红外线、紫外线、 X 光、伽马射线。我们运用它们来通信、烹饪、诊治疾病。电磁学统一理论引领整个物理学取得了广泛的进步,从核物理学(以激光器和微波激射器为基本工具)到宇宙学(宇宙微波背景辐射为我们打开了了解宇宙大爆炸的窗口)。

迄今为止,我们当代的物理学知识相当有力、准确,但它还没有达到它应该达到的完美与一致性。我们有不同的方程组,可以分别描述 4 种基本力:强作用力、弱作用力、电磁力和万有引力。这个有待统一的庞杂系统令人回想起麦克斯韦之前电磁学方程的零散状态。

有些物理学家曾经提出过一些扩展方程组,试图把 4 种基本力中的几种统一起来。这些扩展方程组包涵着一种理念,叫做“超对称”,这种理念预言了许多新现象的可能性。这些新现象部分已被观察证实了(例如,中微子、耦合之间的统一等等)。但是,根据卡尔·萨刚的看法,“非同一般的理论假设需要非同一般的证据。”在这方面的现有证据仍然是零散的。

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幸运的是,这些关于物理学新统一的理念预言了,通过 LHC 可以看到这些非同一般的东西。如果真是这样,一个崭新的粒子世界将被发现:每一种已知的粒子都会有一个质量更大的亲戚 —— 它的超对称伙伴,它们具有一些不同然而可以预知的性质。

这就是我对 LHC 的希望和预期。关于我们能通过 LHC 看到什么的猜想还有很多,包括多维空间、超弦、微型黑洞等等。真相可能超乎想象。