子物理學(xué)是一門(mén)高深莫測的科學(xué)，而且將變得更令人膽戰心驚。

歐洲核研究組織(CERN)于2008年9月10日啟動(dòng)了全世界最強大的粒子加速器，將第一束粒子流射入位于地下330英尺深、17英里長(cháng)的一個(gè)加速軌道，從而標志著(zhù)近期最雄心勃勃同時(shí)備受爭議的粒子物理實(shí)驗正式開(kāi)始。一些批評人士擔心，這項實(shí)驗可能會(huì )引發(fā)黑洞，從而吞噬整個(gè)地球。

但科學(xué)家們相信，這個(gè)“不成功則成仁”的嘗試將有助于解決長(cháng)期以來(lái)人類(lèi)對宇宙的很多疑問(wèn)。相對論和量子力學(xué)這類(lèi)的宏偉理論可以解釋宇宙中的一些運行規律，但彼此無(wú)法相容。愛(ài)因斯坦的理論在解釋恒星這類(lèi)大型物體時(shí)很有效，但在解釋粒子極微小運動(dòng)時(shí)卻束手無(wú)策?？茖W(xué)家希望借助這項實(shí)驗找到一些線(xiàn)索，將這些零散的理論融會(huì )貫通起來(lái)。

這臺“大型強子對撞機”(Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱(chēng)LHC) 位于瑞士日內瓦，設計目的是讓質(zhì)子在接近光速的速度下發(fā)生碰撞，釋放出130億年前宇宙大爆炸(Big Bang)以來(lái)從未出現過(guò)的龐大能量。第一次粒子撞擊計劃于2008年10月進(jìn)行，CERN的科學(xué)家將仔細觀(guān)察粒子碰撞后的殘余，找到以前未曾發(fā)現過(guò)的粒子、其他維度的空間、暗物質(zhì)存在的證據，以及希格斯玻色子(Higgs boson)──一種物理學(xué)家認為是其他粒子構成基礎的神秘物質(zhì)。

物理學(xué)家們從事的這個(gè)項目事關(guān)重大，已經(jīng)籌備了14年，投入90億美元。如果研究人員未能在實(shí)驗中找到游離的希格斯玻色子，那可能意味著(zhù)他們在錯誤的道路上浪費了數十年的大好時(shí)光。

除了可能出現吞噬地球的黑洞──當然，CERN的科學(xué)家認為這是不可能的，讓物理學(xué)家更抓狂的實(shí)驗結果也許是找到了希格斯玻色子，但除此之外別無(wú)它物。這個(gè)結果將確認一些物理學(xué)家早已提出的理論，但無(wú)助于解釋其他許多宇宙謎題。

比如說(shuō)，科學(xué)家無(wú)法解釋為什么重力會(huì )比其他的基本物理力弱得多，以及為什么只有5%的宇宙是可見(jiàn)的。此外，他們也面臨尷尬局面，無(wú)法消除愛(ài)因斯坦的相對論與解釋微觀(guān)物理規律的量子力學(xué)之間的矛盾之處。

雖然投入數十億美元，但宇宙的奧秘有很大可能依然無(wú)法解開(kāi)。“如果LHC只找到希格斯玻色子而沒(méi)有其他物質(zhì)，那科學(xué)家就很難說(shuō)服大眾再建造另一臺大型粒子加速器。” 美國普林斯頓高等研究所(Institute for Advanced Study in Princeton)的理論物理學(xué)家尼瑪•阿卡尼哈邁德(Nima Arkani-Hamed)說(shuō)道。

現在，物理學(xué)家將所有的希望都寄托于這臺埋在法瑞邊境地下的超大型粒子沖撞機上。這臺機器將反向射出兩束質(zhì)子流，質(zhì)子流通過(guò)由超導磁體包圍的兩根鋼管，以每秒11,245圈的近光速運行，最終在四個(gè)交點(diǎn)會(huì )合，預計每秒將產(chǎn)生6億個(gè)粒子碰撞，從而再現宇宙大爆炸時(shí)猛烈無(wú)比的粒子濃湯。

為研究這項實(shí)驗的結果──仿佛就像是粒子層面的火車(chē)大碰撞──CERN的科學(xué)家建造了四個(gè)地下觀(guān)測器，能記錄撞擊時(shí)產(chǎn)生的能量以及粒子碰撞后內部物質(zhì)噴出的速度。其中有個(gè)名為Atlas的觀(guān)測器，是一個(gè)七層樓高的圓柱體，由鋼鐵、充氣鋁管、液態(tài)氬和光纖制成，重量為7,000噸，和艾菲爾鐵塔一樣重。Atlas和其他三個(gè)觀(guān)測器把數據傳輸到CERN的3萬(wàn)臺電腦上，由電腦對數據進(jìn)行篩選，從而發(fā)現超出傳統物理學(xué)范疇的異?，F象。

那么，CERN的物理學(xué)家將尋找哪一類(lèi)奇怪的量子事件呢？他們的主要任務(wù)是找到希格斯玻色子，也叫“上帝粒子”。如果他們的計算正確，希格斯玻色子能產(chǎn)生一個(gè)彌漫的域場(chǎng)，對穿過(guò)其中的粒子施加一個(gè)拉力。物理學(xué)家相信正是通過(guò)這一名為“希格斯力”的過(guò)程，電子和其他粒子才得以產(chǎn)生。

“這是解開(kāi)宇宙構成秘密的一個(gè)關(guān)鍵所在。” 位于美國伊利諾斯州Batavia的費米國家加速器實(shí)驗室(Fermi National Accelerator Laboratory)的理論物理學(xué)家約瑟夫•里肯(Joseph Lykken)說(shuō)道。

其他粒子對撞機都未能幸運地找到希格斯玻色子，但物理學(xué)家認為，LHC對撞實(shí)驗所爆發(fā)的能量──約為14萬(wàn)億電子伏──應該足以使其產(chǎn)生。問(wèn)題在于，沒(méi)人知道希格斯玻色子長(cháng)成什么樣子，因此很難發(fā)現它，而且它也可能很快衰變?yōu)槠渌阎Ｗ?，如介子和光子等。因此，CERN的科學(xué)家將通過(guò)各種形式尋找它的存在。舉例而言，有一個(gè)名為“微型介子螺線(xiàn)管”(Compact Muon Solenoid)的探測器，配備有80,000塊富鉛玻璃用于追蹤光子，負責操作的科學(xué)家將尋找“希格斯跳躍”(Higgs bump)──即光子在對撞發(fā)生四散飛出時(shí)一種異于平滑運動(dòng)軌跡的躍動(dòng)。

物理學(xué)家還希望從中找到支持新一代物理理論的證據，比如超對稱(chēng)性原理(supersymmetry)──這種理論認為，每個(gè)粒子都有一個(gè)未被發(fā)現的“超級伙伴”。假使對稱(chēng)性理論得到證實(shí)，將使已知粒子的數量增加一倍，并幫助物理學(xué)家實(shí)現一個(gè)長(cháng)久以來(lái)的追求目標，也就是把幾種控制物質(zhì)運動(dòng)的力──重力、電磁力、強核力和弱核力──在理論上融為一種單一的基本力。

這臺粒子對撞機還可能讓我們發(fā)現已知四維空間以外的空間維度。當質(zhì)子撞擊開(kāi)始時(shí)，物理學(xué)家將尋找撞擊前蘊含能量與撞擊后產(chǎn)生能量之間是否存在不平衡。根據物理學(xué)基本原理，撞擊前后的能量應該是守恒的。如果能量經(jīng)常性地出現流失現象，那可能意味著(zhù)能量消失在另一個(gè)空間維度中。這個(gè)發(fā)現將給玄理論(string theory)提供有力支持。這個(gè)被廣泛接受但無(wú)法驗證的假設認為，物質(zhì)是由微小顫動(dòng)的玄(string)構成，并處于11或12個(gè)維度的空間中。

研究人員說(shuō)，最令人震驚的結果可能是，實(shí)驗結果毫無(wú)出奇之處。這將意味著(zhù)物理學(xué)家用于解釋宇宙運行規律的最佳方法、已有35年歷史的所謂“標準模型”其實(shí)是一條歪路。“我們知道，希格斯玻色子一定存在。”加拿大安大略省普里美特理論物理研究所(Perimeter Institute for Theoretical Physics)的物理學(xué)家李•斯莫林(Lee Smolin)說(shuō)，“否則的話(huà)，我們就一直在錯誤的理論根基上原地踏步。”

雖然實(shí)驗可能一無(wú)所獲將令很多人大失所望，但另一些人認為，這個(gè)結果將最具革命性，因為理論物理學(xué)家將不得不重新思考幾十年來(lái)被視為天經(jīng)地義的各種問(wèn)題。“在我看來(lái)，這是一件好事。”里肯教授說(shuō)道。

和之前的大型物理實(shí)驗一樣，LHC引發(fā)了一系列世界末日來(lái)臨的言論。2008年初，一位科學(xué)普及作家和一位輻射安全專(zhuān)家向法院提起訴訟，要求制止科學(xué)家啟動(dòng)LHC對撞機，認為它可能引發(fā)一個(gè)災難性的黑洞或制造出“奇異物質(zhì)”(strangelets)，這是一種理論假設中的致密物質(zhì)，一旦形成，有可能引發(fā)連鎖反應，把地球變成一塊無(wú)生命的大石頭。

CERN的科學(xué)家認為，黑洞這類(lèi)恐怖量子事件的發(fā)生概率與重力突然消失的概率差不多。“根據量子物理學(xué)理論，如果我讓一支筆掉在桌上，它甚至有一定的可能性會(huì )直接穿過(guò)桌子。”Atlas探測項目的發(fā)言人彼得•杰尼(Peter Jenni)說(shuō)，“我們通過(guò)LHC模擬的是137億年來(lái)整個(gè)宇宙每時(shí)每刻都在發(fā)生的粒子碰撞，但我們不是還活得好好的嗎？”