大型强子对撞机——追问世界本原的解码器

嗨，大家好！我是乐乐。在开始本次旅程之前，我们先来想象一下这样一个庞然大物：长约27000米，深埋于法国与瑞士边境的100米深处的环形隧道中，来自全球40多个国家的数千名科学家用了20多年花费了50多亿美元来打造它；有人说它是人类有史以来最伟大的科学实验，也有人说它是爱因斯坦之后最伟大的物理学里程碑，还有人说它是继阿波罗计划之后人类最具雄心的宏伟工程。哈哈，它就是我们本期发现之旅的目标——大型强子对撞机。

大型强子对撞机

在参观强子对撞机之前，我们先来认识几位朋友。首先介绍一下“物质”先生，它非常的大，宇宙间一切物体都可以统称为物质，我们从周围所有的事物中都可以看到物质先生的身影，也包括人本身。下一位朋友是分子，物质是由分子构成的，排列成不同结构的许多分子就构成了物质。分子又是由原子构成的，原子是构成自然界各种元素的基本单位，是物质结构的一个层次，它的中心是原子核。最后闪亮登场的是“强子”小朋友，它是一种亚原子粒子，组成原子核的质子和中子就属于强子，它们都受到了强相互作用的影响。

大型强子对撞机主要由一个接近2.7万米长的超导磁体环和许多促使离子能沿着特定方向加速传播的加速结构组成。强子对撞机以及技术方面的基础设施，都安装在欧洲粒子物理研究所的控制中心。在强子对撞机的内部，两束高能粒子流在彼此相撞之前，以接近光速的速度，分别通过两个不同的处于超高真空状态的光束管，向相反方向传播。这两束高能粒子流在强磁场的促使下围绕加速环高速运行，而这个强磁场正是利用超导电磁石获得的，这些电磁石采用特殊电缆线制成，它们在超导状态下进行操作，能有效地传导电流，几乎没有电阻消耗和能量损失。而达到这种理想的超导传输，大约需要将磁体冷却到零下271摄氏度，这个温度比外太空的温度还低，因此，大部分加速器都与一个用来冷却磁体的设备相连。

大型强子对撞机利用数千个种类不同、型号各异的磁体给加速器周围的粒子束指引方向，它们有的被用来弯曲粒子束，有的被用来集中粒子流，让它们更靠近以增加粒子相撞的机会。这些粒子非常小，让它们相撞就如同让从相距几万米远的距离发射出来的两根针相撞一样。粒子相撞后，会模拟出宇宙大爆炸时的形态，这样就有可能揭开包括世界本原在内的很多未解之谜。

揭开待解之谜

近几十年来，物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其相互作用的了解。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜，需要大量实验数据支持，大型强子对撞机便担负起“数据提供者”的角色。大型强子对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞，此时的撞击可能带来意想不到的结果，这些结果将有望揭开包括宇宙起源在内的多个未解之谜。

牛顿未完成的工作——什么是质量？

质量的起源是什么？为什么微小粒子拥有质量，而其它一些粒子却没有这种“待遇”？对于这些问题，科学家到现在也没有找到一个确切答案。

一个“看不见”的问题——96%的宇宙由什么构成？

宇宙中的一切小到昆虫大到星球都是由普通粒子构成的。这些粒子被统称为物质，它们构成了4%的宇宙。余下的96%据称由暗物质——不发光的物质和暗能量构成，它们对于整个宇宙的构成与运行有着极其重要的作用。研究暗物质和暗能量的性质是当今粒子物理学和宇宙学面临的最大挑战之一。

大自然的偏好——为什么找不到反物质？

在宇宙诞生时，“大爆炸”产生了相同数量的物质和反物质。然而，一旦这对孪生兄弟碰面，它们就会“同归于尽”，并最终转换成能量。可是，我们今天所看到的只是幸存下来的少量物质构成的我们生活的宇宙，而它的孪生兄弟反物质却几乎消失得无影无踪。为什么大自然不能一碗水端平，平等对待这对孪生兄弟呢？

“大爆炸”的秘密——物质在宇宙诞生后的第一秒呈什么状态？

科学界根据天文观测研究后得到一种设想——大约在150亿年前，宇宙所有的物质都高度密集在一点，有着极高的温度，因而发生了巨大的爆炸。大爆炸以后，物质开始向外大膨胀，这就形成了今天我们看到的宇宙。大爆炸的整个过程是复杂的，现在只能从理论研究的基础上，描绘远古的宇宙发展史，而对撞实验有望为“大爆炸”理论提供数据支持。

隐藏的世界——空间的额外维度真的存在吗？

根据爱因斯坦广义相对论，人类生存的三维空间加上时间轴即构成所谓四维空间。后来的理论认为，可能存在拥有隐藏维度的空间。基于这种推测，科学家将对所有探测器获得的数据进行仔细分析，以寻找额外维度的存在迹象。

大型强子对撞实验的意义

强子对撞实验对我们来说似乎有些遥远，可能还有不少人认为这样高深的物理理论研究与我们的日常生活没关系，花费数十亿美元有些不值得。我们知道100多年前，爱因斯坦发现了质量与能量可以互相转化的质能方程。当时许多人也认为这个方程毫无用处。但是，以这种理论指导而研制出来的原子弹，让人们见识了高能物理的可怕之处。随后，核能用于发电，又让人们认识到质能方程真正改善了我们的生活。

如果对撞实验取得成功，更多的物质奥秘将被揭开，比如找到反物质及其合成方法，将有可能解决我们的能源危机问题。此外，在建造这个大型实验装置的过程中，科学家已经获得了许多科研成果，像我们今天常用的互联网最初就是欧洲的科学家为了解决数据传输问题而发明的。

我们人类所取得的每一个进步，都是人类不畏艰险、不断探索的结果，今天的强子对撞实验虽然也将面临很多不确定的因素，但是人类探索的脚步永远不会停止。