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大强子对撞机 (Large Hadron Collider,

P管生活 2020-06-29


>>大强子对撞机 (Large Hadron Collider,LHC) Vs. 希格斯粒子(Higgs boson) (1)(请按此)

LHC的发展与建造

圆形轨道周长达二十七公里的LHC大强子对撞机,是由 欧洲核子研究组织(CERN)建造完成的。该组织是由欧洲二十个国家组成的大型科学组团队,由1995年开始建造LHC,并于2008年九月开始试运转成功。

在粒子加速器的发展历史中,二次大战后美国一直居于领先地位,不过当九零年代初期冷战结束后,美国的科学计画方向也开始有了转变。首先,美国国会于1993年停止了已投入二十亿美金,预计总经费达八十多亿美金,完成后轨道圆周长将达87公里,且使用超过一万个超导磁铁,可以提供四十兆电子伏特的超导超级对撞机的兴建。接着,取消了让费米实验室的正负质子对撞机的延役计划,在2011年九月关闭了位于芝加哥这个轨道长6.3公里的加速器,因此,未来二十年粒子物理学的发展重心都将重回欧洲,并将聚焦在LHC这座目前世界最大的环形加速器上。

大强子对撞机 (Large Hadron Collider,

建造到一半的超导超级对撞机(Superconducting Super Collider)。(http://upload.wikimedia.org/wikipedia/zh/thumb/f/fa/SSC-tunnel.gif/600px-SSC-tunnel.gif)

大强子对撞机 (Large Hadron Collider,

位于芝加哥费米实验室的正负质子对撞机中的轨道一景。(http://www.popsci.com/files/imagecache/article_image_large/articles/tevatron.jpg)

曾经发展出全球资讯网www的欧洲核子研究组织于1995年通过预算后,便与全世界85个国家(台湾也包括在内)的大学及研究组织合作,投入超过八千名科学家完成这座位于瑞士与法国边境地底下五十至一百五十公尺,轨道周长达二十七公里,可以提供十四兆电子伏特能量的加速器。大强子对撞机于2007年完成兴建,并于2009年完成试运转。目前全世界有将近一半的粒子物理学家都聚集在LHC,展开一项项的科学实验,其中最引人注目的,就是被称作上帝粒子的希格斯粒子的发现与否。

大强子对撞机 (Large Hadron Collider,

在大强子对撞机中的超环面仪器ATALS的维修工程人员。(http://mediaarchive.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2006/0608013/0608013_03/0608013_03-A5-at-72-dpi.jpg)

大强子对撞机 (Large Hadron Collider,

大强子对撞机中其大型离子对撞机中的L3超导磁铁。(http://cdsweb.cern.ch/record/975449/files/mag-2005-002.jpg)

LHC要解决什幺问题

LHC会这幺受到注目的一个重要原因,是因为当美国人放弃这个建造超导超级对撞机之后,LHC是世界上现存且未来二十年,唯一有机会在实验中发现至今存在于理论中,但多年但尚未发现的希格斯粒子。那为什幺希格斯粒子这幺重要呢?这要回到一段称为粒子动物园的岁月。

半世纪前,由于粒子加速器的大量建造,许多比质子还小的基本粒子纷纷在对撞实验中被发现,数量高达数十种。面对这许多新发现的粒子,科学家顿时有茫然无措之感,便戏称这突然之间被发现的许多种新基本粒子为粒子动物园。在一九六零年代,年轻气盛的物理学家葛尔曼提出了夸克(quark)的概念,他认为这许许多多比质子还要小的基本粒子,是由更基本的粒子去构成的,他整理归纳出这样的基本粒子应该有六种,它命名为夸克。实验証实了葛尔曼的理论,让粒子动物园的许多基本粒子可以被理解与归类。在葛尔曼的夸克理论带领下,粒子物理学家发展出一种目前主流的学术理论来解释物质的组成,它被称为是“标準模型”。标準模型经过多年发展,已经可以解释自然界目前已知的四种基本作用力中的强作用力与弱作用力及电磁力,也与近代物理学中的两大支柱中的量子力学与狭义相对论相容(但无法与广义相对论相容)。这样的标準模型受到欢迎与重要的原因,是因为它已经精準预测了许多基本粒子的发现,但其最大的缺憾是它无法解释物质质量的来源,也无法与重力做一个完美的统合。

为了弥补标準模型的缺憾,英国物理学家希格斯提出了希格斯场与希格斯粒子来解释物质质量的形成机制。这样的一个理论修补,让标準模型在统合四个基本作用力的路途上,迈进了一大步。但到目前为止,希格斯粒子尚未在实验中被发现,而根据理论计算,LHC可以提供的高能粒子撞击,应该可以去追蹤出希格斯粒子。换句话说,经修补后的标準模型,唯一尚未被发现的希格斯粒子,经理论预测应该要在LHC的高速粒子对撞中现身。因此,LHC是否能验证能解释了质量起源的希格斯粒子存在与否,便成为近期物理学界最重要的焦点了。因为倘若希格斯粒子真的现身,那代表以标準模型为基础的许多统一场论的发展方向可能是对的。但倘若希格斯粒子并未如标準模型预测出现,很有可能物理学家要重新检视整个标準模型理论架构的正确与否,也就是决定了过往数十年粒子物理学主流发展方向正确与否。所以,被赋予找出暱称上帝粒子的希格斯粒子的大强子对撞机,引起了近年来全球科学界的高度关注。

结语

自从百年前的相对论与量子力学结束了古典物理学,开创了近代物理一个崭新的局面之后,到了二十一世纪初期,仍有许许多多的科学家努力于所谓的统一场论,一个爱因斯坦晚年努力了二十年的尝试,一个可以将相对论与量子力学完美结合起来,能够解释宇宙中极大的时空弯曲如黑洞,也能够解释最微小物质组成的理论。研究统一场论的人其哲学基础是建立在希腊人的“世界是可以被理解”的化约论,整个世界可以用一套理论或学说来解释。

而二十世纪的数学家哥德尔在1931年证明了不完备定理,此一定理的第二点 :如果一个公理系统可以用来证明它自身的相容性,那幺它是不相容的。换句话说,它代表的意义是如果数学是没有矛盾的,那它必不完整。将此一定理推演开来,在一个够大的逻辑系统中,不能用逻辑推理的方式由公理推演出系统所有的真理。有一派人因此认为追求统一场论是无意义的,因为连作为理论基础的数学都被证明是不完备的,那希腊人认为是世界可以被理解的终究是是一个梦而已。

但不管如何,LHC大强子对撞机的建造与相关实验的进行,让我们经历了人类科学史上重要的时刻,乐观的人相信LHC证实希格斯粒子的存在与否,都将开创粒子物理学的黄金年代。有可能能解释一切物质基本作用力的统一场论将在相关实验的协助下产生。也有可能因为希格斯粒子被验证不存在,让整个标準模型需要被大大地改写,希格斯机制留下来的位置,也将会让物理学界热闹好一阵子。相信,未来数年内,LHC及其相关实验仍将会常常佔据科学新闻的重要版面,让我们一起期待许多有趣的新发现吧。


参考资料 :

1.http://lhc.web.cern.ch/lhc/
2.http://public.web.cern.ch/public/en/lhc/lhc-en.html
3.http://sa.ylib.com/read/readshow.asp?FDocNo=1255
4.http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_physics
5.http://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_Heavy_Ion_Collider
6.http://en.wikipedia.org/wiki/Ernest_O._Lawrence
7.http://en.wikipedia.org/wiki/Particle_accelerator
8.http://cerncourier.com/cws/article/cern/31175
9. http://www.srrc.gov.tw/
10.http://en.wikipedia.org/wiki/Superconducting_Super_Collider
11. http://www.phy.ncu.edu.tw/dcc/Development/8qutanum.htm
12.http://episte.math.ntu.edu.tw/articles/mm/mm_15_4_11/index.html

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