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對撞噴出粒子示意圖。
在大型強子對撞機(LHC)上的4個大實驗中,共有來自80多個國家和地區的7000多名科學家和工程師參與。中國在這4個大實驗中投資數千萬元人民幣並將參與物理分析。中國科學院高能物理研究所、北京大學、清華大學、中國原子能科學研究院、中國科技大學、南京大學等科研院所和高校的科研人員參加了部分實驗。其中南京大學物理系就有近10位專家、學者參與其中。昨天,記者采訪了參與這項實驗的南京大學物理系的祁鳴教授及陳申見教授。
研究南大參與制造尋找『粒子』儀器
祁鳴教授說,其實,早在1996年,南大就參與到LHC計劃中來了。LHC計劃除了加速器本身的研究、改造昇級之外,共有四個大型探測器研究協作組進行實驗物理研究工作。其中ATLAS是個超大型的通用測量(探測器實驗,主要目的是探索質量的起源,即尋找理論預言的Higgs子的存在和超對稱粒子)。南大參與的正是這一項實驗。
在參與合作的第一階段,以南京大學為主承擔了液氬端蓋量能器和液氬前衝量能器重要部件的研制、加工任務,先後共參與設計並建造了33組模塊中的546塊銅吸收板和8400根鎢吸收棒等部件,還參與了8組模塊的安裝測試、束流實驗等工作。
祁鳴說,所謂量能器,通俗地說,就是測量質子、光子這些粒子的儀器,基本粒子用肉眼無法看到,只能用儀器進行檢測。儀器感受到信號後,再轉化成計算機數據,並進行存儲,通過計算機處理及科學家的物理分析,纔能還原成當時的真實世界中各粒子的能量、動量以及路徑等物理參數,也只有這時纔能判斷出,到底有沒有通過對撞產生我們猜測的粒子。而這涉及到的數據及其龐大。每年就有12-14個PB量級的數據(1個PB相當於10的15次方)。研究這些數據估計要花上10年纔能得出結果。『南大先後制造了好幾批這樣的探測儀器,然後運到加拿大進行組裝,而後纔運到歐洲粒子物理研究中心(實驗地),被推到探測器中,等待工作。』
昨天,首批質子已導入大型強子對撞機的環形隧道。祁鳴教授說,這個過程類似是一把『槍』(產生質子的發生器)將質子打進加速器中。如果一切順利,大型強子對撞機將在年底前實現兩束各達5萬億電子伏特能量的質子束流對撞,此能量將是以前世界紀錄的5倍。而對撞結果可能要10年纔能揭曉,因為要分析大量數據。
釋疑『黑洞吞噬地球』絕無可能
此前,有人指責對撞實驗可能產生黑洞而『毀滅地球』。昨天,記者也就這個問題采訪了兩位專家。
陳申見教授表示,黑洞的產生條件非常嚴苛。要形成一個黑洞,最關鍵的就是密度和半徑。密度應該非常大,而半徑應該非常小。舉例來說,如果有一個地球那麼重的物體卻被壓縮到綠豆那麼大,纔能產生黑洞。而這次對撞不可能產生這樣的結果,就算有極小的黑洞,會像水珠一樣立即被『蒸發』光了。
『天文學中認為,一些天體有很強的引力場,可以連光線都完全吸收進去,而沒有任何反射,就成為「黑洞」。這說明該天體的能量極高,密度極大。』祁鳴教授說,我個人認為,對撞在瞬時間也許會釋放類似能量,但非常短暫,對宏觀世界不會產生任何影響。那些認為對撞會毀滅地球的說法是無稽之談。
綜合歐洲核子研究中心等多個科研機構的消息,科學家們盡管並不能肯定大型強子對撞機絕對不會制造出黑洞,卻確信即使真的制造出黑洞,它也不能吞噬周邊物質乃至整個地球。根據測算,一個大型強子對撞機裡制造出的黑洞,其尺度僅為百億億分之一米(10的負18次方米),存在時間僅為十億分之幾阿秒(1阿秒為10的負18次方秒)。由於它存在的時間是如此之短,根本不能吞噬任何周邊的物質,因此不可能對地球構成任何危害。
展望LHC將改變我們的生活
在很多普通老百姓眼中,尋找質量起源,重現宇宙大爆炸的實驗是科學家的事,跟我們生活相差十萬八千裡。其實不然。
祁鳴教授說,LHC不僅提供了本世紀前期世界上最大的高能物理實驗平臺,為探索新的高能物理現象奠定了良好的實驗基礎,還將帶動對世界上最先進的快電子學、計算機、探測器、材料科學和高速通信等領域開展更為深入的研究,並力求將這些研究領域中的最先進技術能夠盡快應用於高能物理的實驗研究。可以預見的是這些技術將很快轉向民用領域。
『其實,很多發明都來自於高能物理研究。最有說服力的例子就是因特網的起源。上世紀60年代,歐洲核子中心的科學家在做一項實驗,當時所有數據都要存在磁盤或磁帶中,再通過卡車運動計算機中心,這時纔能讀取數據。有人就產生大膽的設想,能否通過電話線來傳數據呢?這就是最早的www(萬維網),也是因特網的起源,不過當時只是從試驗地到計算機中心點對點的使用,經美國改造後成為商用網,變成片對片。』祁鳴教授認為,LHC計劃作為世界最尖端研究,匯聚了當前最前沿的科學研究成果,為我們生活帶來的啟發可能更多。
電腦將是虛擬的超級計算機
什麼是網格計算?簡單地講,網格是把互聯網上的眾多計算資源整合成一臺虛擬的超級計算機,將以CPU為主的各種資源『擰成一股繩』,實現各種資源的全面共享。
祁鳴教授打了一個比方:你回到家,只要電源開關一開,插頭插上,你可以用電飯鍋煮飯,可以看電視,可以洗衣服,但你不知道這電到底是來自葛洲壩水電站呢,還是大亞灣核電站,還是煤炭發的電。而你也不需要知道。利用網格計算,我們的計算機也可以變得像用電一樣。現在我們的計算機是彼此割裂的,有人在使用,有人在閑置,網格計算則可將所有資源整合在一起,並自動優化配置,今後當你打開電腦終端時,實際上用到的可能是遠在美國的計算機,也可能是歐洲的某臺計算機,但你不必關心來自哪裡,重要的是,你用的是最先進的,處理速度最快的計算機。這對生活的影響將是巨大的。
目前,在LHC計劃中就有『網格計算』這一塊。因為對撞後大量的數據要處理。『每15秒就有一個DVD大小的數據盤產生,每年將產生12-14PB(1P=1015BG)的數據,用於物理分析的計算機所需要的計算能力相當於上萬個目前最快的奔騰-4 CPU,因此必須采用先進的網格技術纔能高效率的管理和運行這一龐大而復雜的計算環境。這就是網格計算技術的運用。』陳申見說。中國科學家必須參加物理數據的分析研究以便獲得物理結果,因此必須在中國開展網格研究,建立LHC的數據中心。眼下國內信息科學界對網格計算表示了極大的興趣,希望通過網格計算的合作引進網格計算的關鍵技術。目前,中科院高能所正計劃建立中國的Tier-2(二級)數據中心,為國內的合作單位提供服務。
用粒子束能殺死癌細胞
有專家認為,歐洲粒子物理研究所也為醫學研究做出了貢獻,因為他們發現,可以用質子、碳離子甚至是反物質等帶電粒子束治療癌癥。反物質並非自然存在,但該研究所可以利用一種小型加速器——質子同步加速器制造反物質。這臺機器還能產生將會繞大型強子對撞機旋轉的質子。現有的放射療法可能會在殺死癌細胞的同時傷害周圍的健康組織。而這種粒子束能夠將對人體傷害降到最低,因為它們能夠穿過健康的組織,只對腫瘤發揮作用。
祁鳴教授解釋說,這在理論上完全成立。用粒子束來殺癌細胞只是『小把戲』了。只是粒子束的強度太大了,如果用於人體,只能是低劑量的,如10兆-20兆電子伏特的。如果能把能量控制得好,粒子束將是醫學治療的一個好途徑。
LHC有利於開發新能源
除電信和醫療外,紐約市立大學理論物理學教授加來道雄(Michio Kaku)認為,物理學試驗的潛在回報還體現在能源方面。
加來道雄表示,通過LHC獲得的認識可能在未來數十年內用於開發新能源,比如可控的核聚變電站。微型黑洞的產生甚至可能在能源需求中扮演一個長遠性的角色。他說:『一些人認為外太空的黑洞可能是未來人類的能源。』