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大型強子對撞機長27公裡,深埋在法國瑞士邊境地下100米的深處,過去二十多年裡,來自全球四十多個國家的數千名科學家,用了50億美元,在打造這個揭開宇宙秘密的解碼器,有人說,它是人類有史以來最偉大的科學試驗,也有人說,它是愛因斯坦之後,最偉大的物理學裡程碑,還有人說,這臺機器是繼阿波羅計劃以後,人類最具雄心的宏偉工程,正像當年我們無法想象相對論帶給世界的變化,我們現在也無法想象,它將會給人類的生活和世界的面貌帶來一場怎樣的革命。
大型強子對撞機將給人類的生活和世界的面貌帶來怎樣的革命?這就是歐洲研究組織的大型強子對撞器,它坐落於瑞士和法國邊境地下100米深處的環形隧道,這個大型強子對撞器從構想到建成,已經歷時近20年,耗費資金超過80億美元,吸引了來自全球80多個國家的近5000名科學家參與其中。
9月10日15點30分,這個對撞器上演了微縮版的『宇宙大爆炸』,重現了宇宙誕生時的形態,這個史上規模最大的科學計劃,使人類進入了物理學的全新領域,開啟了重大物理學發現的一個新黃金時代。
那麼這個大規模實驗的原理又是什麼?原來在這個大型的強子對撞器內部,有一條長達27公裡的圓形隧道,在這裡科學家們會將質子和離子加速至接近光速,然後使它們相撞,從而模擬出宇宙大爆炸後一萬億分之一秒內的能量和條件,緊接著科學家們會對撞擊所產生的殘骸物進行細致的分析,以此來探求物質本質的線索,以及自然中新的力量和平衡,最終達到,揭示宇宙起源,尋找『上帝粒子』——希格斯玻色子的目的。
這次的大撞擊,將完成六項截然不同實驗,其中包括超環面儀器實驗和緊湊渺子線圈實驗兩項大規模實驗;大型離子對撞機實驗和底誇克實驗兩項中型實驗;以及全截面彈性散射偵測器實驗和前行粒子實驗。
通過這些實驗,一連串未解之謎將被撩開神秘的面紗,『質量的起源是什麼?』、『96%的宇宙是由什麼構成的?』、『為什麼找不到反物質?』、『宇宙誕生後的第一秒又是怎樣的狀態?』、『空間是否存在額外維度』等等這些謎團,將有望一一破解,由此帶來的任何一項科學新發現,都彌足珍貴,足以成為一個個揭秘自然的『金苹果』。
此外,在建造這個大型實驗裝置的過程中,科學家們已經獲得了許多科研成果副產品,比如,互聯網最初就是歐洲核子研究中心的科學家為了解決數據傳輸問題而發明的,為了解決大型強子對撞機海量數據的分析問題,這裡的科學家又開始采用分布式計算網絡技術將數萬臺甚至數十萬臺計算機聯合在一起構成全球最強大的超級計算機系統,網格計算技術將對信息時代的科技發展起到重要作用,另外,大型對撞機還將帶來一些意想不到的科研成果,比如改進癌癥治療、摧毀核廢料的方法以及幫助科學家研究氣候變化等。
我們希望這臺強子對撞機能成為一把打開宇宙終極秘密的鑰匙,這場讓全世界都翹首以盼的對撞究竟是怎麼發生的?到時候,大家將看到一副怎樣的情形?
這個世界上最大、最具威力的強子對撞機是歐洲粒子物理研究所加速復合體的最新研究項目,主要由一個27公裡長的超導磁體環和許多促使粒子能沿著特定方向傳播的加速結構組成,強子對撞機以及技術方面的基礎設施,都安裝在歐洲粒子物理研究所的控制中心。
在強子對撞機的內部,兩束高能粒子流在彼此相撞之前,以接近光速的速度,分別通過兩個不同的,處於超高真空狀態的光束管,向相反方向傳播。
這兩束高能粒子在強磁場的促使下圍繞加速環告訴運行,而這個強磁場正式利用超導電磁石獲得的,這些超導電磁石采用特殊電纜線制成,它們在超導狀態下進行操作,能夠有效傳導電流,幾乎沒有電阻消耗和能量損失。
而達到這種理想的超導傳輸,大約需要將磁體冷卻到零下271攝氏度,這個溫度比外太空的溫度還低,正是由於這個原因,大部分加速器都與一個液態氦分流系統和其他設備相連,而這個液態氦分流系統就是用來冷卻磁體的。
大型強子對撞機利用數千個種類不同、型號各異的磁體,給加速器周圍的粒子束指引方向,這些磁體中包括15米長的1232雙極磁體和392四極磁體。
其中,1232雙極磁體被用來彎曲粒子束,而392四極磁體每個都有5到7米長,它們被用來集中粒子流,在碰撞之前,大型強子對撞機利用另一種類型的磁體『擠壓』粒子,讓彼此靠的更近,以增加它們成功相撞的機會,這些粒子非常小,讓它們相撞,就如同讓從相距10公裡的兩地發射出來的兩根針相撞一樣。
在這些特定的條件下,最終,大型對撞機內的粒子流將在加速器環周圍的4個區域相撞,而這4個區域正好與粒子探測器的位置相對應,粒子流碰撞後,會模擬出宇宙大爆炸時的形態,宇宙如何誕生?由什麼物質構成?宇宙的未來又將如何?人類對這些奧秘的探究將更進一步。
中科院院士、中科院高能物理所所長陳和生告訴記者,毀滅地球毀滅人類的說法實際上這種可能性是根本不存在的,就在全世界的目光都在關注歐洲大型強子對撞機實驗時,在中科院高能物理所也有一臺原理類似的機器在工作,這就是北京正負電子對撞機,這臺對撞機在1984年誕生,而目前世界上只有六臺這樣的電子對撞機。
陳和生:毀滅地球毀滅人類的這種可能性是根本不存在的歐洲大型強子對撞機順利啟動,按照計劃,昨天科學家將首批質子導入大型強子對撞機的環形隧道之後,這些質子束將以逆時針方向不斷加速運動,當對撞發生的那一瞬間,產生的高溫將達到太陽溫度的10萬倍,也正是因為這些讓人難以想象的數據,國外已經有些人開始擔心,對撞機一旦失控,會不會導致吞噬地球的黑洞出現,甚至連當今全世界最著名的科學家霍金也加入到這樣的討論中來,現在試驗已經開始了二十多個小時,對撞機第一天運轉情況怎麼樣?記者也趕到了中國科學院高能物理研究所,來聽聽專家的評價。
作為大型強子對撞機試驗中CMS實驗中國組負責人,陳和生所長在實驗啟動的第一時間收到到了歐洲方面的郵件通知,隨著實驗深入,他會繼續參與項目進程,此刻,他領導的工作組成員正在日內瓦緊張的工作,那麼它目前最新的進展情況如何。
中科院院士、中科院高能物理所所長陳和生:『昨天是在一個組成的儲存環裡,他需要再等到這個兩個星期左右,第二個儲存環纔能夠,也儲存上粒子估計要到下個月中下旬纔會實現對撞,那麼它正式的落成典禮,是在十月二十一號。』
記者:『這項試驗它大概要進行多長時間?』
陳和生:『我想大概至少是十二到十五年吧,但是估計第一批重大的結果可能兩三年就會出現,小的結果可能很快出現,但是重大的結果至少要等兩三年。』
記者:『據我所知這項試驗進行的過程中會產生一些極端的高溫,極端的能量,所以有些人就擔心這個試驗過程的安全性,您對這個事情怎麼看?』
陳和生:『用中國的古話來講,叫杞人懮天,實際上在過去二十多年,高能加速器,建造的歷史當中每一個大型的加速器建成總有一些好事之徒,包括這次發難的人向法院就提出訴訟,說會毀滅地球毀滅人類,實際上這種可能性是根本不存在的,我想最近有很多介紹,類似這樣的能量規模的過程在地球每天接收到的,宇宙現實當中每天可能都有,很多這樣的事例只是說它在哪發生我們沒法預先知道,我們也不可能很好的探測。』
作為有史以來最為復雜的科學實驗,歐洲強子對撞機試驗吸引了40多個國家5000多名科學家參與,而我們國家也有將近100人參與到了這項實驗中,而就在全世界的目光都在關注歐洲大型強子對撞機實驗的時候,在中科院高能物理所也有一臺原理類似的機器在工作,這就是北京正負電子對撞機,陳和生院士帶記者來到了對撞機控制室,工作人員通過這些屏幕上的實時數據和資料,分析和觀察物理現象,這臺對撞機在1984年誕生,而目前世界上只有六臺這樣的電子對撞機。
記者:『到目前為止,正負電子對撞機產生的最有影響力的科技成果是什麼?』
陳和生:『做出來了很多世界一流的科技成果,包括發現了一些新的粒子,我想這次重要的科技成就它使得我們國家在我們所在的能量的領域,叫璨物理的研究的能量領域這個牢牢處在國際領先地位,而且我們的研究成果引導了在這個領域裡的國際方向產生了這個領域的熱點。』
北京大學物理學院教授、國家重點實驗室主任葉沿林接受我欄目專訪時稱,這一次是我們以平等伙伴的身份進入到這樣的最重要的國際合作裡面,我們制造出的裝置成為這樣一個最先進,最大型的裝置的一部分,是這一個探測器裡面相當於1%的貢獻。
中國的平等合作身份會為中國帶來怎樣的影響?雖然大型強子對撞機建在了歐洲,但它是一個寄予了全人類共同的夢想,並且由全人類共同打造的科學奇跡,你也許還不知道,這也是中國第一次以平等合作伙伴的身份,參與到國際頂尖科研項目當中,不僅有很多科學家參與了對撞機的研制和兩項主要試驗,對撞機探測器的部分結構也在中國研發,並且中國科學家今後可以分享對撞期間的研究數據,這種平等合作的身份,對提昇中國的科技實力到底會帶來什麼幫助?在與世界最頂尖科學家的互動當中,我們又得到了哪些關於中國研發和中國制造的啟發?我們也請來了北京大學物理學院的院長葉沿林教授,他正是這個尖端項目的中方核心參與者。
記者:『那麼強子對撞機對於中國的意義可能就是,中國的科學家們中國的機構第一次以平等合作伙伴的身份參與到一個重大的國際科研項目當中去,我想問問,咱們中國的貢獻在整個項目當中大概佔什麼樣的一個比重?』
北京大學物理學院教授、國家重點實驗室主任葉沿林:『這一次我體會是咱們國家政府支持,然後科學家形成群體,我們以平等伙伴的身份進入到這樣的最重要的國際合作裡面,我們國家是投資的,是給貢獻的,但這個投資不是給他們現金,是算成是我們的投資,這些投資是投資給中國的科學家,我們制造出我們的裝置,它成為這樣一個最先進,最大型的裝置的一部分,平等的在裡面運轉起來,共同獲得所需要的。我們參與的是物理的部分,就是在環上面,它有四個地方,位置上邊,有物理的實驗裝置,每一個裝置大概是3億歐元左右,四五億美元,是在這個裝置上邊的1%,在其中一個探測器,最大的那個探測器上面。』
記者:『那麼我們的貢獻在,這一個探測器裡面相當於1%的貢獻?』
葉沿林:『對。』
記者:『但是雖然這個貢獻只有1%,但是剛纔您說的,它標志著我們中國第一次開始以國家,以機構的這種身份平等地參與國際重大的合作項目,是不是意味我們最後,也可以分享更多的科學的果實和數據,那麼以前以這種打工的身份個人名義參加,我們沒法去分享到最後的科研的果實?』
葉沿林:『你說的分享這個詞兒非常准確,就是過去那種形勢去了以後,等到做這個成果的時候,你得按老板的意志來,那麼現在我們以我們這個身份去了以後,大家都簽了協議,出來的這些數據,這樣一些科學的探索的成果,我們就是平等的地位,到裡面去選擇我們想要做什麼事情,我們想要獲取什麼結果,這個地位是平等的。』
記者:『我們而且我聽說在這次項目的完成當中,韓國,還有巴基斯坦,其中韓國對於這個項目的貢獻,甚至比中國還大,但是他們都沒有如期地完成這個部件的制造,中國卻是按期完成了,並且安裝了這個部件,是嗎?』
葉沿林:『在我們這一部分是這樣的,我們承擔的,北京大學承擔的叫做阻性板探測器,這部分探測器在我們參與進去時相當的艱難,就是它當時技術不成熟,當時西方的很多國家都,第一步的時候沒有分擔這一部分,後來到中國參與進去,韓國、巴基斯坦參與進去的時候大家心裡都沒底,但是幾年做下來以後,我們探測器已經裝進去了,那韓國和巴基斯坦可能要到後邊昇級的過程當中逐步地裝上去,就是他們沒有在第一時間完成,應該這麼說。』
記者:『也可以說我們的中國科學家又一次經受住了考驗,完成了一個在科研領域的一個高精尖的這麼一個設計、制造的難題,至少是在實驗裡的中國制造難題吧?』
葉沿林:『在科學研究的這個領域,應該說必須完成,我體會起來就是說,當我們小規模地做事情的時候,我做好一個,我就把事情做下去了,可是大規模做事情的時候,它有新的問題,我們04年就做出來全尺寸的,拿去全部檢測合格,然後到大廳展覽,我們以為差不多了,實際上隨後又出現新的問題了,就是你這一個大尺寸做好了,全尺寸做好了,那300個怎麼樣,300個組裝的時候,這時候出來新的問題,我體會,這時候是個管理的問題。』
記者:『我們欄目上一次采訪英特爾董事長的時候,他曾經說過,中國的這種研發與制造,把科技轉換為生產力,他說美國的大學,美國很多最偉大的科技公司都是誕生在大學或者研究機構當中,他們的機構,機制允許他們的學校,學府,甚至研究機構去把這個一些最尖端的科技轉換為生產力,您覺得在這個方面,我們中國跟其他國家相比,是否有一定的滯後,是否有什麼值得西方國家學習的地方,把最尖端的科技轉換為生產力?』
葉沿林:『這個事情是個很復雜的問題了,我們國家實際上實踐很長了,我們這些北大的方正集團,有做的非常成功的轉換,但是我想說另一個層面,就是你剛纔說的轉換的這個事情,這個好象比較復雜,不僅僅是個技術問題,也不僅僅是科學家的問題,有很多體制方面的事情,我想說一個就是另外更直接的一個事情,就是我們盡管不做產品,我們在做基礎研究,就是說像你做一個裝置,這個裝置是不存在的,它有許多極其苛刻的,極其高精尖的這種要求,這個要求誰來實現,我們也得通過工業界,通過合作伙伴來實現,這個實現的過程當中,我們提出的問題,我們反復跟他們確定,反復交流,反復去提昇,搞的他們也非常頭疼,但是最後他實現我們的要求,我們再實現,就是集合起來實現整體的要求,對這些工業的技術的提昇,還是有直接的作用。』
半小時觀察:求知讓我們不斷成長在與參與這個項目的中國科學家交流的時候,他們曾經提到,我們研制一個高科技裝置的零部件很可能效率很高,輕松達到國際標准,但是一旦進入批量生產階段,一百個零件裡,可能八十個都是廢品。差不多就行了,這樣一種觀念,似乎還是中國科技界邁向世界巔峰的一道障礙。而且,似乎中國研發和中國制造的從業者們,過分在意最後的結果,反而容易忽略過程中的細節與精確。西方諺語說,魔鬼都在細節當中。也許,我們的注意力應該不僅僅放在如何多快好省的出結果當中,也應該全身心腳踏實地的打磨好每一個齒輪,擰緊每一顆螺絲。在更上一層樓之前,我們要確保自己的雙腳已經穩穩戰在眼前這層樓梯上。
強子對撞機預示著全人類的未來,到目前為止,真正的對撞還沒有發生,在我們等待那充滿神奇的瞬間的同時,我們也在幻想它會給我們的經濟、生活、社會帶來怎樣的改變。節目播出之前,我們特地采訪了領導強子對撞機研發的核心科學家之一、美國耶魯大學物理學教授,保羅?第普頓,他語重心長地告訴我們,強子對撞機也許不會讓你在下個月看到一個更亮的電燈泡,但是,人類從來沒有把自己掌握的知識,束之高閣。宇宙的秘密一旦打開,我們都將躍上一個新境界。(主編:張凱華記者:李萍萍、付豫、劉瑩攝像:李慧)