撰文／刘湘（上海交大物理系研究员），陈学雷（国家天文台研究员，从事宇宙学研究）

本文授权转载自陈老师博客，原按如下：本文主要由上海交大物理系的刘湘研究员撰写，其中少数内容采用了我过去写的一点东西，发表在《Newton 科学世界》2011年第3期上，责任编辑朱新娜。杂志版有很多插图我这里没有，即使有些与这里看上去相同的图，杂志社采用的版本质量也远高于此。

20世纪30年代，弗里兹·兹威基极富幻象的提出了宇宙中存在“暗物质”的假设，尽管当时不被人接受，但越来越多的证据都指向它真的存在。70多年过去了，地球上建起十几个寻找暗物质的实验室，科学家们大海捞针似的撒网，暗物质依然悬念重重。我们不得不感叹“宇宙太深奥了，不肯将‘秘密’一下子泄露给我们。”

20世纪初以来，越来越多的科学观测证据表明，在宇宙中，我们已知的物质只占有5％，剩下约25％来自暗物质，而约70％来自暗能量。可以说，暗物质和暗能量是21世纪最大的科学谜团。

[图1：虚线示意在只有可见物质情况下星系中恒星的速度，实线示意观测到的恒星速度，横轴是恒星距离星系中心的距离。]

间接证实的存在

之所以称为“暗”物质，是因为我们只能通过引力“感觉”到它，而“看”不到它。70多年前，瑞士天文学家弗里兹·兹威基（Fritz Zwicky）通过观测星系团最早发现的暗物质。兹威基研究了距离我们约两亿光年的COMA星系团，他先测量了星系团中各个星系的亮度，通过已知的亮度和质量的关系，得出了可以看见的星系团质量。接下来，他又测量了各个星系的公转速度以及他们到星系团中心的距离，通过牛顿引力定律计算出了星系团的总质量。这就类似于通过人造卫星的高度和公转速度可以计算出地球的质量。兹威基通过比较发现，引力质量比可见质量大了100倍。由于星系团中的星系具有极高的运动速度，其总的可见质量不足以约束住星系成员。星系团的总质量必须是可见质量的100倍以上。也就是说，99%以上的质量是看不见的，我们只能通过引力“感觉”到它们的存在，兹威基就将这些质量称为暗物质。对其他星系团的观测也给出了类似的结果。

尽管兹威基的结果在刚发表时许多人并不相信，但此后越来越多的、来自不同实验观测的结果都间接证实了暗物质的存在。比如，和兹威基观测星系团同样的原理，通过观测星系中恒星的公转速度，也确认了星系中有大量暗物质存在。我们的银河系中暗物质总质量是可见物质（包括发光的恒星和不发光的星际气体物质等）的20倍。此外，还有引力透镜、星系碰撞和宇宙微波背景辐射等等的观测都间接证实了暗物质的存在。

到了今天，众多的观测结果对暗物质的候选对象有了一定的限制，但至于它到底是什么还是个谜。我们知道它只参与引力作用，它不是我们今天已知的任何一种粒子，它即不发光，我们看不到它（不参与电磁相互作用），它的运动速度不能太快（是“冷”的暗物质），它甚至是不是粒子也还没有最终定论。关于暗物质究竟是什么， 研究者曾对这种物质可能的形态做过很多理论上的猜测。就目前而言，被研究得最多也是最被看好的暗物质模型是所谓弱相互作用重粒子（Weakly Interacting Massive Particle，WIMP）。这种粒子的特点是虽然没有电磁相互作用和强相互作用，但是参予弱相互作用，同时质量比质子和中子大。

WIMP之所以成为暗物质的热门候选者主要有3个原因： 首先，WIMP具有“冷暗物质”的各种性质，而基于冷暗物质的宇宙学模型与观测符合得比较好。其次，在粒子物理理论中比较容易构造出符合WIMP 特点的粒子。例如，流行的超对称理论就预言可能存在最轻超对称粒子，这种粒子如果不带电就很容易符合WIMP的特性。也就是说，WIMP不是我们单单为解释暗物质凭空想象出来的，它有很强的理论背景，目前位于欧洲原子能中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）已经开始运行，它的一个重要目的就是要找这种WIMP。最后，WIMP具有弱相互作用截面，而按照统计物理的粒子退耦理论计算，WIMP的数量也刚好和暗物质密度的观测值同一个数量级。即WIMP可以很好地放入我们今天的宇宙理论模型里。 因此，目前大部分暗物质探测实验是针对WIMP设计的。

[图2：中心螺旋状是我们所在的银河系，红蓝绿代表银河系中暗物质晕的分布。]

寻找暗物质困难重重

怎样寻找WIMP呢？有很多方法，可以在加速器上“制造”出来，也可以在天上寻找WIMP湮灭后产生的高能粒子。目前认为最可靠的一种方法是“直接”探测实验，即用一些高度灵敏的探测器来探测WIMP和探测器中原子核碰撞后的信号。暗物质粒子有弱相互作用，它就有一定的几率与探测器内的原子核碰撞。由于WIMP粒子相当重，又以每秒几百公里的速度在银河系的暗物质晕中运动，因此在这一碰撞中，便可以传递一定的能量（几十千电子伏特，keV）给被碰的原子，导致原子被电离、激发或产生晶格振动。形象些说，就是碰撞后会产生能用普通办法观测到的3种类型的信号：光、电和热。高灵敏的探测器就是要探测这些信号。碰撞事例的多少取决于暗物质的密度、质量、碰撞截面和探测器工作介质的质量。

直接探测实验非常困难，是一项非常有挑战性的工作，主要有两个原因，一个是信号太微弱，需要非常灵敏的探测器。另一个是WIMP信号太少，而其他噪声信号又太多，需要大海捞针似的把WIMP信号从噪声中挑出来。

信号太微弱，是因为WIMP和原子核碰撞传递的能量只有几十个keV。而一般的傻瓜相机拍一张照片，需要大约10¹² keV的光能量。也就是说，我们要造出比一般相机灵敏度高一千亿倍的“照相机”，才能“拍到”WIMP碰撞信号。

WIMP信号太少，是因为WIMP只有弱相互作用，此时的引力相互作用可以忽略不计，只有在星系宏观尺度上才会被“感觉”到。它只和探测器中的原子核碰撞，而且碰撞机率非常小。用一个形象的比喻，我们要用渔网捕鱼，可是渔网编织得太“稀”了，网线有1毫米粗，而网眼却有1米。碘化纳、锗、液氙等探测器物质中原子核的半径只有原子半径的千分之一，对于只和原子核碰撞的WIMP粒子确实是太稀了。更糟糕的是，要捕捞的“鱼”比1毫米还小，我们只能期望鱼碰巧撞在网结上！根据目前银河系中暗物质粒子分布的间接观测结果，我们地球附近每升空气内大概有1个WIMP粒子，而每升空气中约有3x10²² 个原子！它们相对于太阳系的速度大约每秒230公里。如果我们有一个一百公斤的探测器，每天有大概2x10¹¹ （2千亿）个WIMP粒子穿过，可是和探测器内的原子核发生碰撞的不超过10个。同时，如果探测器摆在地面上，每天会有约一百万个宇宙射线粒子（主要是其次级粒子μ子）穿过并发生反应。同时，还有同样量级的来自自然环境放射性的粒子（主要是光子和中子）。我们需要从这上百万的事例中来寻找不超过10个的WIMP信号。为了屏蔽宇宙射线，需要将探测器放入地下实验室，而且实验室越深，屏蔽宇宙射线的效果越好，实验灵敏度就越高。为了屏蔽自然环境放射性的粒子，我们就需要放射性低的实验室，同时需要用低放射性的重金属（铜、铅等）和聚乙烯塑料等把探测器包裹起来。重金属可以屏蔽外界光子，聚乙烯塑料则屏蔽外界中子。同样，屏蔽效果越好，实验灵敏度越高。暗物质粒子由于只有弱相互作用，可以轻易地穿过屏蔽，WIMP事例率不会受到影响。

[图3：XENON100实验安装过程中]

暗物质探测如火如荼

为了克服上述这些困难，国际前沿的暗物质实验都研发了各自的绝活。更为激动人心的是，有好几个实验都宣称看到了疑似信号。也许暗物质的直接探测离 我们已经不远了。当然，也存在着另外的可能，就是暗物质并非WIMP，那么这种类型的实验就探测不到。

目前处于领先地位的有DAMA、CRESST等实验，它们都有各自的高灵敏度探测器。DAMA实验位于意大利的GRAN SASSO地下实验室，选取碘化钠晶体做探测器，使用了非常灵敏的光电管来探测碰撞后产生的光信号，光电管可以探测到一个光子（肉眼在白天每秒会看到1016个光子）。中科院高能所有几位科学家是该实验组成员。DAMA经过了十几年的观测，宣布发现了WIMP的年调制信号，所谓年调制， 是指WIMP相对于太阳的速度是一定的，而地球在围绕太阳公转，因此，WIMP相对于地球的速度在冬天和夏天稍有不同，WIMP信号的事例率也会有周期一年的起伏。不过这一结果没有得到其它实验组的证实。

同样位于GRAN SASSO的CRESST实验使用钨酸钙（CaWO4）晶体作为探测器，位于美国SOUDAN地下实验室的CDMS实验使用硅晶体和锗晶体作为探测器。它们将晶体冷却到零下273度，只比绝对零度高0.05度。WIMP碰撞的热信号会造成晶体温度升高0.01度，再通过高灵敏度的“温度计”来测量温度变化。CRESST一期结果已经发表，没有找到暗物质，二期结果正在分析之中。CDMS经过一年多的观测，在2009年底发表了测量结果，宣布找到了两例疑似WIMP信号事例。尽管有一定的可能性是噪声事例，还是引起了科学界的极大关注。

美国的CoGeNT实验使用高纯锗探测器来观测WIMP碰撞产生的电信号，也发现了疑似信号事例，还有待于进一步证实。位于GRAN SASSO地下实验室的XENON100实验是目前灵敏度最高的实验之一，上海交通大学是参加实验单位之一。

XENON100使用了165公斤的液氙作为探测器，能够探测光信号和电信号，通过两者之间的比例关系，可以更有效地区分WIMP信号和外界普通粒子引起的信号，从而大大提高了实验灵敏度。在2010年初发表了1个月的观测结果，并没有看到暗物质粒子。目前该实验已经采集了一年的数据，正在紧张的进行数据分析。是否会发现暗物质粒子，大家都拭目以待。另外还有位于韩国襄阳（ Yangyang）地下实验室的KIMS实验， 使用碘化铯晶体，清华大学是其合作单位。

[图4：CRESST实验的一个CaWO4探测器晶体。]

如上所述，地下实验室是暗物质实验一个必不可少的条件。目前，国际上的地下实验室有十几个，为了避免专门挖掘地下实验室的高成本，它们都是利用已有的土建设施，基本分为两类，一类是利用废弃的矿井，比如位于加拿大Sudbury 的2000米深的SNO地下实验室，美国的700米深SOUDAN地下实验室，在建的DUSEL 地下实验室有几百米到2400米深的多个实验厅。 另一种是利用隧道，在隧道里横向挖出实验大厅。最著名的有意大利的GRAN SASSO 地下实验室，入口建在一条10公里长高速路隧道的中部，上方有1700米岩石覆盖，实验室内有3个各100米长，20米宽，20米高的实验大厅和众多的较小的实验厅和通道，内容积目前世界第一。相比矿井而言，隧道在使用上要方便得多，可以直接开车运输探测器，同时，相对于竖井的尺寸，通常隧道直径要大的多，减少了对探测器大小的限制。但是，隧道的深度受到山高的限制，对于比较短的隧道而言，还要考虑从山侧穿入的宇宙线。因此，要找到大埋深的长隧道并不是那么容易的事。

[图5：加拿大SNO地下实验室和SNO太阳中微子实验]

[图6：意大利GRAN SASSO地下实验室的A厅]

锦屏地下实验室：具备世界最好条件

在我国四川西昌地区的锦屏山有条件极好的隧道。 为了利用雅砻江的水能资源，二滩水电公司正在锦屏山附近修建水电站。雅砻江在这里有一个U字形的大转弯，长达二百多公里，然而直线距离不过二十多公里。填充U字形中心的是海拔四千多米、相对高差两千五百多米的锦屏山。为了方便水电工程建设，二滩公司在这里钻了两条长 17.5公里的交通隧道，供施工车辆通行，其中一条已经投入使用。这条隧道上方覆盖着2.5公里厚的岩层，是世界第二深的隧道。经过清华大学的沟通和协助，二滩公司经过3个多月的努力，在隧道正中横向挖出了一个实验大厅。此后，清华大学组织完成了实验室的土建、电力、安全、监控、网络等的安装，在大厅墙壁上涂了防氡漆， 以尽量阻断岩体释放有放射性的氡气。还计划建立空气洁净系统，排除灰尘和汽车尾气等杂质微粒。总之，要尽量排除环境对实验的干扰。

[图7：锦屏地下实验室示意图 ]

2010年12月，中国锦屏极深地下暗物质实验室正式挂牌。该地下实验室有一个40米长，6.5米宽，8.5米高的实验大厅，尽管目前大厅总容积不是很大，但它是目前世界上条件最好的地下实验室：首先，它是当前世界上最深的地下实验室，上方有2.5公里岩层覆盖，宇宙射线通量最少，每平方米每周只有一个μ子通过，比意大利GRAN SASSO实验室小300倍。其次，地下实验室所在处不是花岗岩，而是大理岩，其自然放射性相当低，实验检测发现其天然放射性比洞外的岩石都低，和意大利GRAN SASSO的岩石相比，放射性元素铀的含量低了3倍。这些都为暗物质直接探测实验提供了非常好的条件。目前地下实验室的各个物理参数，包括宇宙射线通量、光子和中子的通量，都在测量之中。

[图8：CDEX实验所用的超低能量域高纯锗探测器]

该实验室内目前计划有两个暗物质实验。CDEX（China Dark matter Experiment）实验组由来自清华大学、四川大学、原子能院和台湾中央研究院等高校和科研机构的物理学家组成，第一步计划使用10公斤的超低能量域高纯锗点接触探测器来寻找轻质量的WIMP粒子，周围的屏蔽体由1米厚聚乙烯，20厘米厚铅，20厘米厚含硼聚乙烯和10厘米厚铜组成，将绝大部分外界光子和中子“拒之门外”。目前该实验已经在试运行阶段。另一个实验PANDAX（Particle AND Astroparticle Xenon observatory）由上海交通大学、山东大学和上海应用物理研究所以及北京大学组成，第一步计划使用300公斤的液氙探测器来寻找质量较重的WIMP粒子。目前正在紧张的设计制造之中，也会用到60厘米厚的聚乙烯，20厘米厚铅和10厘米厚铜做屏蔽体。预计2011年3月开始搭建。这两个暗物质实验组都具有国际一流的科研实力。同时，中科院高能物理研究所也正在开展地下暗物质实验的研究。所有这些都标志着，中国物理学界为进入世界一流暗物质实验行列，已经迈出了坚实的第一步。

[图9：PANDAX实验设计的探测器和屏蔽体]

虽然从目前来看，我们还不能看出暗物质或暗能量的直接应用价值是什么，但是，这二者加起来占了宇宙总密度的95%，这说明它们是极其普遍的现象。此外，这二者的存在对整个科学理论都是挑战。因此，对暗物质暗能量的研究是极有意义的。这很像20世纪初的“两朵乌云”（以太说和黑体辐射）推翻了经典物理理论，催生了量子力学和相对论，当时的科学家并不知道量子力学和相对论会有什么实际的作用，但今天它们对人们的日常生活有很大影响。现在，暗物质和暗能量这两朵新的乌云，又会带来什么样的翻天覆地的变化，让我们拭目以待。

【亲历“世界最大科学实验”】 之 新发现

CERN科学家捕获反氢原子

抓住“反物质”

欧洲核子研究中心（CERN）是一个庞大的科研机构，除了LHC的相关实验之外，还有上百个实验在同时进行，而大部分的实验，最终的目的都是一个：解开宇宙起源之谜。我们知道建造LHC的最主要目的是为了寻找闻名却未见的希格斯子，但CERN还有很多其他的事情要做。比如说按照现行理论，宇宙大爆炸时同时出现了物质和反物质，但是两者却无法共存，但为什么今天的宇宙只有物质但没有反物质呢？反物质到底是什么东西？随着技术的进步，这也成了物理界越来越引人注意的话题。

11月底，CERN发布的一个突破性消息引起了人们的广泛关注。反氢激光物理设备（ALPHA）坐落于CERN的主楼群，仅有40位科学家为此工作。正是他们首次长时间捕捉到了反物质。尽管这个发现借用了LHC的成果，但其实验和LHC的思想完全相反，不是加速，而是“减速”。

对称定律解释世界

反氢原子。图/CERN

和其它物理界的发现一样，反物质首先也是“思想实验”。早在79年前，英国物理学家狄拉克就试图把量子理论和狭义相对论结合在一起。这是两个互不兼容的基本物理理论。狄拉克发现，反物质必定存在。1932年，人们在实验中寻找到了狄拉克设想的正电子，其质量、带电量与电子完全相同，只不过它带的是正电（电子带负电荷）。

随后，人们逐渐发现了各种基本粒子对应的反物质。“反物质就像是物质在镜子中的像。它和对应基本粒子的质量完全一样，却具有相反的其他量子性质。”ALPHA实验发言人杰弗瑞（Jeffrey Hangst）在接受本报记者采访时说，“质子带正电，反质子带负电；电子带负电，正电子带正电……”

按照目前解释微观世界最好的理论模型，宇宙大爆炸时，同时产生了物质和反物质。今天，NASA的天文学家们也观察到，在遥远的宇宙区域———也就是我们所能看到的早期的宇宙，似乎存在物质和反物质碰撞后产生的伽玛射线踪迹。不过今天的宇宙却是由物质而非反物质组成的。“自然选择了物质，反物质似乎消失了。没有人知道为什么。”

宏观世界中，很多东西都是对称的。微观世界也是这样。在“标准模型”中，有着一个对称定律，认为量子场论方程所有允许的解，都依据这个对称定律，物质所遵循的物理法则，反物质也同样遵循。这个对称定律由三个字母组成：C、P、T，它们意味着三方面的对称：电荷共轭变换、宇称（左右）、时间反演。在随后的岁月中，不少物理学家们靠研究对称性问题拿下了nbl奖。其中很多人研究的是“对称破坏”，即在一些物理过程中，一些对称性（特别是C和P的对称）被破坏了。

“CP对称破坏”是描述今天宇宙中物质数量超过反物质的重要解释之一。目前，有很多科学实验都在对这个现象进行验证，希望通过反物质研究了解到对称性定律及标准模型的有效性。

最冷的反物质

ALPHA实验室全景。图/CERN

两个反氢原子的原料分别是这么制作的，将定向质子束射向一小片铱，高能碰撞会生成反质子，再加以分阶段冷却。由放射性钠衰变产生正电子也加以冷却。“我们借用了对撞机中产生的反氢质子，所以我们还是依附于CERN的实验。但设备和实验都是我们自己设计。”杰弗瑞告诉本报记者。

在ALPHA 并不大的实验室里，层层的管道连到磁场上方的探测器。在这里工作的科学家设计了一个改变速度的设备。它并不是另一个加速器，而是一个减速器。科学家将已有的反质子和正电子放在一起，令其生成反氢原子，然后让它逐渐减速，以便在一个像浴缸一样的磁场中将其“捕获”。

反物质无法与物质共存，因为两者一旦接触，便会同时消失并转化为能量，转化的能量形式如光子，这个过程用术语叫做“湮灭”。该过程产生的能量十分巨大。

ALPHA的实验结果却跨过了这个门槛。首先，实验必须在真空中进行，科学家设计了一个真空管道，排除了绝大部分的空气物质。反氢原子是中性的，没法通过电荷来捕获，怎么逮住它呢？杰弗瑞介绍，尽管电中性，反氢原子还是带有微弱的磁场，可以对磁场做出反应。

在热力学上，温度体现的是物质粒子的动能。理论上说，如果物质粒子达到绝对零度时，它应该完全静止。所以，温度越低，粒子的速度越慢。科学家们让来自 LHC的高能反氢质子减速冷却，最后让-70℃左右的反质子束和更冷的正电子束进行对撞，一些反质子和正电子结合形成了反氢原子。如果说LHC的目的是令粒子更快、更热、更重，那这个实验中，原子则变得更冷更慢，其中速度最慢的反原子，温度仅有-272.5℃。

这些超级冷的反原子，最后“陷”入了一个超导磁铁构成的“磁场缸”里。“磁场越强，抓住的反原子也越多。”杰弗瑞说。他们共运行了335次实验，由1000万个反质子和7亿个正电子结合。产生的反氢原子中，有38个被捕获。

要观察被“囚”的反物质的存在，唯一的方法就是“释放”它。0.17秒后，科学家们关闭了磁场，反氢原子迅即与氢原子碰撞，湮灭无踪。探测装置及时地记录下了这38次能量爆炸。这些爆炸都发生在反氢原子和产生磁场的缸状容器壁上。反物质和物质湮灭后形成了新的粒子。实验中，新产生的粒子是名为π介子的亚原子粒子。

杰弗瑞说，这是科学家第一次长时间“逮住”反物质。LHCb这样的高能粒子实验是没法捕捉反物质的，因为高能量的反粒子会迅速与实验设备相撞而消失，唯一能困住的，是低能、寒冷、运动缓慢的反粒子。

反物质不会炸毁地球

在高能物理的反物质实验如LHCb，主要的实验目的是寻找宇宙初期为何物质战胜了反物质而存在。另一些反物质实验，如CERN的另一实验ATHENA，主要研究反物质和引力的关系，而ALPHA的主要目的是研究标准模型是否能够同样作用于反物质。

标准模型认为，反物质和物质遵循一样的物理原则，比如反粒子应该和对应的粒子一样能够吸收同样的光的颜色。因此，此次科学小组用激光照在反物质上，准备探究其是否和对应的物质一样吸收同样的光波。

“到目前为止，在量子层面上，‘CPT对称定律’都表现得很好。但对于反物质，人们从来没有在原子核层面测量过其对称问题。”杰弗瑞说，“我们不知道为什么自然选择了物质而不是反物质，也不知道标准模型是否能够应用在反物质系统，或许标准模型能够在反物质中被证实，或许我们会寻找到惊喜，因为我们不知道物理会往哪儿走。”

捕捉反物质的技术正在突飞猛进。杰弗瑞表示，明年年初，他们将能够捕获更多的反原子。CERN的另一个实验项目ASACUSA，最近也在他们实验的基础上，通过新技术，将反氢原子引导到一个真空管中研究飞行速度。这个实验的目的是制造足够多的反物质，研究其运动行为。

即使这样，反物质的取得基本上还是只存在于实验室。79年前，狄拉克第一次提出了反物质的想法，这个名字就开始进入科幻小说。15年前，科学家制造出了反物质，但直到今天，人们才第一次较长时间捕捉到了反物质。虽然动用了大量昂贵的超导磁铁，科学家也只逮住38个反氢原子，技术之艰难可见一斑。因此，对于媒体与文艺作品描述的，将反物质作用于航空、军事等领域的设想，杰弗瑞表示这完全是天方夜谭，离科学现实还远得很。

“要造出《星际迷航》或者《天使与魔鬼》中所描述的那么多反物质，我们所需要的时间甚至会超过宇宙的寿命。而且，为制造它们而消耗的能量要比它们最后产生的能量还要大。”他补充说，在小说《天使与魔鬼》中，就提到了ALPHA实验使用的低能反物质。在拍摄同名电影的时候，导演曾来CERN咨询相关科学细节，但最终还是为了保证良好的视觉效果，将故事嫁接在了LHC上———实际上，LHC是根本无法保留住反物质的。

另一方面，反物质研究可以推动技术进步。今天，反物质已经在医学上的正子放射断层扫描仪（PET）中发挥作用。但真正研究反物质的目的，还在于科学追求真理的本质。“人类的好奇心永远无止境，我们想要知道宇宙爆炸时到底发生了什么。”杰弗瑞说。

本版采写/本报记者 金煜

稀里糊涂，做一回“对撞机之父”

这项工作是在核物理研究进入关键阶段的历史大背景上完成的，因此意义非凡。1919年，英国科学家厄内斯特•卢瑟福（Ernest Rutherford，1871~1937）用天然放射源中的高速α粒子束作为“炮弹”轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应，发现了质子，从此之后人们寻求更高能量粒子来作为“炮弹”、求搞清原子核内部复杂结构的决心一发不可收拾。但在1928年之前，实验室中用于加速粒子的主要设备是变压器和整流器、冲击产生器、静电产生器、特斯拉线圈等，全都是高电压环境，对绝缘的要求特别严苛。受绝缘材料所限，粒子产生的速度也非常有限，直到美国加州大学伯克利分校的物理副教授厄内斯特•劳伦斯（Ernest Lawrence，1901~1958）读到维德罗的文章那一刻，这个问题才迎刃而解。劳氏后因发明能够大大提升粒子速度的回旋加速器而获得1939年诺贝尔物理奖，不过这个奖因为二战的缘故，一直推迟到1951年才颁发，在领奖演说中他非常诚实地提到维德罗对自己的启发：

“1929年初的一个晚上，当我正在大学图书馆浏览期刊时，无意中发现在一本德文电气工程杂志上有一篇维德罗的论文，讨论正离子的多次加速问题。我读德文不太容易，只能看看插图和仪器照片。从文章中列出的各项数据，我就明确了他处理这个问题的一般方法，即在连成一条线的圆柱形电极上加一适当的无线电频率振荡电压，以使正离子得到多次加速。这一新思想立即使我感到找着了真正的答案，解答了我一直在寻找的加速正离子的技术问题。我没有更进一步阅读这篇文章，马上停下来估算把质子加速到一百万电子伏的直线加速器一般特性该是怎样。简单计算表明，加速器的管路要好几米长，这样的长度在当时作为实验室之用已是过于庞大了。于是我就问自己这样的问题：不用直线上那许多圆柱形电极，可不可以靠适当的磁场装置，只用两个电极，让正离子一次一次地来往于电极之间？再稍加分析，证明均匀磁场恰好有合适的特性，在磁场中转圈的离子，其角速度与能量无关。这样它们就可以以某一频率与一振荡电场共振，在适当的空心电极之间来回转圈。这个频率后来叫做‘回旋频率’。”

厄内斯特•劳伦斯

维德罗在1943年申请了一项“对撞存储环”专利，1945年又提交了一个完整的“同步加速器原理”专利，这个生前基本上默默无闻、本分地教书做实验的物理学家和发明家在身后被人誉为“对撞机之父”。他也许不会想到，自己当年已经伸手拉开了一场场轰轰烈烈的粒子对撞大戏之序幕，只可惜，同时代的人们没有注意到他这个动作。

费米的梦想太烧钱，怎样才能少烧一点？

对撞，指的是让高速的带电粒子迎头碰上，对当代物理而言，这是一种重要的探索手段。不过早期的物理学家包括劳伦斯在内都未曾意识到“对撞”概念的高妙所在，他们在很长一段时间内延续了卢瑟福的做法——用高速粒子去轰击一块静止的“靶”，然后研究所产生次级粒子的动量、方向、电荷、数量等。自卢瑟福轰开氮核以来，世界诞生了一门新学科：原子物理。它的出现是为了向人们揭示宇宙间所有物质与能量的基本要素，从事这个行当的研究者都深深地执着于用某种方式把原子打碎再打碎，以求向微观再微观挺进。要达到这个目的，就非得借助高能量加速器不可，它所提供的能够有效打碎粒子的能量被称为质心系能量，劳伦斯的机器虽然能够提供超过天然放射源的能量水平（20兆电子伏），但还远远不够。1945年，前苏联科学家和美国科学家各自独立发现了自动稳相原理，基于此原理，一系列能够突破回旋加速器能量限制的新型稳相加速器又诞生了，但若想继续提高能量，还是受到了所用磁铁的重量和造价所限。很快地，7年后，强聚焦原理的发现使得真空盒尺寸和磁铁的造价大大降低，加速器有了向更高能量发展的可能。美国劳伦斯国家实验室1954年建成弱聚焦质子同步加速器能量达到了62亿电子伏，而1960年布鲁克海文国家实验室的强聚焦质子同步加速器则提高到了330亿电子伏。

这对于人们揭开微观世界更真实一面所需的能量来说，还是远远不够的。比如说，著名的意大利物理学家恩里科•费米（Enrico Fermi，1901~1954）在去世那年提出了一个质心系能量为3万亿电子伏的加速器的梦想，根据计算，倘若采用束流与静止靶中的质子相互作用的方式，这台同步加速器的偏转半径约为 8千公里，比地球半径还要大，当时估出造价为1700亿美元，需40年建成。显然，造这么个东西会被地球人民用唾沫淹死的。

恩里科•费米

终于，1960年，奥地利人布鲁诺•陶歇克（Bruno Touschek，1921~1978）把对撞原理搬到了台面上，实验物理学家们犹如醍醐灌顶，纷纷感叹觉悟得太晚——很显然嘛，用一辆开着的车去撞一辆静止的车，怎么能比得上让两辆对开的车迎头相碰来得过瘾呢？

1962年，意大利Frascati国家实验室建成了直径约1米的AdA对撞机。

现代高能加速器基本都以对撞机的形式出现，对撞机把产生高能反应的等效能量从万亿电子伏能又提高了3个数量级。自世界上建造第一台加速器以来，70多年之中，加速器所能提供的能量大致提高了9个数量级，同时每单位能量的造价降低了约4个数量级，如此发展速度在所有科学领域都堪称罕见。随着加速器能量不断提高，人类对微观物质世界的认识也逐步深入，世界各国迄今已经建造了27个大型对撞机，粒子物理研究在20世纪50~80年代经历了一个黄金时期。几乎每隔一段日子，就会有实验室中会冲出大呼小叫的几个人：我们发现了XX子啦！

LHC能干啥？以及，LHC想干啥？

毫无疑问，过去两年多时间里，欧洲核子中心（CERN）在法瑞边境建造的大型强子对撞机（LHC）成为了整个世界的瞩目焦点，不仅科研界，甚至媒体界和娱乐界也对其青眼有加。这个大家伙到底用来什么？我们不妨来看看它的两个大型探测器和两个中型探测器被赋予了什么任务：紧凑型μ子螺旋磁场探测器简称CMS，用于寻找希格斯玻色子（这种粒子能够解释为什么宇宙中的所有物质都有质量，是粒子标准模型中迄今唯一没有找到的一种）、额外维度以及暗物质粒子；环型LHC实验探测器简称ALICE，是一个有望观察到类似于大爆炸后宇宙初期形态的部分；超环面仪器简称ATLAS，实验目的与CMS一样，但两者磁铁系统采用了完全不同的技术和设计；LHC底夸克探测器简称LHCb，目标是探索物质和反物质之间微小差别，主要研究CP破坏，探测高能区的新物理现象，将有助于我们理解为何自己生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。

从LHC身上，大致可以看出物理学家眼巴巴求的是什么，他们致力于找到如下问题的答案：物质是如何获得质量的？宇宙不可见的96%是什么？为什么自然界中几乎只有正物质，反物质去了哪里？自宇宙诞生以来物质如何演化？

事实上，帮助解开这些问号的工具绝非区区一个LHC而已，其他对撞机能起到的作用也不容忽视。

对手也是帮手，梦想可能是幻想

先从Tevatron谈起吧，它是LHC之前的世界最高能量质子对撞机，费米实验室的物理学家们为了找到顶夸克于1979年建造了这台机器，在一个6.3公里长的地下环中将质子与反质子加速，并使它们发生对撞。夸克是构成质子、中子、介子等亚原子粒子的基本单元，其中顶夸克和底夸克是质量最大的，底夸克由费米实验室利用原有的环状加速器在1977年发现，而要想找到顶夸克，必须把质子和反质子的能量提高5~15亿电子伏，由此促成了这台新机器的诞生。1995年，Tevatron不负众望捕获到了顶夸克的踪迹，这成为其运转历程中的辉煌一笔，但很快地，它能否进一步发展却受到了质疑。特别是在更高能量的LHC开始筹建之后，能不能先于LHC找到希格斯玻色子几乎成了它唯一的目标所系。美国政府在2001年花了数亿美金对Tevatron进行了升级，去年又宣布让它运行到2011年，这一切都表明了美国人不甘被欧洲人甩下的决心，并且他们也不断爆出“叫板”言行。2007年年初，费米实验室宣布了一项针对亚原子粒子——W玻色子的质量测量，新数据与之前估计相符，但是更趋向于该范围的上限。这项工作同时降低了人们对希格斯玻色子质量的预测值，由此，该粒子的能量上限从1660亿电子伏降到1530亿电子伏，这一结果让Tevatron科学家们重新相信自己有机会找到希格斯玻色子。2008年10月，他们又放出消息称，Tevatron运行过程中出现了一群不知从何而来的神秘粒子，即一些多余的μ子（电子的“亲属”，比电子重），可能性之一是它们来自一个更重的、仍未被发现的粒子的衰变，这种粒子或与占宇宙85%的暗物质有关。另一解释来自弦理论，弦理论认为宇宙是10维的，更高维度的“膜”表面居住着像弦一样的粒子，与3维空间的联系并不密切，因此在数据中会出现一些模糊信息。无论如何，这两种解释都有新物理的意味在内，深深地表明了Tevatron 一家的姿态：我们老则老矣，尚能饭。

这里再讲一桩憾事，其实早在1993年，美国国会曾停止了一项继续投建超导超级对撞机SSC的计划，这个流产的对撞机预期能量达到了40万亿电子伏，达到了LHC承诺的3倍以上，而在中止的时候它已经花去了20亿美元。直至今日，很多人提到SSC还忍不住扼腕叹息。

Tevatron

RHIC

另一个值得关注的对撞机是美国布鲁克海文国家实验室相对论重离子对撞机RHIC，这台建成于1999年的机器是目前世界上唯一的一台重离子对撞机，它可以让从质子直到金离子的各种离子分别在两个独立超导储存环中积累、加速、储存，并在六个对撞点交叉对撞，旨在重现宇宙大爆炸后的早期现象，研究重离子对撞后产生的夸克-胶子等离子体等复杂的现象。在现有物质中，夸克被约束在质子和中子内，无法被独立观察到，模型预测夸克-胶子等离子体宇宙大爆炸后仅几微秒内存在的一种物质。RHIC从2000年6月起让金原子核以接近光速相撞，希望通过如此方式产生巨大能量和温度来“融解”质子和中子，使夸克以自由形态得以释放。2005年4月，在RHIC上开展实验的四个合作探测器组对外发表报道称，他们制造出了一种新的热密度物质态——不像预期的自由夸克和胶子的气体那样飞散，而看起来更像一种“完美的”液体。这是不是就是早期宇宙的状态呢？

LHC让Tevatron感到日子不好过，而另一个在酝酿中的对撞机也让LHC非常有紧迫感，那就是ILC。LHC研究的是质子对撞，因为质子是夸克组成的，所以注定了这种对撞不“干净”，无法确定对撞时每个夸克各携带了多少能量，难以确定对撞所产生新粒子的性质，所以即便LHC找到了希格斯玻色子，也只能去通过更精密的机器才能去确定它的重要属性，对于科学家来说，这些宝贵信息值得付出高额代价去换取。价码？他们开出了67亿美元——这是建造一台让正负电子在其中对撞的直线对撞机的最低起价。为什么选用电子呢？因为电子本身就是不可再分的基本粒子，其对撞时携带的能量可以精确测定。世界上第一台直线对撞机是美国斯坦福直线加速器中心的SLC（能量不是很高），在这以后，多个直线对撞机方案被设计出来，形成了低温超导和常温常规两种加速结构之争，2004年在北京举行的第27届国际高能物理大会上，低温超导方确定无疑地胜出了。据称，国际直线对撞机ILC将建造在总长约40公里的地下隧道中，由两台大型超导直线加速器分别将正负电子加速到2500亿电子伏的能量，对撞时质心系能量达到5000亿电子伏，以后还将扩展到1万亿电子伏。就ILC而言，构成最大悬念的问题在于：建在哪儿？看起来这庞大而昂贵的家伙还是很抢手的，CERN、费米实验室和日本高能加速器研究机构KEK均表现出了极大兴趣，俄罗斯和英国跃跃欲试，甚至一些中国科学家也提议说来吧让咱们来，不过，很有可能只是一个美丽的幻想而已。

感谢松鼠Sheldon提供几处修改意见。

本文已发表于《科幻世界》，有删改。

大型强子对撞机(LHC)是迄今最强的粒子对撞机，位于瑞士日内瓦附近，目地之一是寻找Higgs粒子，理论中Higgs粒子被认为赋予了其它亚原子粒子比如电子以质量。

2008年9月份的事故使得LHC运行推迟了1年，为了防止出更多问题，运行后的能量被设定为7万亿电子伏。LHC原计划在2011年底停止运行，然后用15个月做修整以达到设计的最高能量14万亿电子伏（TeV）。

现在LHC管理者计划让LHC运行到2012年底，以提高找到Higgs粒子的机会。

美国伊利诺伊费米实验室的万亿电子伏特对撞机（Tevatron collider）原本计划在2011年9月停止运行，而今年9、10月间人们提议让这台对撞机运行到2014年底。尽管费米实验室这台对撞机的能量(2万亿电子伏)不如LHC，但其运行时间更长，收集到了更多数据，这是一个优势。

2台对撞机延长运行时间的提议都还要等待批准，明年1月24-28日，LHC物理学家将在法国霞慕尼一个会议上做出是否延长LHC运行时间的最终决定。

来源：《自然》网站12月10日报道、《新科学家》网站12月13日报道

就在前几天，大型强子对撞机(LHC)制造出了迷你版宇宙大爆炸，产生了一个温度为太阳核心温度100万倍的火球。英国理论物理学家John Ellis从1978年起在欧洲核子研究中心(CERN)工作，他撰文解释了这次LHC创造迷你版“宇宙大爆炸”实验的意义：

大型强子对撞机(LHC)中进行的科学实验并没有重现大爆炸，但确实成功地重新制造了大爆炸后、极短时间中宇宙在一个非常小的尺度内的情况。

从现在起，LHC的运行进入了一个新阶段，探索新物质状态。迄今为止，LHC设备一直被用作一台超级显微镜，通过粒子之间的高能对撞，探究物质的最基本结构。在接下来的几周中，LHC将进行铅原子核高能对撞实验，每次对撞都将包括大量粒子，目的是了解大量高能粒子同时对撞时会出现什么新现象。

理论物理学家预言，在LHC铅离子对撞(Lead-Lead Collision)实验中的高密度和高压力条件下，会出现新的物质状态，即夸克-胶子等离子体。在这种物质状态中，夸克和胶子将脱离单个核子的束缚，就好比在等离子电视中电子从原子中脱离开一样。看等离子电视时，其实就是看到了这种电磁等离子体发出的光。类似地，“大型离子撞击试验探测器”(ALICE)和LHC中的其它实验设备，将会用于监测高能铅离子对撞时发出的粒子，寻找证据来验证或推翻夸克-胶子等离子体的存在。

这些实验可能能提供探索基本物理理论的途径，包括一些由弦理论所提出的观点。还可能为宇宙早期演化提供新线索。宇宙学家们预期，如果夸克-胶子等离子体真的存在，那么极早期宇宙，即宇宙大爆炸后不超过1微秒(一百万分之一秒)时，宇宙中应当充斥着这种物质状态。 因此从这一角度看，这次的LHC铅离子对撞实验将对这个阶段的宇宙状态提供新的线索，而这个阶段的宇宙状态无疑强烈影响了后来的宇宙历史。

等离子理论学家们的观点是否正确？弦理论正确吗？宇宙学家们说得对么？LHC实验将能很快提供一些答案。

来源：《每日电讯报》11月8日报道、《环球科学》网站11月10日报道

图片来自：《每日电讯报》网站