新世纪物理学前程似锦_从lhc即将运转说起

《新世纪物理学前程似锦_从lhc即将运转说起》由会员分享，可在线阅读，更多相关《新世纪物理学前程似锦_从lhc即将运转说起（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、世界科学2 0 0 7 . 5 欧 洲 核 子 研 究 中 心(C E R N) 的大型强子对撞机 (L H C) 预计年 内竣工,这确是2 0 0 7年世界科技 界的一件大事。物理学家对于它 运转后可能获得的一系列重大发 现,满怀着美好的憧憬和急切的 期盼。因为理论上的突破、 建树、 延拓,离不开实验实践的步步深 入;尤其是一些标志性仪器的创 制,对实验探索和理论研究至为 关键。凡大型的加速器, 往往是粒 子物理发展的必要凭借,也是其 发展水准的标志之一。L H C当然如 此, 它甚或预示: 由相对论和量子 理论之百年辉煌所造就的现代物 理学,还会在本世纪迎来其基本 理论之深层研究的热潮。

2、窥探大自然奥秘的新窗口 众所周知,绝大部分微观粒 子是在加速器里发现的。经过加 速和碰撞, 实现粒子反应, 产生新 粒子, 并探测粒子的性状、 结构以 及相互作用机制。利用加速器, 不 仅会发现新粒子, 而且可验证、 并 由以修缮、 扩充相关的理论模型。 譬如说,C E R N的超质子同步加速 器( S P S ) 于 1 9 8 3年发现了传 递弱 相互作用的中间玻色子W和Z 0, 则便证实了弱-电统一理论; 美国 费米实验室的太电子伏 (T e V ) 质 子-反 质 子 对 撞 机 (T e v a t r o n )于 1 9 9 5年 发 现 了 第 六 种 最 重 的 夸 克顶夸克

3、 (t) , 由以扩充了夸 克模型, 并确认物质的 “基底” 粒 子 层 次夸 克-轻 子 共 有 三 “代”(六个夸克, 偕同六个相应的 轻子, 组成三代)。这两台加速器 的能量标度分别高于W、Z玻色子 和t夸克的质量。后来, 在T e v a t r o n 等加速器里,没有产生质量比t更 大的夸克和其他特异粒子。 L H C里的质子束可加速到极 其接近于光速、质子的碰撞能量 高达1 4 T e V ( 1 T e V = 1 0 3 G e V = 1 0 1 2 e V ), 此 标 度 比T e v a t r o n提 高 了 约 十 倍 (这一点至关重要) 。L H C当然是世

4、界上迄今最庞大、最高超的加速 器, 乃由三十几个国家出资、 几千 名科技专家合作建造。2 7千米周 长的环形隧道中安装两个管道, 两 质 子 束 分 别 沿 两 管 道 反 向 穿 行, 加速后对头碰撞。质子是一种 强子, 质量较大的强子 (或离子) 经加速和对撞,所产生新粒子的 质量必然很大。又配有四个非常 精致、 灵敏度极高的探测器, 中国 科学家也参与其研制。束流达到 1 0 3 4个质子/ 厘米2的甚高亮度, 质 子-质子相互作用的速率为1 0 9个 事件/秒。而每个事件竟会产生1 0 6 信息组的数据; 筛选、 分析如此大 量的数据,则就要求目前已相当 发达的电子信息技术“更上一层

5、楼” 。再者, 那么长环形管道四周 置有能产生甚强磁场的超导电磁 铁, 须用1 . 9K(即约为- 2 7 1 ) 的 液氦 (有7 0万升之多) 冷却, 如此 大规模的极低温设施实属罕见。 这里且对L H C稍作介绍,以资说 明: 建造这台 “顶级” 加速器, 不单 是粒子物理高度发展的标志, 也 算得当今高科技、“大科学”的一 个里程碑式的宏伟工程。 L H C即将运转。 物理学家对它 期望颇高,主要有如下几项。其 一,或许会有质量大于t夸克的新 夸克产生, 那末, 已发现的三代夸 克-轻子的 “代” 数就该突破, 抑或 有四代或更多代?其二, 致使W、Z 玻色子等粒子获得质量的假设希 格

6、 斯 场 的 量 子希 格 斯 粒 子 , 其质量预言值正在L H C所达到的 能量范围, 似当出现。其三, 所有 已发现粒子的超对称对偶粒子隐 蔽很深, 不仅质量较大, 而且有特 异的性状和相互作用机制,L H C能 否使其崭露其容、即便只是寻觅 到 间 接 地 证 明 其 存 在 的 隐 约 踪 影?其四, 与以往已实现的粒子碰 撞反应相比,L H C对撞反应所产生 的物质气泡, 其密度会更大、 温度 会更高, 能量达到1 0 3 T e V ,可能 与 大爆炸后一瞬间的早期宇宙状态 相仿佛。其五,L H C或许会产生多 种新的特异粒子 (包括超对称对 新世纪物理学前程似锦 从L H C

7、即将运转说起 沈 葹 物 理 学 2 世界科学2 0 0 7 . 5 偶粒子) , 并披露其特异相互作用 机制, 则为所谓的暗物质、 暗能量 乃至真空背景的微观机理提供较 为确切的解释。凡此种种, 都联系 着大自然的深层奥秘, 涉及宏观、 微观、宇观各个物质层面;L H C乃 是窥探这大自然奥秘的新窗口。 搜索、扩展粒子世界的 宽阔疆域 一 切 物 质 都 由 微 观 粒 子 构 成,粒子所相应的量子场是物质 存在的最基本形式。粒子的产生 和湮没,乃粒子物理和量子场论 的重要概念;通过高能粒子反应 产生重粒子,其实是量子场论与 狭义相对论的质能相当原理相结 合的推理结论。基于此, 加速器工 程

8、的改进和增建,不断地提高其 能量标度, 则便使有目的地搜索、 扩展粒子世界的宽阔疆域成为可 能。仅凭这一点, 就足以证明, 相 对论和量子理论有无限深厚的物 质基础和真理涵容,尚待进一步 探索、 更充分地展示。诚然, 这两 个伟大理论之形式结合的结晶, 不限于上述之推理结论, 相对论量 子力学、 量子场论本身、 量子统一 理论等皆然; 的确, 现代物理的基 本理论研究已趋于深入。然而, 所 谓 “形式结合” 者, 意指这两个理论 的概念基础、 基本观念相互抵牾。 就量子统一理论而言, 从1 9 6 0 年代起, 弱-电统一理论、 强作用 和弱作用、 电磁作用的 “大统一” 理论先后告捷,后者又

9、称为粒子 物理标准模型。虽然成功, 却有美 中不足之处,比如所假设的希格 斯粒子等尚未发现。进而, 包括引 力在内的四种相互作用的“超统 一” 理论以 “超弦-超膜” 理论为首 选模型, 也受到普遍关注。该理论 还被有些人称作 “万物论” , 因为 它将所有已知的实物粒子及其相 互作用场都囊括无遗,甚至还导 出引力场和黑洞的量子性状。那 末,本已容纳狭义相对论之一些 原理的量子场论与广义相对论亦 便结合一体。所谓 “超” 者, 假设每 种粒子都有其超对称对偶粒子; 又假设直观的三维空间扩张成非 直观的高维超空间,弦和膜即为 其中的量子客体。看来,L H C首先 要承担的重任是,搜索希格斯粒 子

10、和超对称对偶粒子、尽可能辨 认从高维空间紧缩并呈现为三维 空间的 “蛛丝马迹” 。 L H C倘若搜索到比t夸克更重 的新夸克, 因 “夸克禁闭” 之故, 谅 必以强子喷注的形式显示。物理 学 家 希 望 有 很 多 未 知 的 强 子 露 面,希望L H C展现一个品种增添 而 繁 富 得 多 的 “ 粒 子 动 物 园 ” ; 最期盼出现的是特异粒子和特异 相互作用机制,因为这关系到对 宇宙早期的具体面貌以及对宏观 尺度的真空背景的物质构成这两 方面的细致探讨。其实,标准模 型和弦-膜模型已预言数量可观 的未知粒子和未知相互作用 包 括 非 常 规 的 粒 子 和 相 互 作 用可能出现。

11、所以,无论从 基 本 原 理 还 是 具 体 理 论 模 型 来 看,无论从理论研究结论还是实 验探索成果来看,无论从微观层 面还是宇观和宏观层面来看, 粒 子世界的疆域必定不断扩展、 越 来越宽阔。而唯有了解更宽阔的 粒子世界,才能充分揭示大自然 的深层奥秘。 2 1世纪物理学理论发展 的大致趋势 2 0世纪初叶起始的现代物理 学,以相对论和量子理论为理论 支柱,成就了无可比拟的辉煌功 业;无疑,这辉煌会延续到2 1世 纪,现代物理的理论支柱更显稳 固。这两个伟大理论依然充满着 蓬勃向上的生命活力,表现在两 个方面。 一是应用: 它们 对于现代科技的应用非 常广泛,新应用的生长 点层出不穷,

12、在新生长 点上并形成新的学科和 科技前沿领域,如量子 信息论即是前景看好之 一例。 二是理论本身, 且 就此稍作评述。 其一, 两 理 论 有 深 厚 的 真 理 涵 容,有待进一步挖掘和 阐发。例如,2 0世纪末叶 物 理 学 与已有加速器一样， 大型强子对撞机的高能量会导致新粒子和新理论模型面世 3 世界科学2 0 0 7 . 5 由天文观测确定宇宙因暗能量驱 使而在加速地膨胀,并测出暗物 质、暗能量对于物质总量所占的 比例数值,这就促使对广义相对 论重作考查,深入研究后已得到 满意的理论诠释。 而L H C运转后的 新发现,也会促成对粒子物理标 准模型中尚存疑难深入探讨后予 以适当解释。

13、其二, 两理论体系在 继续拓展。例如已延拓出的相对 论宇宙学标准模型、相对论天体 物理、 黑洞理论、 粒子物理标准模 型、超统一理论以及与技术应用 联系较密切的量子电子论、量子 光学等等, 都尚待进一步充实、 修 缮、 拓展。其三, 两理论的结合体 系还会延拓出新的理论领域, 例 如量子宇宙学、 量子黑洞理论、 量 子真空理论等。其四, 量子统一理 论探索会取得更大进展,此探索 或许会成为新世纪 (以至更晚) 物 理学之基本理论深层研究的主流。 超弦-超膜理论的缔造 者之 一威腾说得明白:“弦论是2 1世纪 的物理学,它是出于偶然才闯入 2 0世纪的” 。有人以其无实验验证 而质疑之。但是,

14、优越的实验条件 要待2 1世纪高科技总的水准一再 提升以后才可逐步创造; 而L H C或 许会使近十余年来粒子实验搜索 的 (相对) 冷落景况有所转机。 超弦 -超膜理论是粒子物理标准模型的 逻辑拓展体系, 采用优美的对称性 数学表述,属于量子规范场论范 畴。 它虽然没有化解相对论与量子 理论的观念抵牾, 却从原则上实现 了引力场的量子化, 并推导得出广 义相对论的一些结论。 而圈量子引 力论是另一种超统一模型。 它更推 崇广义相对论的基本观念, 从时空 量子化着手实现引力场量子化, 以 达成其引力理论与量子场论相结 合的结果, 并可望部分地解除观念 抵牾所造成的统一困难。 不同的超 统一模型

15、都旨在使相对论与量子 理论进一步结合; 这是现代物理基 本理论研究最重要、 也最棘手的课 题,此难题从2 0世纪遗留到2 1世 纪。 解决此难题或许宜以解析真空 本质作为切入口。当然, 此难题不 是短时间所能解决的, 因为这归结 到对一些最基本概念 (诸如时空、 量子场等)之认识的革命性转变。 然而, 本世纪的探索者或许会尽量 避开上述观念抵牾的障碍, 依然着 力于构建一个比现有超统一模型 更巧妙、 更圆满的高级统一理论体 系, 把两个理论作为适用于不同场 合的特例包容其内; 这不失为一种 聪明而气度非凡的设想。 尚须指出一点,L H C的能量标 度与实现大统一、 超统一所需的甚 高能量尺度(

16、 1 0 1 2 T e V )相去很远, 故 而它还只可能为弦论等模型提供 间接的验证。 甚至可能连希格斯粒 子和超对称对偶粒子的隐约踪影 也搜索不到, 则便至少表明这些粒 子具有比理论预言值更高的质量 下限,抑或就需修改理论模型; 即 使如此, 也算得是一项进展。 可见, 困难终究不小; 然而, 爱因斯坦所 倡导之统一场论的壮美建树, 毕竟 是现代物理基本理论之深层研究 的最高目标。 所幸者, 相对论、 量子 理论及其诸多延拓体系, 在2 1世纪 将会显示愈益强大的应用能力; 反 过来, 或可另辟蹊径, 亦即为基本 理论本身开发多样化的深入探讨 和有效验证的途径和手段。因此, 以后可能会掀起大统一-超统一研 究的新热潮; 这研究热潮将会带来 基本理论体系的卓越创新和巨大 发展。 而无数新奇应用更会出乎意 料、 出神入化。 所以说, 相对论和量 子理论还会再创新的百年辉煌, 新 世纪物理学必定精彩异常、 前程似 锦。 物 理 学 L H C的最大探测器 A t l a s 4