《一位老工程师的前沿物理科普贴》
第33节作者:
浅论物理 其实宇宙中一直不断地有高能粒子无规则的来回穿梭而行,一个初级高能粒子就具有50焦耳的能量,只是如此高能量的初级粒子落到地面上的机会太少了:每个世纪每平方千米才能有几个粒子闯入。但是由初级粒子引发的次级粒子可就多极了:这些次级粒子每秒钟就会有100个穿越我们每个人的身体而过,只是我们自己并没有觉察到而已。地球上能量最强的射线是γ射线,它具有比正常可见光大25万倍的能量,是电磁波中最强的了。有一种说法讲γ射线是当宇宙中反物质和物质相遇时相互湮灭,放出巨大能量而同时产生出来的,不过目前还没有找到反物质,也不知反物质是不是暗物质。γ射线典型能量为1兆电子伏(1Mev),但它要相对宇宙射线来说则小巫见大巫了;就是通常低能粒子的次级射线粒子的最低能量也达10亿电子伏(1Gev),而高能初级粒子的能量可达10^20ev以上。地球的大气层起到极大的保护地球减少受宇宙射线轰击的作用;在2000米以下高空宇宙辐射已经被大气层控制在较低的相对稳定的水平;而在5350米以上高空宇宙射线开始显著加大。人站在户外时曾否想到过每秒钟会有1000万个微波粒子正不断轰击自己的头顶?电磁波中频率最高的γ射线也是其中最强的部分,它每星期都伴随剧烈的爆炸产生在宇宙中,它具有各向同性,即无优势方向;又从不在同一位置上重复发生。但究竟从何产生又为何而产生,没有人能说清楚,只仅仅推测它是在极其遥远的太空中,由不知原因的极强烈的物理过程中产生的。
人类一直想捕获宇宙粒子,但谈何易。在实验中发现几十万亿个τ中微子只有一个与靶中的铁原子核相互作用生成一个τ轻子,几率小极了。拿初级高能粒子来说每平方千米的面积每年至多落下一颗粒子。而宇宙子丨弹丨在足球场大的地方每一百年才能出一颗。在方园3000平方公里面积每年才会出现50个“子丨弹丨”,几率太小了。而望远镜还没有办法接受到宇宙射线粒子带来的信息。为了捕获到中微子,萨德伯里中微子观察站建在了可尽量减少外界干扰的2000米地下深处,用1000吨超纯重水,利用中微子与重水反应变成质子的原理,平均每天才能捕获到10个中微子。科学家将这些无时无刻不在我们身体内来回穿梭,但又难以觉察到的幽灵般的不明神秘粒子称作弱相互作用重粒子。
意大利和中国的一个科学合作小组经过八年实验,发现了一种穿越我们身份不留痕迹的神秘物质。它可以穿越大地、穿越墙壁、甚至可以在人们不知不觉中穿过人的大脑。也有的物理学家说它支持了反物质世界。而这样的试验至少得在500米深的岩石洞中才能进行。试验是在意大利的一个深1000米的岩石洞中的实验室里进行的,山洞的岩石可以屏蔽其它射线以免除干扰。这种粒子的重量至少是质子的50倍。当它穿越氟化钠晶体上亿次时会偶尔有一两个粒子发出肉眼看不见的微弱光线,经过电讯信号放大可在仪器上看到它的波形。这种粒子相对太阳的运动速度为每秒230千米,每年6月2日与地球相撞的可能性最大,它在宇宙中要占全宇宙总质量的20%。当时采用碘化钠晶体,发现了碰撞时发生的光波。中国科学家接着在国内用250千克氟化钠晶体制成直径10厘米,长40厘米晶莹透明的圆棒搭成的正方体继续试验,进行进一步验证。而这种粒子具有穿越任何物质的本领,在它面前什么都变透明了,人们反倒难以发现它了,因而这也是一项具有诺贝尔奖水平的试验。但是2001年2月美国斯坦福大学的科学家用另外一种方法曾得出不同的结论。
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日期:2009-12-18 07:53:25
为了捕捉宇宙粒子,在阿根廷西部建了1600个纯水缸来寻找它。还有科学家建立起了16000平方米的称之为蝇眼的检测器,覆盖3000平方公里地面来进行搜索。科学家也在想法利用人工来制造高能粒子以供实验所需。但就目前的科学技术水平及资金等因素所限,还远远达不到目标。质量一千亿亿亿分之一千克的质子的能量就相当于一块砖从高处落下来的能量。可观察到的脉冲星的磁场就大于太阳一万亿倍。1961年发现的类星体,与太阳差不多大小,亮度却是1000个银河系的总和,能量大过太阳1018倍。它的寿命已有1000万年。在宇宙中至少有100万个类星体,它与暗物质一样,共称为宇宙中天体的两大谜;它的发能方式远远超出核能,超过银河系中心100倍,这说明宇宙中普遍存在着超核能的发能方式,可惜人类对此并无所知。
人类制造的能要和宇宙之能相比就根本没法同一而论了。巨大的欧洲原子核研究中心的欧洲大型强子对撞机,圆周长达26.7千米的加速器仅仅能使粒子达到50吉电子伏(50Gev)的能量,它运行在地下100米深处。美国费米国家加速器实验室的大型对撞机,周长达6.3千米,装有1000块-273℃的超导磁铁,运转400000圈可将粒子加速到一万亿电子伏(1Tev)而宇宙粒子的能量比这大一亿倍以上。
超弦理论是量子力学中出现的一种新的科学理论,霍金是其中的核心人物。该理论中最大的难题在于,若要想验证或证伪所需用的实验设备,必需建一个尺寸大到银河系般的粒子加速器才能获取到所需要的高能粒子,这无疑是难以想象的。
2008年9月10日位于瑞士、法国边境地区地下100米深的环形隧道中的欧洲大型强子对撞机正式启动。
它是世界上最大的机器。数以百万计的粒子可在该隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”;约等于光速的99.99﹪。隧道内超高真空,气压为10^-13个标准大气压;比月球上的10^-12个标准大气压还要低。温度低达-271.3℃比太空还冷。2008年10月中下旬进行首次对撞试验;打算年底实现两束各达5~7万亿电子伏特能量的质子束对撞,可达太阳中心温度的10万倍,为以往试验的5倍;将产生堪比宇宙大爆炸的反应能量。首要任务是找寻被喻为“上帝粒子”的“希格斯波色子”,这也是在粒子物理学“标准模型理论”所预言的62种基本粒子中,唯一一个尚未“显形”的粒子。欧洲大型强子对撞机正式投入使用几天后因故障而停止运转,欧洲核子研究中心发表声明说,在2009年秋天重新启动。
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日期:2009-12-20 07:44:04
总投资约100亿美元,该对撞机的主要目的是揭开宇宙诞生之谜;质子束流粗细如同一根头发。一系列实验将模拟宇宙大爆炸发生时的状态,再现宇宙大爆炸发生后万亿分之一秒内的情形。当前盛行的宇宙学观点认为:宇宙起源于大约150亿年前的一次大爆炸。当时所有物质高度密集于硬币大小的一点,因为温度极高发生大爆炸,物质向外膨胀形成宇宙。据信“上帝粒子”是物质质量之源,以及电子和夸克等形成质量的基础。其它粒子在“希格斯波色子”构成的“海洋”中游弋,受它的作用产生惯性,最终有了质量。如果没有质量,宇宙大爆炸后产生的物质无法形成星云和行星。
按照该实验所基于的理论“标准模型”,持反对观点的科学家提出“复制”“大爆炸”会一点预兆都没有的导致人类、所有生命、以及整个宇宙全部终结。在大约十二分之一秒的时间里整个地球便会在太空中消失;在不到两秒的时间里月球便会追随地球而去;8分钟后太阳被劈成两半,随之,太阳系其它行星同遭此恶运;紧接着巨大的毁灭性破坏以光速向外蔓延,任何地外世界包括所有星球、星系、甚至整个宇宙都必将走到其生命的尽头。当然,即使如此的话,整个宇宙的毁灭也还是需要至少整整150亿年的时间。
而多个支持该试验的研究中心,倒也并不肯定试验绝对不会制造出黑洞,只是认为即使制造出黑洞,其尺度仅为百亿亿分之一米(10^—18米),存在时间仅限为十亿分之几阿秒(10^—18秒)。
欧洲核子研究中心首席科学家乔斯.恩格伦说:“地球上早已经发生过成千上万次与大型强子对撞机进行的实验相等量的自然过程了,这个星球依然存在。”
事实确实如乔斯.恩格伦所说的那样:宇宙间,自然发生的强于大型强子对撞机中粒子能量的粒子冲撞多的无以计数。所以该项试验的安全性不足以为虑。它不能形成那怕是再小的黑洞。
英国著名物理学家斯蒂芬.霍金打赌说:“‘大型强子对撞机’不会帮助人类找到有‘上帝粒子’之称的‘希格斯波色子’。”无疑,他胜卷在握;赢定了”。
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