新浪科技讯 北京时间11月25日消息，在欧洲粒子物理研究所(CERN)大型强子对撞机(LHC)上进行的铅原子核对撞实验中，大型离子对撞机实验(ALICE)探测组的物理学家们发现极早期宇宙不但具有超高温度和密度，还表现出高温液体(liquid)的性质。

　　通过实现在技术允许范围内最高能的核子对撞，ALICE实验成功产生了具有难以置信的超高温和密度的亚原子火球，从而重现宇宙大爆炸之后数微秒(1微秒=100万分之一秒)内的情景。科学家们称此次微型“大爆炸”产生的温度超过10万亿度。

　　在这样的高温下，常规物质预计会熔化，产生一种奇异的“原始汤”，称为“夸克-胶子等离子体”。这项对撞实验产生的首批结果已经否定了一些现存物理模型，如其中有一种物理理论预言“夸克-胶子等离子体”将表现出气体的性质。

　　尽管之前美国研究机构在较低能级上进行过相关实验，结果显示核子对撞中产生的火球具有液体的性质，但是很多科学家认为在更高的能级下，“夸克-胶子等离子体”应当表现出气体的性质。

　　在这项成功实现高能质子对撞实验7个月之后产生的研究成果中，英国伯明翰大学物理和天文学院的科学家们发挥了关键性的作用。该学院的大卫·埃文斯(David Evans)博士是ALICE实验项目的英方首席科学家。他说：“尽管工作才开始不久，我们已经了解了许多有关早期宇宙的信息。 这些第一批的实验分析结果显示宇宙在大爆炸后的一瞬间表现出超热液体的性质。”

　　这个小组还同时发现试验中进行的正面高能撞击产生了相比一些理论预言更多的亚原子粒子。尽管撞击产生的火球转瞬即逝，但是当它产生的“原始汤”逐渐冷却，研究人员可以观察到从火球向四周辐射开去的数千颗粒子。正是通过对这些粒子表现的观察，科学家们作出了对其液体性质的结论。

　　ALICE 实验设备

　　ALICE项目组的科研人员将对夸克-胶子等离子体中的粒子进行深入研究，因为我们对这些微观粒子大部分都知之甚少。这种分析将使科学家们更好地理解强作用力：为何它能主宰物质？夸克为什么会被束缚于物质，如质子之中？为何强作用力可以构成质子和中子质量的98%？ALICE实验设备安装于大型强子对撞机(LHC)上，位于地下100米处，高16米，长26米，重约10000吨。

　　而ALICE设备工作组则包括来自全世界30个不同国家100个科研机构的1000名物理学家和工程师。其中英国小组中包括了来自伯明翰大学的8名物理学家以及7名博士生。他们在中央点火装置(ALICE的心脏设备)以及相关配套软件的设计和实施过程中发挥了关键性的作用。除此之外，英国科研人员在实验数据的分析方面也作出了重要贡献。

　　在核子对撞实验期间，ALICE科学组每秒钟需要录入约1.2GB的数据，整个实验过程将产生约2PB(约合200万GB)的数据量，这相当于300万张CD盘，堆砌起来将有数英里高。为了处理这些海量的数据，ALICE项目组需要调动全世界各地50000台最先进的计算机，24小时不间断地进行运算。

　　ALICE设备的设计和建造采用了目前全球最尖端的技术和工艺，如对亚原子粒子的高精确探测和追踪，用于电子信号处理的超精细系统，以及遍布全球，使用网络互联的超强网格式分布计算能力，用于数据处理。所有这些先进技术都可以转化，从而改善人们的日常生活，如医学成像，微型电路以及信息技术等。(晨风)

　　本报讯(记者张梦然)据美国每日科学网11月24日报道，欧洲核子物理研究中心的科学家们近日利用其世界上最大的实验设备大型强子对撞机(LHC)得出一个颠覆性的结论：宇宙的形成初态乃是灼热浓厚的液体，而非一直以来所认为的气态。

　　宇宙形成之初到底发生了什么，很久以来都是迷雾一团。目前已被普遍接受的观点认为，宇宙大爆炸抛出了超热气体，而这些气体聚集起来形成了现有物质。但有些物理学家对这一观点颇为抵触。

　　LHC在今年为人们提供了拨开迷雾的良机。继9月其CMS(紧凑缪子线圈)实验装置再现大爆炸后瞬间状态之后，科学家于11月又在其另一台实验装置ALICE(大型离子对撞机)中，让铅离子以接近光速的速度对撞而创造出了迷你版的“宇宙大爆炸”。实验产生一个“令人难以置信”的炽热浓厚的亚原子火球，也意味着出现了夸克—胶子等离子体，可以解释137亿年前宇宙诞生之初的物质形成过程。

　　在ALICE实验装置的成果之上，欧核中心人员分析发现，在宇宙刚刚诞生之时，立刻就有一团温度高达10万亿摄氏度的液体形成。这团呈软胶状的黏稠物正是夸克—胶子等离子体，其性质及“行为”明确类似于液体，这给第一粒子和原子的形成提供了最佳环境，而在粒子出现后才渐渐组成了现在我们看到的恒星和星系。

　　但此前最为普遍的观点认为，大爆炸创造的高温条件会使夸克和胶子结合的能量大幅削弱从而形成气态物质。5年前，科学家曾利用“相对论重离子对撞机”产生了4万亿摄氏度的高温拟境，当时已发现在该温度条件下夸克—胶子等离子体的形态与液体类似，但人们一直认为是实验水平所限，期待随着温度升高这些物质会更像气体。然而LHC这次证明了事实并非如此，全新的研究结果将会颠覆物理学的传统理论。

　　尽管性质类似液体，但曼彻斯特大学的布赖恩·考克斯教授表示，这些物质和人们已知的任何液体都不一样。至于事实为何并不如人们之前所想，科学家们将会继续探寻其原因。实验主要参与者、伯明翰大学的粒子物理学家戴维·埃文斯认为，新结论必会帮助我们了解在质子和中子形成前的神秘时期。

　　英国《每日电讯报》刊发文章称，目前这项结论将会首次以超过1000名研究者构成的多国团队名义发表。

　　总编辑圈点

　　无论雾霭苍茫，还是波涛横溢，宇宙之初的物质形态与我们今天的生活似乎没有什么关联。然而，这段往事却让无数科学家长久地牵萦于心，不能释怀，因为它毕竟是天体演化史上一个无法忽略的篇章，也是透视物质本性必须超越的幕障帏遮。11月8日，欧洲大型强子对撞机创造出夸克—胶子等离子体，从而让研究者破天荒地触摸到尘封了130多亿年的万事发端。在此崭新的平台上，获悉宇宙始于液态只是开头，更多的“原来如此”必定接踵而至。

　　本报讯 一般意义上，要问宇宙大爆炸之前发生了什么并不科学，因为根据大爆炸理论，时间本身便产生于大爆炸的那一瞬间，在此之前时间概念尚不存在。但据美国物理学家组织网11月23日报道，英国牛津大学物理学家罗杰·彭罗斯和亚美尼亚埃里温物理研究院的瓦赫·古萨德扬在宇宙微波背景辐射中发现了一种圆环结构，让人们能“透视”到大爆炸发生之前的宇宙。

　　宇宙微波背景辐射被认为是大爆炸的“余烬”，是宇宙年龄约30万岁时遗留下来的，均匀地分布于整个宇宙空间。上世纪90年代初，科学家发现宇宙微波背景辐射的温度具有各向异性，即在不同方向上温度有着大约十万分之一的微小差异，这为大爆炸理论提供了最有力的观察证据。科学家认为，这种微小温差衍生出了今天这个大尺度的宇宙结构。更重要的是，由于宇宙膨胀发生在大爆炸后1秒之内，温度变化被认为是随机的，这将导致宇宙辐射接近均匀的分布。

　　而彭罗斯和古萨德扬最近在宇宙微波背景辐射中发现了圆环结构，其中的温度变化比期望值更低，这意味着宇宙微波背景辐射的各向异性并非完全随机。他们认为，这些圆环是超大质量黑洞碰撞的结果，碰撞产生了巨大的、各向同性的能量爆发，远远超过了常规温度变化的能量。但奇怪的是，通过计算，一些大的、近乎各向同性的圆环必定存在于大爆炸发生之前。

　　发现宇宙微波背景辐射中存在圆环结构并不是对大爆炸理论的否定，而是支持可能存在多次大爆炸。科学家解释说，我们生活在一个循环的宇宙中，一个宇宙终结标志着一个“世代”结束，紧接着会引发另一场大爆炸，开始另一个“世代”，产生一个新的宇宙，这一过程无限重复。科学家认为，黑洞碰撞产生的圆环可能发生在我们这“世代”之前一个“世代”的晚期。

　　此前，彭罗斯就在研究循环宇宙模型。因为他注意到人们普遍接受的膨胀理论有一个缺陷：它不能解释宇宙初始为何有这么低的熵值，而低熵状态(或高度有序状态)是形成复杂物质的必要条件。循环宇宙的观点认为，一个宇宙扩张到极限，黑洞将会蒸发，其吞噬的所有信息都将消失，宇宙中的熵也被带走。如此一来，一个新的低熵宇宙将开始。

　　由于这些圆环结构意义重大，科学家将进一步证实它们的存在，并检验哪个模型能最好地解释它们。彭罗斯和古萨德扬已经在借助威尔金森微波各向异性探测器和1998年“飞镖”球载望远镜(BOOMERanG98)两个实验的数据对圆环结构进行探测，并消除仪器误差的可能性。但即使这些圆环确实起源于大爆炸之前的某个时期，循环宇宙模型也未必能提供最佳的解释。主要质疑包括，为何两个“世代”之间存在巨大的尺度转换，以及为何这一模型要求所有的粒子在未来某一时刻都失去质量。(常丽君)

　　本月初，争议不断的大型强子对撞机再次启动，用能量更高的铅离子进行碰撞。它是否会找到神秘的希格斯粒子，为游离于“标准模型”之外的引力正名，还是制造出黑洞毁灭地球？应瑞士国家形象委员会邀请，本刊记者来到欧洲核子研究中心，一睹其真容。

　　记者 萧菡 日内瓦 报道

　　我们的车停在瑞法边境，远处的汝拉山顶云雾氤氲，近处的牧场里牛群悠闲地吃草，深秋的午后的阳光撒在红黄交错的阔叶林上，如同一张凝固的明信片。

　　此刻，这幅宁静的场景下面，CERN(欧洲核子研究中心)的大型强子对撞机(Large Hadron Collider，LHC)正在地下100米深处一条长约27千米的环形隧道内发射出两束粒子流。想到这些微粒正在接近光速运动，“相对论”这个词就不由得蹦上我的脑海。

　　和你一样，我少年时也看过《奥秘》和《十万个为什么》，对于宇宙如何产生，宇宙之前是什么，宇宙之外又是什么，既着迷又困惑。好在，现代物理学不断地尝试解答宇宙起源这个最基本的疑问，寻找大爆炸理论(big bang)的更多证据并对其补充。CERN，正被学界认为是解读宇宙奥秘的重要一站。我带着无数问题来到这里，将目睹物理学家如何向大众解释万物之源。

　　如果不是上帝，到底是谁创造人类

　　来CERN之前，我知道那是个花钱如流水的地方，全欧洲最不环保的地方(耗电大户)，也是聚集最多高能物理学家的地方。传说CERN养活了地球上一半的粒子物理学家，而他们主要的工作就是想方设法把粒子剁碎，找到组成你我及世间万物的最小成分，这听上去不太浪漫。

　　当我们坐进CERN的会议室，物理学教授沃思(Rüdiger Voss)说，CERN的第一使命就是探索大爆炸的秘密，以及宇宙最初所有物质的状态。

　　且慢，你怎么知道宇宙必然是大爆炸产生的，而不是上帝创造的？

　　好吧，看看两个著名的证据。其一是红移现象。我们都知道，当一列火车向你迎面开来时，汽笛声升高(声波的波长变短)，当它离你远去时，音调就不断降低(声波的波长变长)，这就是多普勒效应。与声波一样，光同样有多普勒效应，当一个星系离我们远去时，谱线波长越长，也就越接近红色。

　　20世纪20年代，当天文学家开始观察遥远恒星的光谱时，异常情况发生了：它们所缺失的颜色和银河系的恒星情况相同——它们看起来都越来越红。“对此，唯一合理的解释就是星系都在远离我们。”英国物理学家霍金(Stephen Hawking)在其著作《万物至理》(the Theory of Everything)中称。1929年，天文学家哈勃提出了著名的哈勃定律：一个星系的退行速度与其距离成正比。“这些星系不是以实际的速度远离我们而去，取代的是在其间的空间延展，即现在宇宙在不断膨胀中。”

　　另一个支持大爆炸理论的证据在1964年被发现。当时，彭齐亚斯、威尔逊两位贝尔实验室的工程师用一台接受卫星信号的微波探测器对准天空，接收到一种奇怪的噪音。无论探测器指向哪里，无论早晚春秋，多余的噪音始终不变，所以它必然来自太阳系外甚至银河系外，不因地球位置而改变。后来科学家推算出这种噪音所对应的是温度为零下270摄氏度的黑体辐射出的电磁波(即大爆炸后的余波，理论物理学家早已预言过)。该发现让两人在1978年获得了诺贝尔物理学奖。

　　数十年来，根据严格的观测和物理推理，大爆炸理论已经被绝大多数宇宙学家和天文物理学家所接受：宇宙始于137亿年前发生的大爆炸。在随后不到1秒的时间里，宇宙是一团炙热的“浓汤”，只有最基本的不安分的粒子。随着膨胀和冷却，不同层次的结构依次出现，先是中子和质子，然后是原子核、原子、恒星、星系、星系团，最终形成超星系团。

　　但是，对于宇宙形成初期的状态，只有理论，缺少实验。“CERN在2008年耗资100亿瑞郎(约80亿美元)建成的大型强子对撞机正是要解决这个问题，”沃思教授说，“通过高速质子的撞击，来创造一个能量高达10万亿电子伏特(TeV)的大爆炸，或许能从中找到宇宙初期的粒子。”

　　没有时光机，如何回到137亿年前

　　描述组成物质的那些词里，质子、中子和电子我们都不陌生，那强子又是什么呢？

　　在CERN做研究的波士顿大学的闫真博士告诉我，这是粒子物理学的说法。强子所代表的是参与强作用力的粒子，例如质子或者重离子(比如本月初正在加速器里对撞的铅原子核)。

　　强子(hadron)这个词最早出自希腊语“hadrós”，意为“笨重的”。组成原子核的质子或中子都叫强子，也可以理解为重粒子；而轻子(比如电子)虽然组成物质，但质量轻，在加速过程中能量很容易损失，因此不适用于高能碰撞。

　　CERN的大型强子对撞机是目前世界上最大、能量最高的粒子加速器(排名第二的是美国费米实验室的粒子对撞机，能量为1万亿电子伏特)，主要由几部分构成。闫真博士介绍，首先是一系列初级加速器，将逐级提升粒子速度，随后粒子进入主加速环的两个质子束管，反向而行，分道扬镳。当粒子束将以 99.999%的光速飞行，每秒可以在27公里的管道里飞行超过一万圈。

　　粒子束在主加速环里有4个碰撞点，每个撞击点都有一个大型探测器，其中特定粒子探测器是ALICE(大型离子对撞机)和LHCb(底夸克探测器)，通用粒子探测器是CMS(紧凑μ子螺线管)和ATLAS(超环面仪器)。很难想象，我所在的ATLAS是这个星球上最大的粒子探测器，其面积近占两个篮球场，约15层楼高。为了展现其直观尺度，CERN在ATLAS实验室马路对面的农场里，做一个镂空的超级大球体，颇为壮观。

　　27公里长的加速管内部包覆着超导体，以液氦来冷却，保持管道超低温零电阻，才能让粒子运动接近光速。加速管是由超过1700段超导体管焊接而成，最多的是蓝色的二极磁体管，其总长约20公里，作用是让粒子束保持高速飞行及转向；白色的四极磁体管负责将粒子束聚焦；靠近每个探测器的红色磁体管负责吸引粒子碰撞。

　　在2008年9月，正是因为某两段超导体的焊接问题，导致液氦泄漏，最终不得不停机检修。这一停足足浪费了18个月光阴，直到今年3月才重新运转。2010年11月8日，最震撼人心的时刻到了。

　　这一天，大型强子对撞机第一次使用重粒子——铅离子进行对撞，过往实验使用的都是质子。铅离子有28个质子，根据爱因斯坦的质能方程，因此在撞击时会产生更大的能量。ALICE探测器捕捉了这一刻——对撞瞬间产生的高温相当于太阳核心温度的100万倍。

　　撞击成功后，项目成员、伯明翰大学物理学家戴维·埃文斯博士激动地宣布：“对撞实验产生了迷你版本的宇宙大爆炸以及在实验中取得的有史以来的最高温度和密度。这个过程发生在一个安全、可控的环境内，生成了炽热和稠密的亚原子火球，温度超过太阳核心温度的100万倍。在这一温度下，连构成原子核的质子和中子也被融化了，产生称为‘夸克与胶子等离子体’(plasma)的炽热而稠密的夸克与胶子汤。”

　　吊胃口的是，科学家还需要根据探测器记录到的数据来分析究竟撞出了什么。闫真博士说，在每秒产生的10亿次质子对撞中，产生了10万个科学家感兴趣的过程。然而，得到确认的是3000个，最终被记录的事件仅有200个。“而ATLAS记录的数据，每三秒就要灌满一张光碟，这些光碟堆上一年的话，足足有7公里高。”

　　难怪，在伯尔尼大学，安东尼奥博士(Antonio Ereditato)领着我们去看高能物理实验室的ATLAS项目，眉飞色舞地指着一个盯着电脑屏幕的女研究员说她找到了某种μ子(类似电子的微粒)。发现对撞后的新粒子犹如中头彩！

　　已知的未知和未知的未知

　　早在两年前，由于担心造成黑洞毁灭地球，即将启动的大型强子对撞机竟被人告上法庭，不少CERN的科学家收到死亡威胁。

　　在电影和科幻小说中，黑洞可以捕获粗心大意的飞船和行星，吞噬整个星系，或者成为平行宇宙的入口。

　　按照霍金的理解，黑洞是引力坍塌，向内收缩到某个临界半径，形成强大的引力场，让光线向内弯曲到无法逃逸，而我们知道一切物体的速度都超不过光速，因此黑洞会吞噬一切进入其边界的物体。

　　据科学家推算，要形成大型黑洞，能量必须大于1027电子伏特，但在对撞机里即使撞击的是铅离子，也比这个数字要小15个能量级，最多只能达到“迷你”黑洞的级别。

　　对此，沃思教授说：“大型强子对撞机确实能制造出一些微型黑洞，但不用担心，这些微型黑洞不会吞噬地球。因为它们持续的时间很短，不足以做到吞噬地球。”

　　其实，宇宙射线打到外大气层时，碰撞的能量已经可以超过1012电子伏特，整个地球表面上每天大量产生这样的黑洞。虽然观察不到，但也未危及我们的安全——根据霍金的理论，黑洞的消失速度与其质量成反比，因此微型黑洞在产生的瞬间就消失不见了。

　　“如果微型黑洞果真出现了，它们会立刻变成很多小粒子，利用ATLAS探测器应该可以发现。”闫真博士说。

　　与探测黑洞的不确定性相比，科学家更希望大型强子对撞机能弥补另一项空白。

　　在过去的100年里，经过数以千计的物理学家探索和总结，人类终于对物质的基本结构有了深刻见解。上世纪六七十年代发展出来的“标准模型” 成功地解释了一系列的实验结果，准确地预测了各种现象。随着时间的推移，经过许多物理学家的众多实验积累，标准模型已经成为一个经过良好验证的物理理论。

　　这个模型中某些种类是为人熟知的了。比如电子，便是其中之一。夸克是组成质子和中子的最小单位，也是更为奇异的物质。然后还有中微子，W和 Z玻色子，类电子的μ子和τ子，还有胶子——它的作用是将夸克聚合成团。胶子因此提供了所谓的强作用力，而W和Z玻色子提供了弱作用力，它决定了某些放射性反应特性。光子提供了电磁力，这种力广泛存在，从决定指南针的指向到阻止固体物质因吸引而坍塌。

　　总之，这16种粒子，可以分为夸克、轻子和玻色子三大类。“简单地理解，夸克和轻子就是组成物质的粒子，玻色子则是负责传递各种作用力。”闫真博士说。

　　但是，标准模型还留了一个空位，它就是尚未现身的“希格斯玻色子”(Higgs boson)。

　　1993年，美国物理学家莱德曼(Leon Lederman)在《上帝粒子：假如宇宙是答案，究竟什么是问题？》(The God Particle: If the Universe Is the Answer, What Is the Question? )一书中最早将希格斯玻色子形容为“上帝粒子”。

　　这种神秘的“媒介子”源于1964年英国物理学家希格斯(Peter Higgs)提出的一个理论：大爆炸最初所有的粒子都没有质量。当宇宙逐渐冷却，直到温度低于一个临界值时，一个看不见的力场通过与其相关的粒子形成了，这个力场现在称为“希格斯场”，而该粒子称为“希格斯玻色子”。这个场普遍存在于整个宇宙，任何粒子相互作用都通过希格斯玻色子赋予了一定的质量。粒子间相互作用得越多，则越重，因此从不与其他粒子相互作用的粒子(如光子)则完全没有质量。总之，希格斯玻色子的作用就是将质量赋予其他物质组成粒子。

　　然而，从未有人通过实验来观测到希格斯玻色子从而验证这一理论。和很多科学家一样，闫真的博士论文也是关于寻找这种粒子，他说：“不知道它长什么样，甚至连它存在的形式都是未知数。”要找到希格斯玻色子的唯一方法是制造一个宇宙大爆炸发生后的模拟环境，重担自然落到大型强子对撞机身上。

　　当然，即使达到如此之高的能量也有可能无法找到希格斯粒子。两年前，当强子对撞机启动时，霍金就下了100美元赌注，赌找不到这种粒子，他说：“也许，希格斯玻色子根本就不存在。”

　　即使希格斯玻色子真的存在，对霍金等理论物理学家来说，标准模型也并不令人满意。例如，它并不能解释引力的存在(这也是量子力学的命伤)，也不能解释“暗物质”，后者的作用是防止我们银河系这样的螺旋状星系崩溃。如果用望远镜观测宇宙，大多数宇宙中的物质是看不到的，但是我们可以通过引力作用感知它们的存在。

　　对于这些科学家来说，找不到希格斯玻色子反倒值得高兴。因为，这意味着我们需要寻找更加不凡的理论。