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4 突如其来的瓶颈期（第1页）

4突如其来的瓶颈期

香肠和黑洞

日内瓦，2008年9月9日晚上9点30分

还有几个小时就要离开大型强子对撞机了，一些前所未有的事情正在发生，这是高能物理史上空前的事情。全世界的注意力都集中在明天日内瓦将发生的事情上。数十名电视台工作人员和数百名记者蜂拥至欧洲核子研究组织，在咖啡厅或办公室的走廊里追着我们做采访。这一切都始于几周前，一开始没有人留意。我们很多人都开始收到这样的邮件：“停止实验！你们冒的风险不仅是毁灭你们自己，还有地球上所有的居民，他们没有你们这些日内瓦科学怪人那么傲慢自大。”

在每天收到的数百封电子邮件中，总有一些奇怪的邮件。通常，只要把它们删掉就行了，但这一次，情况似乎有所不同。随着时间的推移，这样的电子邮件越来越多，然后，请愿书和令人担忧的新闻开始在网上流传。尤其，有一段视频在网上病毒式地传播开来。这段视频显示了整个地球在几分钟内被大型强子对撞机产生的微观黑洞吞噬。怪物生长迅速，首先吞噬加速器，然后吞噬日内瓦和市里的湖泊，最后吞噬整个星球。视觉效果令人震撼。就连《时代周刊》这样的新闻媒体都以《对撞机引发的世界末日恐惧》为标题报道时，我明白这件事不可忽视，也明白解决这件事将耗费大量的时间和精力，而我们本想把这些时间和精力投入最后的准备工作。

这一切都是由两个奇怪的家伙发起的，从2007年3月开始，他们想尽一切办法让人们谈论他们。一个是奥托·勒斯勒，他是一位退休的德国化学家；另一个是沃尔特·瓦格纳，他是一位居住在夏威夷的退休人员，曾在反应堆安全领域工作。近十年，瓦格纳一直在美国法庭上谴责每一台新加速器的负责人，指控他们冒着毁灭地球的危险做研究，但没人认真对待他。勒斯勒向欧洲人权法院提出上诉，但没有得到更好的结果。

在等待大型强子对撞机中的第一批粒子束进入循环时，这两人都疯了。他们的讲述很可怕：“几周或几个月后，有人会看到一束光从地球中心射入印度洋，然后太平洋也会发生类似的事情，这将是末日的开始。”“第一次碰撞就会形成一个微观黑洞，起初，没有人会注意到任何东西。这个饥饿的小怪物会开始吸引并吞噬它遇到的所有物质，在接下来的几周内什么也不会发生；然后，突然间，当它的质量达到巨大的规模时，没有人能够阻止它，整个星球将在眨眼之间被吞噬在《圣经》中世界末日的闪光里。”

在一个正常的世界里，没有人会认真对待他们，但我们生活在一个不正常的信息社会里。灾难的想法激起了数十亿人的好奇和恐惧。这条耸人听闻的新闻上了头条，大标题引起了人们的注意并且大卖。有一个人开始这样做，其他人将不可避免地效仿，就像雪崩一样。在这种情况下，使用理性的论证是没有用的，因为面对恐惧你不会思考，只会逃跑。在这种情况下，我们也无能为力。欧洲核子研究组织发表了一份长达数十页的详细报告，报告中显示，所有新闻使用的论点都是荒谬的，在大型强子对撞机中不可能产生危险物体。这并不能阻止集体恐惧，所以我们仍然在这里，年复一年地向记者解释，大型强子对撞机的黑洞，如果产生，会在瞬间蒸发，只在我们的系统中留下非常微妙的痕迹；我们引以为豪的加速器产生的能量，对我们来说似乎是巨大的，但与数十亿年来一直在轰击地球的宇宙射线相比，这根本算不了什么，诸如此类。

我很抱歉这一切降临到脆弱的人身上。在这些日子里，有些人真的害怕一切都会结束；人们遭受了严重的痛苦，母亲们担心自己孩子的未来，找不到让她们安心的方法。

晚上9点30分，我收到了塞尔吉奥的邮件，他是我在比萨的老朋友，这让我心情愉快。他告诉我，他一直在关注网络上关于黑洞的讨论，并且他不太相信网上的言论。他刚吃完他最爱的菜肴：烤香肠。他大饱口福，喝了不少藏在地窖里的好酒。他产生了一个可怕的疑问：如果他们说的是真的呢？如果一切在几个小时内就结束了呢？塞尔吉奥知道我在风暴的中心，我可以得到第一手的消息。他回忆起过去的友谊，向我寻求冷静的建议。“圭多，如果你有哪怕是丝毫的疑问，请让我知道。拜托，如果一切都必须结束，我会毫不犹豫地扑向桌子中央那盘仍在**着我的香肠。”

我笑着回答，让他安静地上床睡觉，最重要的是不要丢下香肠。他将有足够的时间吃他最喜爱的菜肴，或者在接下来的日子里，他会做得更好，想要对他的肝脏好一点。

超级显微镜

一个多世纪以前，卢瑟福勋爵曾证明，通过用氦原子核轰击一片金薄片，可以研究物质最内部的结构。氦原子核是放射性物质衰变释放出来的，当时被称为α粒子。卢瑟福巧妙地证明了，金原子有一个非常小的原子核，所有的正电荷都集中在这个原子核里。这个实验让我们建立了一个今天仍然有效的原子模型（一团电子围绕着原子核运动），为量子力学铺平了道路（经典力学无法解释为什么电子在其运动中不会因辐射而损失能量，并且最终没有落入原子核内），并且这也是使用大型粒子加速器进行现代实验的鼻祖。

从卢瑟福开始，人类开始用越来越高能的发射物来探索物质。电子和α粒子首先被宇宙射线所取代，宇宙射线是一种来自太空的连续不断的高能粒子流，从四面八方不停地轰击我们。最终，从20世纪30年代开始，当人们可以在实验室里产生并加速电子束和质子束时，加速器时代拉开了帷幕。

通过将电子、质子或重离子加速到非常高的能量，并使它们相互碰撞，微小的物质碎片的能量和温度就有可能达到在早期宇宙的极端条件。这样，就有可能在实验室中，在可控的条件下，重现那种大爆炸后大量散布于宇宙中而当下无法生存的粒子生态。

我们也可以把加速器想象成超级显微镜，它可以用我们具备的穿透性最强的辐射—高能质子—扫描物质，以突出微小的细节。

辐射或粒子的能量和波长成反比：能量越高，相应的波长就越短，我们的显微镜分辨率就越好。只有粒子加速器中的高能电子和质子才有可能将质子的细节可视化，质子的大小是1fm（10－15m），甚至质子的内部组成部分，如夸克，其尺寸小于1am（10－18m）。即使夸克是复合物质，就像质子一样，它们的结构也可以在未来被探测到。用拥有足够能量的发射物来探索这些新的基本物质成分的微小尺寸。

因此，粒子加速器可以被视为超级显微镜或时间机器，能够带我们回溯数十亿年前，看到发生在非常遥远时间里的现象，理解在大爆炸之后的瞬间。它们是已灭绝粒子的工厂，因为它们（通过高能碰撞达到真空的结构）能够使粒子或物质状态在几分之一秒内重现，而这些粒子数十亿年间都不存在于我们的宏观宇宙中，这些物质状态通常只存在于遥远或完全不可触及的角落。

大型强子对撞机，伟大的加速器，是这一研究领域的典范。

宇宙中最冷的地方

建造像大型强子对撞机这样的加速器绝非易事。当美国的超导超级对撞机项目在1993年被取消时，欧洲核子研究组织最初的热情很快被担忧所取代。又一次证明鲁比亚之前是对的，但现在没有借口了，我们真的需要建造大型强子对撞机：一台未来主义的机器，成千上万极其复杂的磁铁，具有控制和保护系统的超高强度束流，所有这些都有待发明。即使是最大胆的专家也会感到血管和手腕颤抖。疑虑开始蔓延：如果这是我们力所不能及的事情呢？并且如果那些年长的物理学家们是对的，他们当中的一些诺贝尔奖得主会一直微笑着对我们说：“这样的机器绝不会正常运作吧？”

怀疑是有道理的。要建设新的加速器，与迄今为止所做的一切相比，有必要进行一次质的飞跃。为了让7TeV能量的质子在轨道上运行，对磁铁的测试必须达到9。7T，大约是地球磁场的10万倍，这是在加速器中从未达到过的数值。

乔治·布里安蒂采用了两个束流在同一磁体内循环的设计，这个设计优雅而巧妙，但也很复杂。任何一个微小的缺陷都会对轨道的稳定性造成灾难性的影响。要控制高强度束流，使其在27km的环形轨道中每秒转11000转并且保持10~12h，这是一项非常艰巨的任务。任何微小的扰动，引导路径的1232个磁铁在特性上的任何差异，都会干扰质子包的传播并危及机器的正常运作。

随之而来的还有控制储存能量和保护磁铁及设备的问题。大型强子对撞机束流的能量可以与以每小时150km的速度运行的火车的能量相比，这种能量集中在束流中，在距离精密仪器几毫米的距离内循环，这对所有保护系统专家来说都是噩梦。如果没有考虑到磁铁本身所储存的能量，可能会造成无法弥补的损害。

还有另一个麻烦。质子在同步加速器的光辐射下损失的能量很少，对循环束流的影响并不重要，但损失的能量会储存在非常低的温度下运行的机器部件中，低温系统需要达到足以吸收这额外的不稳定来源的规模。

最后是辐射损害。隧道里的所有物体都会受到粒子流的撞击，这会对任何系统产生压力。在普通电子设备停工几个月的情况下，电力线路和控制系统必须继续存在。一切都将使用有待开发的创新部件进行设计，也必须发明新的材料来取代那些在最暴露的区域中由于辐射的影响而变形、变硬或破碎的材料。

林恩·埃文斯是一个富有魅力、粗犷的威尔士人，父亲是克姆巴赫村的一名矿工。这个村庄的名字很难发音，坐落于卡迪夫郊区周围的山丘中。

多年以后，在一个特别放松的夜晚，林恩一边喝着啤酒，一边向我承认，他从小就对物理感兴趣。他还记得自己扮演小化学家时在家里引起的一些小爆炸。他的第一个实验室是家里的厨房。他的母亲猛敲他的后脑勺作为对实验的回应，当他父亲晚上从矿井回来时，他也得到了教训。

林恩的体格令人印象深刻，他是一个天生的领导者。他很少微笑，不怒自威。当有需要的时候，他不求助于别人，他也知道这很难。但他比任何人都了解加速器的所有秘密。当乔治·布里安蒂于1994年退休，林恩被任命为项目负责人时，每个人都知道他是合适的人选。如果有一个人能完成这项任务，那就是他。事实上，在接下来的14年里他便担任这一职务，一直到加速器开始工作。

林恩给项目的标记立等可见。鲁比亚所指出的不现实时期显露了出来：无非是虚张声势，让美国人陷入困境。然而，该项目现已获得批准和资助。林恩让世界各地的数百名工程师和物理学家来工作：寻求印度的帮助，欧洲核子研究组织召集专门的人员来测试大批量生产的磁铁。吸收俄罗斯新西伯利亚最好的专家，参与大型强子对撞机质子传播的生产线。向费米实验室的美国专家和KEK实验室的日本专家寻求帮助，生产一种特殊的磁铁，其目的是将束流聚焦在相互作用区域周围。尽管欧洲核子研究组织发挥了决定性的作用，但从一开始就很明显，这是一个全球性的挑战。

因此，欧洲核子研究组织最好的物理学家和工程师专注于设计最关键的部件：磁体、低温学、光学和控制系统。

作为磁体的冷却系统，我们选择将磁体浸泡在液氦浴中，温度为绝对零度以上1。9度，等于－271。1?C，比美国兆电子伏特加速器的磁体低几度。因此，这个温度比外太空的平均温度约低1度，欧洲核子研究组织成了宇宙中最冷的地方。降低温度，即使是轻微的降低，也意味着为磁铁运行争取了余地。磁场和电流密度越高，越需要降温来维持稳定的超导状态。

很明显，这项工作正处在不可能的边缘。导致伊莎贝尔项目失败的惨痛教训，仍在每个人的记忆中。林恩意识到，能够制作出符合规格的原型很重要，但这并不意味着什么。真正的挑战是组织和管理数以千计的磁铁的工业生产，这些磁铁必须几乎完全相同。我们说的是16m长、27t重的玩具。把它们放在一起，已经是一个令人恐惧的任务了。它们都必须在水平面中以很小的曲率组装，以沿着隧道的整个环圈伴随粒子的轨迹，并且有必要考虑与常温之间的转变引起的收缩和变形。所建车间的工作温度须为－271。1℃。似乎这还不够，超导线材的绕组和浸透它们的薄绝缘层必须非常完美，才能产生相同的、可复制的磁场，达到差异率为一万分之一的最佳水平。

通常，当有问题需要解决时，人们就会咨询一个意大利人。卢西奥·罗西是来自米兰的教授，磁铁专家，有着高超的管理技巧。他研制了大型强子对撞机磁体的第一个原型机，并取得了成功。1994年布里安蒂在欧洲核子研究组织展示的磁铁，是大型强子对撞机被批准的决定性因素，它是与意大利国家核物理研究院（INFN）合作建造的。2001年，林恩选择卢西奥来管理项目的这一关键阶段，他毫不犹豫地离开了大学课程，一头扎进热情、恐惧和焦虑的工作中，直到几年后，当最后一块磁铁安装在加速器上时，他才从隧道中出来。为了制造大型强子对撞机的1232个超导偶极子，欧洲核子研究组织不仅设计了磁体的每一个细节，而且还设计了所有必要的设备。三家公司参与其中——一家意大利公司，一家法国公司，一家德国公司。每个公司都被要求生产供应量的三分之一。如果其中一个公司失败了，其他两个公司可以接管。尽管存在延期和无数的问题，但最终，我们赢得了决定大型强子对撞机成败最重要的赌注。

不过，加速器的建设充斥着无数的技术风险和财务危机。没有一个部门幸免于此。磁体的生产，低温技术，真空，甚至最后为了聚焦束流的磁体，理论上必须相对标准，必须由美国人和日本人制造，但事实证明是有问题的，需要许多干预和改进。最后，这一切都转化为成本的增加和加速器启动日期的持续变化。