對撞實驗為什麼是智子的眼中釘? | 袁嵐峯_風聞
风云之声-风云之声官方账号-2022-12-19 07:54
■ 導言
智子只要對LHC的對撞數據施加一點干擾,就足以讓我們永遠找不到希格斯粒子了!現在,你明白智子的計劃了嗎?智子:這是計劃的一部分。
******■******本文為《看三體,要多想》系列之(二),系列(一)見:(納米絲切巨輪,技術上現實嗎?| 袁嵐峯)。
大家好,我是科技袁人袁嵐峯。正如章北海父親的格言“要多想”,今天我們來討論第二個“多想”。《三體》動畫片第二集中丁儀在太空對撞機實驗被智子擾亂後,對薩伊主席説:“人類科學已經宣告死亡。”那麼問題來了:三體為了鎖死地球的科技,為什麼要干擾我們的粒子對撞實驗?

人類科學已經宣告死亡
回答是:瞭解物質微觀結構的基本途徑之一,就是對撞。
例如大家在中學學過的原子核的概念,就來自對撞實驗。在約瑟夫·約翰·湯姆遜(Joseph John Thomson,1856 - 1940)最初發現電子的時候,他提出的原子模型是所謂葡萄乾布丁模型,即認為正電荷均勻分佈,電子鑲嵌在其中,就像幾個葡萄乾鑲嵌在布丁裏。

葡萄乾布丁原子模型
這個模型為什麼被拋棄?是因為1909年盧瑟福研究組做了一個實驗,用α粒子轟擊只有幾個原子厚的金箔。如果原子中的正電荷真的是均勻分佈的,α粒子就會輕鬆穿過金箔。
這就好像動畫片第一集中,羅輯教授講社會學課時,讓學生模擬對撞實驗,朝一張紙扔一支筆,結果“噗”的一聲穿了過去。在鬨堂大笑之餘,他們還總結出一條所謂科學規律:每當向紙投筆,都會發出“噗”的一聲。

羅輯課堂實驗
然而,盧瑟福的實驗結果卻不是這樣簡單。他們發現,大部分α粒子確實徑直穿過了金箔,然而有1/8000的α粒子卻發生了很大的偏折,超過90度,甚至有些反彈了回來!就像筆被紙反彈回來一樣驚人。不,還要更驚人,盧瑟福當年的描述是:就好像你向一張紙發射一顆炮彈,結果炮彈被彈了回來!

盧瑟福實驗
這説明原子內正電荷的分佈是非常不均勻的,所有的正電荷與大部分質量都集中在一個很小的原子核上。根據實驗數據,可以分析出原子核的半徑只有10的-15次方米的量級,比原子半徑還小10萬倍。假如把原子比作一個足球場,那麼原子核比足球還要小得多。
50多年前,對撞實驗又告訴我們一個知識:質子和中子並不是基本粒子。人們曾經認為它們是基本粒子,但對撞實驗表明它們有內部結構,所以不是基本粒子。現在人們認為,質子和中子都是由三個夸克(quark)組成的,夸克才是基本粒子。
夸克
而另外一邊,電子現在仍然被認為是基本粒子。這是因為人們幾十年來對電子做了大量的對撞實驗,至今也沒有把它“裂開”,即沒有發現任何它有內部結構的證據。
還有一個更近的知識,近到僅僅十年前才發現的,就是鼎鼎大名的“上帝粒子”(god particle),即希格斯粒子(Higgs boson)。在當前粒子物理學的標準理論即所謂標準模型中,所有的基本粒子最初都是沒有質量的。這就引出了一個嚴重的問題:質量是怎麼來的?1964年,三組理論家各自獨立地提出了一種解釋,現在叫做希格斯機制(Higgs mechanism)。這個理論認為存在一種希格斯粒子,普通粒子通過跟它的相互作用獲得了質量。好比一個名人走進一個會場,會場中的人紛紛起來跟他握手、合影或者要簽名,名人原本走得很快,由於要跟這麼多人相互作用,就走得慢了,這就好比獲得了質量。

基本粒子通過希格斯場獲得質量(摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告)
這個理論很巧妙,但直到2012年,在當時全世界最大的加速器“大型強子對撞機”(Large Hadron Collider,簡稱LHC)上收集了大量的實驗數據,才確認了希格斯粒子的存在(揭秘基本粒子質量起源——趙政國院士等大咖講述希格斯粒子背後的故事 | 中科院科學傳播研究中心)。

2012年7月4日宣告發現希格斯粒子(摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告)
實驗證據其實就是基於大量事件的統計,發現在某個能量上鼓起一個峯,説明那裏存在一種粒子。

試試看你能親自發現希格斯玻色子嗎?(摘自中國科學技術大學楊洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告)
探測希格斯粒子的難度,好比從稻草堆裏找到一根金針。如果沒有40多個國家、180多個大學和研究所、上萬名科學家和工程技術人員二十餘年的協同奮鬥,竭盡全力蒐集到上萬億個事件和提高信噪比,這種超級精細的發現是完全不可能的。

大型強子對撞機上的ATLAS探測器(摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告)

從稻草堆裏找一根金針(摘自中國科學技術大學楊洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告)
**從這些例子可以看出,對物質微觀結構的理解越來越依賴於對撞實驗的精度。智子只要對LHC的對撞數據施加一點干擾,就足以讓我們永遠找不到希格斯粒子了!**現在,你明白智子的計劃了嗎?智子:這是計劃的一部分。
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