揭开未知宇宙的面纱

质子是一种持久存在的物质。第一个质子是在大爆炸后仅仅 0.00001 秒，从宇宙混沌的泡沫中结晶出来的，当时宇宙被挤压在一个与太阳系大小相当的空间里。其余的质子也迅速诞生。在 138 亿年的时间里，大部分质子都保持不变——与电子结合形成氢气，在恒星中聚变形成更重的元素，但始终都是质子。而且，在未来的数十亿年里，它们仍将保持质子的状态。除了那些不幸的少数质子，它们在距离日内瓦机场以北几英里的瑞士小镇梅兰地下 300 英尺的氢气罐中等待。那些质子有麻烦了。

当你读到这篇文章时，强电场已经开始将电子从氢气中的质子中剥离。无线电波将推动裸露带电的质子向前，加速它们通过第一组管道，这组管道可以说是已知宇宙中最令人印象深刻的管道之一（互联网见鬼去吧，史蒂文斯参议员）。大型强子对撞机 (LHC) 中的管道有一个目的：向这些质子注入更多能量，将它们推向爱因斯坦无法逾越的宇宙速度极限

c

。

然后，突然停止。一个质子迎面撞上一个质子，它位于一个由 2700 万磅硅和铌钛超导线圈组成的笼子中央。然后，它就不复存在了。这些质子会以巨大的能量、如此集中的能量发生碰撞，以至于它们会发生嬗变。它们会变形为介子、中微子和光子。对于我们的目的而言，所有这些都是垃圾。但大约在一万亿次碰撞中，有一次——没有人知道确切答案——它们会变成我们从未观察到的东西。这些质子，这些纳米级的物质粒子，共同承载着高速列车的能量，会进入假设的宇宙，带回一点能量。

我们对它们会变成什么样子有一些很好的猜测。它们可能会变成一种叫做希格斯玻色子的缺失粒子——从而通过实际观察完成宇宙的标准模型，该模型描述了迄今为止已知的一切。或者它们可能会消失在暗物质中，从而满足天文学家的要求，他们几十年来一直观察到宇宙中充满了来源和成分不明的质量。或者——这也是每个人真正希望的——这些嬗变质子将超出我们的想象。它们将向我们展示意想不到的、未预料到的、（暂时）无法理解的东西。也许，不起眼的质子会让我们大吃一惊。

掉进兔子洞

“他们昨天打开了视网膜扫描仪，”欧洲核子研究中心（CERN，法语缩写，大型强子对撞机的所在地）的粒子物理学家史蒂夫·戈德法布警告说。“我希望这能奏效。”他走进安全锁，绿色电话亭的门在他身后滑落。壁挂式扫描仪将他眼球后部的血管图案与获准进入者的数据库进行匹配。该系统确保每个人都受到跟踪，任务控制中心确切知道谁进入了隧道。一个月后，进入隧道的人数将很少。一个月后，光束将开启。

准许进入。我们和身材魁梧、身穿 T 恤衫和脏兮兮的工作裤的承包商一起在电梯旁等候——他们用波兰语和法语低语，警惕地看着记者的笔记本，红色安全帽是专门为访客准备的——然后我们爬进电梯，按下-1 楼的按钮。我们要去 Atlas。探测器。中心。这是数万名物理学家多年的集体工作成果，当我们穿过混凝土走廊，听到锤子敲击钢铁的第一声清脆的敲击声在整个房间回荡时，很快就意识到了这一点，但这一切还没有完全完成。

尽管人们经常把它比作巴黎圣母院的内部，但这个房间看起来不像哥特式避难所，而更像星际飞船企业号上的相位室。一个 80 英尺高、1500 万磅重的硅钢擀面杖停在中心，看起来随时准备点火。但在这里，点火是反向进行的。一个月后，一旦液氦将磁铁冷却到绝对零度以上 1.9 开尔文（即 -456°F），接近光速的质子束将不是向外飞出，而是向内飞入，在探测器中心相遇。（在法国乡村对面还有另一个同样灵敏的探测器 CMS，距离 5 英里。这两个小组将仔细检查对方的工作，并进行一些友好的竞争，看谁能先发现什么。）碰撞会将所有加速的能量集中在一个无限小的空间里。然后，那个纯能量球将完全变成另一种东西。“根据爱因斯坦的

E = m2

荷兰乌得勒支大学物理学教授、诺贝尔奖获得者马丁努斯·维尔特曼说：“你可以制造质量小于可用能量的粒子。”能量转化为质量。简而言之，这就是质子需要如此快速运动的原因——有了更多的能量，大型强子对撞机就可以从以太中召唤出更重的粒子。更重的粒子才是有趣的。重粒子是新的。

黑暗加倍下注

我们知道宇宙是由以下物质构成的：我们有普通的物质，如质子和电子。此外，还有所有能传递力的物质，如光子或引力子，它们将重物拉到一起。这就是宇宙——物质和力——物理学家在过去 60 年左右的时间里一直在揭示所有物质粒子和力粒子如何相互作用的细节。这项工作的全部内容被称为粒子物理学的标准模型，任何粒子物理学家都会告诉你，它是人类历史上最成功的理论，强大到足以预测实验结果的精确度，精确到万亿分之一。

然而，标准模型几乎肯定不是全貌。当粒子物理学家忙于构建标准模型时，天文学家和宇宙学家一直在从事另一项任务，即一项巨大的宇宙核算项目。他们所看到的——或者更确切地说，没有看到的——清楚地表明，天地间还有比博士们梦想的更多的东西

如果你去数一数宇宙中所有的恒星、星系、超新星等等，你应该可以估算出宇宙的总质量。但是如果你用另一种方式估算质量——比如，通过观察星系的旋转速度（星系的质量越大，旋转速度越快）或观察星系如何聚集成大团——你会得出宇宙的质量比我们能看到的要大得多的结论。根据最新的计算，大约是这个数字的五倍。由于看不见，我们称之为暗物质。

问题在于：这些未知的暗物质粒子——标准模型中没有一栏是它们的。另一个问题是，甚至提出这个理论的人也不认为标准模型就是全部。“这个理论提出了许多新问题，”2004 年因在标准模型方面的工作而获得诺贝尔奖的戴维·格罗斯说，“我们确信它在某种程度上一定是不完整的。”当然，这个模型正确地预测了实验的结果。但它并不像物理学家所希望的那样完美。

要使标准模型发挥作用，需要进行大量的微调，这对物理学家来说是一个贬义词，因为它意味着任意调整许多小变量以使一切都正常。物理学家认为，让一切自然平衡要好得多。正如伊利诺伊州费米国家加速器实验室的物理学家丹·胡珀在他的新书《自然的蓝图》中总结的那样，“我们所理解的标准模型最终是不稳定的，迫切需要一种新的机制来防止它崩溃。”

进入超对称，一个非常神奇的“机制”。超对称假设每个粒子都只是故事的一半——每个粒子都有一个隐藏的孪生粒子。还记得宇宙是如何分裂成物质和力的吗？超对称的核心思想是每个物质粒子都有一个孪生的力携带粒子。反之亦然：每个力粒子都有一个由物质构成的孪生粒子。从某种意义上说，物质和力只是同一事物的两种表现形式。

这在实践中是如何运作的？电子产生电子（即超对称电子），光子产生光微子（别问）。额外的粒子，每个都比其孪生粒子重，会自动平衡标准模型，无需微调。但也许更重要的是，这些粒子，如果它们存在的话，很可能就是迄今为止看不见的暗物质。宇宙中充满了夸克、中性粒子和中性粒子，这些超对称粒子足够重，也足够常见，以至于比“正常”物质重五倍。宇宙学与粒子物理学相遇。

当然，要使这一理论有意义，LHC 首先需要找到一个超对称粒子。问题就在这里：即使 LHC 制造出超对称粒子（两个质子结合时产生的能量足以形成中性粒子），该粒子仍将无法被探测到。它将穿过探测器壁，进入地壳，然后返回太空。无法被探测到意味着它不会与普通物质相互作用，而普通物质是我们唯一可以用来制造探测器的材料。

那么会发生什么？我们怎么知道呢？好吧，我们仔细观察。当两个质子结合在一起时，它们会产生大量粒子。它们中的大多数将是普通粒子，探测器会捕捉到它们。然后科学家会寻找缺失的东西。“这有点像福尔摩斯的故事，最重要的线索是不叫的狗，”欧洲核子研究中心的理论家约翰·埃利斯说。如果大量物质朝一个方向流出，那么必然有等量的物质朝另一个方向流出——这就是动量守恒定律。计算一下你有多少，从你开始的数量中减去这个数字，然后你就会发现暗物质的存在。或者至少，它消失了。

数据迷

回到放置 Atlas 的洞穴，物理学家兼导游史蒂夫·戈德法布站在离地面 50 英尺的龙门架上，在空中画出一条假想粒子的轨迹，该粒子刚刚从碰撞中产生。“建造如此巨大的探测器的整个想法，”他说，“是为了能够画出一条非常精确的线。”很明显，他画的线在房间里弯曲了。

Atlas 和 CMS 产生的磁场都十分强烈，以至于“如果你开着一辆公共汽车驶入这里，并且打开磁场，你会把公共汽车压垮”，麻省理工学院的研究生 Phil Harris 第二天带我参观了 CMS，他说。（研究生被认为是任何像这样的大型项目的全能型工人。Harris 的伙伴 Pieter Everaerts 也是麻省理工学院的研究生，他告诉我，他们的主要工作之一是“进入探测器内部寻找闪烁的指示灯”，这可能表示连接存在故障。Harris 则花了几个月的时间建立了一个数据库，以跟踪将数据传送出机器的数千条电缆。LHC：美国最优秀和最聪明的人去给电缆贴标签的地方。）

尽管碾压公交车的酷炫程度毋庸置疑，但这并不是这里的重点。相反，所有这些超导磁体的目的都是让一切都弯曲起来。当两个质子相撞时，它们产生的碎片不会像探测器中的电缆那样带有标签。哈里斯、埃弗拉茨和其他 2,000 名从事 CMS 工作的科学家必须弄清楚每个粒子是什么。由于磁场会弯曲带电粒子的路径，因此可以测量每个粒子弯曲的程度和运动速度，并推断出它的电荷和质量。“我们需要了解一切，”哈里斯解释说，“它在哪里，动量有多大，能量有多少。”并且一遍又一遍地重复这个过程，对于每次碰撞中爆发出的数百个粒子，每秒 6 亿次。

这反过来又带来了数据过载的小问题。“我们每天产生的数据量相当于一个万维网的数据量，”哈里斯说，他是一个 25 岁的兴奋的年轻人，他把安全帽戴反了，裤子比腰部低了六到八英寸。埃弗拉茨抬起眼睛，显然在脑子里检查着哈里斯夸口背后的数学原理。“是的，”他严肃地说道，“不过网络发展得非常快。”

在十年内完成像 LHC 这样庞大（但有限）的土木工程项目是一回事，而每天建造一个新的谷歌则完全是另一回事。“CERN 不可能提供所有计算组件，”LHC 计算网格负责人 Ian Bird 说。相反，科学家们想出了两种方法来摆脱所有多余的数据。

幸运的是（或者说并非如此，这取决于你如何看待它），机器收集的大部分数据都是垃圾。旧闻、早已发现的粒子、已经深入探索的现象。探测器中的电子设备会丢弃任何看起来不有趣的碰撞，这些碰撞总计约占原始数据的 99.99997%。

每秒剩余的 200 次碰撞被传送到楼上的主计算中心，这是一个仓库，里面有一排排机架式计算机。按照 LHC 的说法，这就是“第 0 层”。从这里，专用光纤电缆将数据副本发送到全球 11 个计算中心，即所谓的第 1 层。（这些电缆构成了几年前你可能听说过的著名的“Internet2”——它只意味着科学家可以使用这些线路，而不是你。）然后，第 1 层计算机校准数据并将其分发到数百个第 2 层计算中心。这些是单独的服务器群，100,000 台 PC 分布在剑桥、伯克利和大阪等大学。这就是灵光一现的时刻。通过使用分布式系统，法国村庄地下的碰撞可以扩展到全球各地，供 10,000 个大脑仔细研究。正是通过这种结构，就像通过磁铁或硅一样，不可能的事情将变成现实。

全部知道

科学史充满狂妄自大。我们认为我们已经基本搞清楚了自然世界，我们认为我们的理论非常可靠——然后有人做了一个无辜的小实验，让每个人都大吃一惊的是，揭示了深不可测的东西。科学家们从来没有像在 LHC 上那样自觉地追求未知。没有人认为标准模型最终会成为宇宙的全部，尽管它在解释世界方面取得了无数成功。物理学家知道，还有更多的东西在我们触及不到的地方。“我想到实验要寻找的东西，”约翰·埃利斯说，“并希望他们能找到不同的东西。”

“我认为我们都想知道我们从哪里来，我们如何融入这个世界，”加州大学伯克利分校宇宙学家、2006 年诺贝尔物理学奖获得者乔治·斯穆特说，“但我们中的一些人需要知道这一切是如何运作的。”建造 LHC 耗时 14 年，耗资 100 亿美元，动用了 10,000 人，这可以简单衡量人类的好奇心，衡量我们愿意付出多少来探索我们从哪里来，我们如何融入这个世界。你可能会想知道超对称性是否真实很重要，为什么找到暗物质很重要。但了解宇宙就是力量。“了解物理定律，你就知道什么可以做，什么不可以做，”诺贝尔奖获得者杰拉杜斯·特胡夫特说。“了解物理定律可以让你看到未来。”