大型強子對撞機解密
2024年5月26日第3季第5集
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它規模龐大。
它長達27公里，位於地下100公尺處。
它耗費了來自100多個國家的數千人，歷時30年才建成。
它耗資超過50億美元。
它是人類有史以來建造的最大科學儀器。
據說它可以打開通往其他維度的傳送門，甚至創造黑洞。
而且它已經啟動了。
附圖片和圖表的完整文字版本請見此處：https://www.equedia.com/large-hadron-collider-explained/
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它規模龐大。
它長達27公里，位於地下100公尺處。
它耗費了來自100多個國家的數千人，歷時30年才建成。
它耗資超過50億美元。
它是人類有史以來建造的最大科學儀器。
據說它可以打開通往其他維度的傳送門，甚至創造黑洞。
而且它已經啟動了。
那麼，它到底是什麼？
它被稱為大型強子對撞機 (LHC)。
由歐洲核子研究組織（更廣為人知的是 CERN）建造，它是世界上最大的運作中真空系統，也是最大、最強大的粒子加速器——一條由特殊管道組成的長圓形管，這些管道像星際空間一樣空曠，甚至比太空本身還要冷。
事實上，這些管道內的溫度是驚人的 -271.3°C——僅比所有分子運動停止的溫度：絕對零度高幾度。
然而，它卻能產生驚人的5兆攝氏度高溫——比超新星爆炸還要熱，比太陽中心熱366,000倍。
難怪有些人相信它可以創造黑洞並毀滅世界。
但它到底是什麼？
它是一個巨大的粒子加速器。
別擔心；粒子加速器自1930年代以來就已經存在了。
它們用於產生高能粒子，以探索構成原子中心的物質，即原子核的結構。
這些加速器可以是環形的，粒子在其中繞圈加速；也可以是直線形的，粒子從一端快速移動到另一端。
它們透過使用電場將粒子推向一個方向，從而產生更多能量並使其移動更快。
理論上，加速器（例如粒子加速器）的長度與其能產生的粒子的能量和速度直接相關。
更長的加速器允許更多的加速，這意味著粒子可以達到更高的速度。這是因為粒子在穿過加速器全長時會多次加速，每次通過都會獲得更多速度。
長達27公里的大型強子對撞機將質子加速到接近光速，然後將它們撞擊在一起。
但為什麼？
質子是我們今天所知最小的粒子之一——僅次於夸克和輕子（稍後詳述）。
為了讓您有個概念，一個質子大約比它所處的原子小100,000倍。
想像一粒沙子，通常大小約為0.5到2毫米。現在，考慮到一個質子比那粒沙子小約100,000倍。如果一粒沙子有地球那麼大，那麼在這個比例下，一個質子大約只有一顆小彈珠那麼大。
這甚至還不是最瘋狂的部分。
在大型強子對撞機內部，兩束攜帶質子的高能粒子束以接近光速的速度運行，然後被引導碰撞。這些粒子束在人類頭髮寬度大小的空間內，沿著獨立的束流管道以相反方向行進。
那根頭髮絲可能看起來很小，但質子與頭髮寬度的比例，就像一粒鹽與整個地球的比例一樣！
將以接近光速移動的質子撞擊在一起極其困難——就像從10公里外發射兩根針，並以如此精確度讓它們在半途相遇並互相擊中。
那麼他們是如何做到的呢？
為了確保質子保持在軌道上，一個27公里長的超導磁鐵環維持著磁場，這有助於引導和聚焦這些粒子。
這些電磁鐵由特殊的電纜線圈製成，在超導狀態下運行，高效導電而無電阻或能量損失。這需要將磁鐵冷卻到 – 271.3°C——比外太空還要冷的溫度。
就在碰撞之前，另一種磁鐵被用來「擠壓」粒子使其更靠近，增加碰撞的機會。
整個過程需要驚人的能量，所以一切都必須完美無缺，就像火箭發射一樣。
事實上，大型強子對撞機在運行時大約使用120兆瓦的電力——這足以為一個小城市供電！
當然，如果認為他們只發射幾個質子就能讓這一切運作，那就太傻了。
為什麼要冒險只發射一根針去擊中10公里外的另一根針呢？這些針互相擊中的機會將非常渺茫。
確實如此。
那麼他們是如何做到的呢？
嗯，正如您可能猜到的，他們一次發射的不只一個質子——實際上是數十億個。
平均而言，每束粒子束包含1000億個質子，以相反方向發射——那是1000億個質子對抗1000億個質子！
但並非所有這些質子都是一次性發射的。
他們將這些質子分成束，每束約有2,808個粒子束，每個粒子束包含數十億個質子。
每束有2,808個粒子束，任何時候大約有208,320個粒子束在對撞機中循環。
猜猜每次交叉有多少個實際碰撞？
只有50-60個質子。
這就是為什麼他們一遍又一遍地這樣做——每秒高達3000萬次！
擁有近3000束，每束超過1000億個質子，大型強子對撞機每秒產生10億次碰撞！
但為什麼？
是為了打開另一個維度嗎？是為了創造黑洞嗎？是為了招來惡靈嗎？
或許吧……
但從技術和科學上來說，這並不是它的設計目的。
它的設計目的是研究是什麼創造了宇宙——了解宇宙初期，當大爆炸據稱發生時，可能發生了什麼。
最小的粒子是如何產生如此巨大的能量，創造出我們今天所知的宇宙的？
擔心 CERN？
我知道你在想什麼：如果我們成功複製了宇宙歷史上最大的爆炸——大爆炸，那不會把我們毀滅嗎？
嗯，目前還不需要擔心。
儘管設計目的是複製最接近大爆炸的時刻，但當兩個質子在大型強子對撞機中碰撞時，釋放的能量僅為十億分之一焦耳的量級。
這類似於一隻飛行蚊子的動能。
相比之下，一道閃電釋放約50億焦耳的能量，約是大型強子對撞機中單次質子-質子碰撞能量的100萬倍。
然而，科學家們發現，當質子以極快的速度碰撞時，它們會釋放出如此巨大的能量，以至於可以轉化為物理質量。
如果能量足夠高，它就可以轉化為神秘或未知的粒子——這正是科學家們正在尋找的。
你看，數學是一個非常有趣的東西，它可以預測並解決許多未解之謎。
例如，阿爾伯特·愛因斯坦的相對論，更廣為人知的是 E=mc 2，直到首次發表數十年後才被證實。
1869年，俄羅斯化學家德米特里·門得列夫創建了一個框架，該框架演變為現代元素週期表。但當他繪製時，他為他知道存在但尚未被識別的元素留下了佔位符。他甚至預測了某些未發現元素的特性，給它們指定了臨時名稱，例如「類鋁」用於類似鋁的元素。多年後，類鋁被識別為鎵。儘管存在一些不一致之處，他的「缺失元素」理論被證明相當準確。
那麼，就像我們用數學發現了元素週期表上的元素一樣，是否還有我們尚未發現的粒子，可以改變我們對宇宙的看法？
答案是肯定的。
標準模型
想像一下，將某物一次又一次地分割，直到你得到一個無法再分割的東西。
這些被稱為基本粒子——宇宙中物質和能量最基本的組成部分。
你聽說過電子和光子——這些都是基本粒子。
正如化學家依賴元素週期表一樣，物理學家則依賴這些基本粒子的標準模型——粒子物理學中的一個理論，描述了構成宇宙的基本粒子和力。
費米子是構成物質的粒子。它們包括夸克（構成質子和中子）和輕子（例如電子），是我們今天所知最小的粒子。
事實上，夸克和輕子非常小，沒有證據表明它們有任何大小。很奇怪，對吧？
然而，費米實驗室的 Tevatron 以及 CERN 的 LEP 和 LHC 對撞機的物理學家已經設定了夸克和輕子大小的限制：它們必須小於質子大小的約0.001倍。
另一方面，玻色子是介導費米子之間作用力的粒子。簡單來說，它們是宇宙中力和能量的載體。
然而，在2012年之前，標準模型預測應該存在另一種粒子——一種可能在宇宙初期就存在但尚未被發現的粒子。
他們將這種神秘粒子稱為「上帝粒子」，也就是希格斯玻色子。
希格斯玻色子的存在對於解釋粒子如何獲得質量至關重要——如果沒有它的證實，標準模型將是不完整的。
以下是諾貝爾獎得主彼得·希格斯描述它為何物。
https://x.com/NobelPrize/status/1779190652175011900
簡單來說，這個「上帝粒子」是我們所感知的一切事物存在的理由。
為了證實希格斯玻色子的存在，物理學家需要將足夠的能量集中在一個地方來創造它——例如將兩個質子以接近光速的速度撞擊在一起。
這就是大型強子對撞機被創造的主要原因之一——至少，這是他們公開聲明的。
2012年，在大型強子對撞機中反覆撞擊質子後，希格斯玻色子被發現了。
但如何發現的？
這就是數學發揮關鍵作用的地方——也是為什麼需要數千名科學家來證實這一點。
你看，當質子被撞擊在一起，創造出特殊的神秘上帝粒子時，它們只會短暫存在，然後又變回普通粒子。
這就是為什麼大型強子對撞機擁有有史以來為粒子物理研究建造的一些最先進的感測器和探測器。
當這些粒子爆炸並向感測器飛出時，感測器會精確記錄這些粒子的撞擊位置。
物理學家們透過逆向推導，並利用最複雜的物理學來逆向工程碰撞瞬間發生的情況，以證實這種神秘粒子，最終成功偵測到一個微小的「閃爍」。
它看起來像這樣：
沒錯，就是它。這個閃爍證實了希格斯玻色子的存在。
數十億美元、100個國家和數千名科學家共同努力，最終在圖表中創造了這個閃爍。
如果您真的認為自己能理解高等物理學，歡迎在此處了解更多關於這個「閃爍」。
這是什麼閃爍！？！
當然，科學家們不會只為了在圖表中創造一個閃爍而花費這麼多時間和金錢。
當然，他們至少也在嘗試打開傳送門或召喚惡魔。
嗯，儘管這項發現對於現實生活來說相當平凡，但 CERN 工作所產生的副產品實際上已經催生了大量的現實生活應用。
這些應用包括癌症治療、電動汽車、醫學影像，甚至還有全球資訊網。
或許，最終，利用大型強子對撞機所做的發現可以將我們的世界推向一個新的發現領域。或許它可以幫助我們更好地理解暗物質，甚至反重力和零點能量。
儘管對於大型強子對撞機所能教給我們的東西存在懷疑，但這並未阻止科學家們推進其研究。
事實上，科學家們已經在歐洲尋求開發一個更大的對撞機——一個長達100公里，被戲稱為「未來環形對撞機」的裝置。
猜猜還有誰正在尋求建造自己的100公里對撞機？
沒錯，就是中國。
「世界最大粒子對撞機的建設可能在三年內於中國啟動，儘管它仍需獲得政府批准並確保資金，一位頂尖科學家表示。
據北京高能物理研究所所長王貽芳表示，耗資360億人民幣（50億美元）的環形正負電子對撞機（CEPC），也被稱為希格斯工廠，將耗時約10年建成，並成為下一個全球粒子物理學中心。
透過在100公里長（62英里）的地下隧道中將電子及其反粒子——正電子——加速到極高能量並使其相互撞擊，CEPC 將產生數百萬個希格斯玻色子，並使科學家能夠在標準模型（我們現有描述宇宙基本組成部分的最佳理論）之外做出新的發現。」
因此，當 Elon Musk 和 Jeff Bezos 等億萬富翁將物體送入太空時，世界各地的科學家們卻在尋求創造構成太空的物質。
當我們使用比以往任何時候都更高的能量撞擊粒子時，會發生什麼？
一個100公里長的對撞機可能達到100兆電子伏特的碰撞能量，約是大型強子對撞機 (LHC) 碰撞能量的六倍，並與超新星殘骸、脈衝星和宇宙射線所產生的碰撞能量相當。
問題是，這會帶來什麼不同嗎？
你認為會發生什麼？我們會創造黑洞嗎？打開另一個維度嗎？創造暗物質並利用無限能量嗎？
在這份投資通訊中解釋大型強子對撞機的原因是為了向您展示，未來將有大量新技術出現，這些技術將改變我們對世界的理解。
這不僅包括人工智慧的新發現，還包括使用工具進行的發現，這些工具讓我們能夠看到如此微小的東西，以至於我們只需一次呼吸就能檢測出疾病。
祝您狩獵愉快。
尋求真相，做好準備，
Carlisle Kane
