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如果有太阳系那么大的粒子加速器，我们可以解开时空之谜

图：Stable Diffusion

引力弱得令人难以置信。想想看，你可以抬起脚，尽管整个地球对其施加着拉力。为什么引力会那么弱？这暂时还不清楚。可能需要一个非常非常大的科学实验来弄明白。

James Beacham是杜克大学的物理学家，他在瑞士著名的大型强子对撞机(LHC)的ATLAS探测器上工作。他最近描述了他的梦想物理实验：一个难以想象的大型原子对撞机(超级强子对撞机)围绕太阳系的边缘。这样的实验可以一次性解决物理学的大部分谜团，例如暗物质的真实性质，或者时间旅行是否可行。

Beacham说：“为了理解大爆炸之后的第一刻发生了什么，越来越接近那一刻，我们需要在对撞机实验中获得更高的能量，为此我们需要建造更大的对撞机实验。我们现在很清楚宇宙大约有苹果大小时发生了什么，这是我们可以在LHC获得的能量范围内实现的。但比这更小的尺度，比这更早的时间，就是一个谜。”

物理学家们很确定他们知道宇宙的基本原则。粒子通过四种已知的力(电磁力、弱力、强力和引力)相互作用。每种力都有经过数百年实验得出的规律。每一种力都有不同的强度。

与其他三个力相比，Beacham说：“引力不仅很弱，而且几乎可以忽略不计。” 他这样描述：“在我工作的大型强子对撞机(LHC)，我们通过以高能量猛击质子来研究基本的自然规律。我们探索的规律是以粒子和力的形式描述的，当我们计算高能量质子碰撞时，我们甚至不关心地心引力…如果我们把最强的力——强力——强度定为1，那么引力的强度就是10-39。那是一个后面有39个零的小数。几乎就是没有。”

这是科学的一个巨大而让人费解的谜题。为什么这些力的强度会排列成这样？为什么引力这么弱？

自然就是它本来的样子，不管人类觉得它应该是什么样子。但实验表明，在足够高的能量下，电磁力和弱力会合并成同一个力。在更高的能量下，物理学家有理由怀疑强力也会与它们统一。但引力似乎有所不同。科学家不知道在足够高的能量下，引力是否会与其他力统一。

“引力确实是一种自然力，但它的规则——也就是最好、最准确描述它的数学——与其他力学规则却有着某种非常不同”，Beacham说。“引力最好用爱因斯坦的广义相对论来描述，而其他三种力则由基于量子场论的标准模型来描述，不过它们之间也有一些相似之处…但它们非常不同。事实上，有些人会说它们是从根本上不同的：当我们尝试粗暴地把它们结合起来时，得到的结果都是无稽之谈。”

在我们现有的宇宙中，“凭借我们目前的技术，这个问题几乎不可能通过实验得到答案”，Beacham说。为什么呢？“我们无法达到如此高的对撞机能量，主要是因为我们目前无法建造足够大的粒子对撞机来达到这一目标。”一些理论家认为，可能会有一些额外的东西(比如其他粒子或弦论及其延伸所提出的额外空间维度)会在更可行的实验中显现出来，从而可以把引力与其他力结合起来。但要真正知道，我们就需要到太阳系的边缘。

即使是27公里的环形大型强子对撞机(它使用超导磁铁来加速碰撞质子，达到99.999999%的光速)，也不足以回答这些问题。它只能探测宇宙在苹果大小时的状态。科学家需要更多的能量，因此就需要一个更大的对撞机来探测它在更小尺寸时的状态。

需要多大？你可以用一个环绕火星的对撞机来统一强核力和弱核力。但要把引力也加入其中，“按照一些粗略估计，我们就需要一个环绕海王星的轨道的对撞机。更糟的是，一些物理学家声称，这样的估计是完全无稽之谈的，我们还得更大一些。”它的好处将是巨大的——这样的对撞机将探测到普朗克尺度，也就是量子力学所允许我们最能够探索到的规模。“我们将了解到关于重力、量子力学的一切——而且，顺便一提，我们也会得到电弱力和强核力统一的结果，还有时间旅行、弦论、暗物质、暗能量、测量问题、多元宇宙论等等”。时间旅行？正如Beacham解释的，我们将拥有关于宇宙及其空间和时间如何运作的如此详尽的了解，或许我们能够在未来实现时间操纵技术。

“引力和其他自然力完全有可能在某个极高的能量下统一起来，但是为了研究这个问题，我们需要建造一个LHC式的对撞机，环绕太阳系的边缘，或者更大的空间。这是一个理想的夏季项目。”

不幸的是，Beacham的梦想实验目前是不可能实现的：

建造环绕太阳系外围的粒子对撞机的技术、人力和资源根本不存在。即使我们只使用LHC上使用的现有加速器和探测器技术，挑战仍然在于实际的规模：甚至不清楚是否太阳系的任何资源(如地球、月球、行星、小行星等)上有足够的可用材料来构建这样的结构。

而要将质子加速到LHC上的这样高能量，我们需要使用超导磁铁。磁铁只有在非常低温下才能获得超导性能。你可能认为，在太空中建造粒子加速器会有优势。太空非常冷！但不幸的是，它还不够冷，虽然外太空的温度是2.7K，但磁铁需要到1.9K才能达到超导性。LHC上我们使用液氦来达到这些温度。目前尚不清楚是否在附近的宇宙中有足够的可用液氦来冷却一个环绕太阳系边缘的环形加速器。

在这样的能量下，探测器需要非常庞大。需要训练物理学家，提供难以想象的计算能力。需要先进的机器人，需要防护小行星、彗星和其他碎片。还需要能源。不能使用太阳能，因为机器环绕海王星距离太阳。“这样的规模需要能源上的进步，这种进步可能还没有被想象出来，只有期待它出现在将来的某一天。”

这样的实验将会改变物理学。最终，这些实验有助于物理学家理解事物，而这种加速器将为许多问题提供确凿的答案。它将改变人类思维。它将改变我们对“理解”的理解。

如果我们在太阳系边缘建造一个粒子对撞机，我们获得的知识——关于引力性质、量子力学和广义相对论如何结合、时间旅行、大爆炸时刻发生了什么、我们的宇宙是否只是多元宇宙中的一个几乎无限的宇宙之一，将会从根本上改变我们对现实的认知，改变我们与自然的关系，以至于我们现有的语言和理解世界的方式都将会显得如此不足，以至于我们需要发明一种新的理解方式来取代。

显然目前没有人正在研究这样的实验，尽管欧洲核子研究中心(CERN)已经提出了一个未来环形加速器，它将包含一个80至100公里长的隧道环。但也许，在宇宙某处有人或某种东西正在为这个项目而努力。Beacham说：

如果某个遥远的文明正在进行这些实验，那将是太棒了，识别和与外星社会沟通最吸引人的一个方面就是询问他们关于基本物理实验的情况。他们是否测量出了希格斯玻色子的相同质量？他们是否发现了X和Y玻色子，这些粒子可以证明电弱力和电强力的统一？他们是否达到了普朗克尺度？暗物质是什么？我们可以穿越时空回到过去吗？”

宇宙将继续按照它遵循的任何规则工作。真正的问题是，人类是否有能力真正理解这些规则。

本文译自 Gizmodo，由译者 八里 基于创作共用协议(BY-NC)发布。

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