LHC——Large Hadron Collider

中文名：垃圾害虫对撞机

运行原理及使用目的：

通过把垃圾和害虫加速到很高的能量，使他们发生对撞，可以产生各种新的物质状态，以达到变废为宝、变害为益，制造新物种的目的。

设想我们让一只小强沿着周长约30 公里的圆周狂奔。刚开始的时候，它可以越跑越快，但到后来，由于肌肉的伸缩频率有限，就几乎不能加速了。但是，我们可以看到，它心跳越来越迅猛、喘气越来 越粗犷，直到最后肌肉膨胀、浑身发红，这都是能量增加的表现。这个时候，迎面奔来一只同样的小强，砰的一声，它们就撞上了。

两 只小强发生对撞，可以出来些什么呢？可能有蚂蚁、瓢虫、蜘蛛，如果能量加大的话，也可能有鱼，有青蛙，还可能有猫狗，如果能量再大，也可能出来猪、牛、大 象。当然，这些已经存在的物种并不是科学家们关心的对象，他们希望能够达到足够高的能量造出理论预言过却从来没有发现过的物种，比如恐龙。众所周知，种种 迹象表明地球上曾经在某个古老的时期出现过恐龙，如果没有恐龙，我们关于地球历史的理论将出现重大漏洞。可是，谁见过恐龙呢？科学家们严谨的态度要求眼见 为实，所以，我们一定要亲自造出恐龙才能进一步相信理论的正确性。另外，恐龙如何灭绝也是科学家们很感兴趣的一个问题，在垃圾害虫对撞机上发现恐龙将有助 于我们对这个问题的进一步研究。当然，我们还进一步期待在垃圾害虫对撞机上发现超出理论预言的新物种，这可以帮助我们探索物种的统一构造和地球早期的物种 形式。

引力理论还没学懂，所以上次民科了一把；这次回过头来思考一些学过的问题，比如量子力学里的全同性原理，希望能得到更深的认识。

量子力学教科书上提到的全同性其实有两层意思：一个含义是内秉量子数相同的微观粒子为全同粒子，另一个含义是全同粒子不可区分。这两层含义虽然相互关联，但却不能混为一谈。为了明确起见，我把前一个含义叫“全同性”，而把后一个含义叫“不可分辨性”。下面分别讨论这两层含义。

全同性是量子化的结果，因为只有量子化，也就是离散化，内秉量子数才能取完全相同的值。这个全同性，不涉及具体的物理过程，说白了，就是按内秉性质对粒子进行分内。这里面关键的一个问题是：什么是内秉量子数？空间坐标肯定不是内秉量子数，一个南半球的电子跟一个北半球的电子不会有什么区别。同样的，动量、轨道角动量、动能、势能这些与时空相关联的量都不是内秉量子数，而且它们的取值还可能是连续的。自旋肯定是最重要的内秉量子数，我们还要靠它来区分玻色子和费米子呢。那么自旋分量是不是内秉量子数？自旋分量跟空间转动有关，应该不是内秉量子数。那么我们就可下结论了：所谓内秉量子数就是与时空变换无关的量子数。打住！还没完。再看看同位旋。质子和中子的同位旋满足和电子自旋一样的SU(2)对称性，在强相互作用中，质子和中子被看成全同粒子，其物理效应就是原子核内质子和中子的同位旋波函数必须满足一定的对称性，以至于有些态不存在。质子和中子的同位旋一样，不同的是同位旋三分量，因此，在这里同位旋三分量不是内秉自由度，但它跟时空一点关系都没有！问题还没那么简单，同位旋三分量跟自旋三分量的不同之处在于，自旋分量可以通过动力学过程改变，而同位旋分量不行。一个电子可以处在自旋向上和自旋向下的叠加态，但一个强子能处于同位旋分量的叠加态吗？没见过，但如果可以的话，将会导致电荷不守恒。（哪位牛人帮我解答一下这个问题？）这也是同位旋一个很诡异的性质：明明是描述强相互作用的，却牢牢跟电荷扯在一起，总让人感觉电磁作用和强相互作用有某种关联。或许同位旋只是一个近似守恒量，不太适合进行这样的讨论。回到全同性，从同位旋的例子可以看出，内秉自由度用是否跟时空相关来判断是不准确的，而用群表示论可以给出内秉自由度的很好定义：如果可以把一系列粒子的某几个量子数纳入同一个群表示，其中有一个或几个共同的量子数作为表示的标记，则它就是内秉量子数，其余量子数就是表示的分量，不是内秉量子数。这也能提供一种寻找更高对称性，把各种粒子更多地统一起来的思路。异想天开一下：如果能把某些粒子的质量放到某个表示中作为分量的话，岂不就……哼哼，把这几种粒子真正地统一起来，而且还可以解决质量层次问题。还有，自旋本身是不是也可以放到某个表示中作为分量呢？这样的话，就有望把玻色子和费米子统一起来了——超对称是在干这事吗？不再发散思维了，进入下一论题。

未完待续……

We know form QFT that interaction field is material and has its own momentum-energy tensor, so is gravity field, while in GR, gravity is regarded as the curvature of space-time, so there seems to be no energy in the ‘gravity field’ (it’s not field at all!), at least I don’t see it in the Einstein’s field equation. Whether there is gravity energy or not, there are some problems. If there is no energy in the gravity field, it will violate the conservation law of energy when a charged particle moving in the gravity field and electric field, in which there is electric potential energy but no gravity potential energy. And of course, gravity behaves unlike a kind of force, so it is more difficult to unify gravity with other three forces. However, if there is energy in the gravity field, there will be more interesting phenomena – according to SR, energy equals matter, and according to equivalent principle, this matter can generate gravity, so the gravity field itself can generate more gravity, like the gluons in QCD. More interestingly, the energy of gravity field must be negative, not positive, (more precisely speaking, gravity energy density will run to negative infinity when a massive particle contracts to a point, and there lies a bound for the positive value, so we can choose the bound to be zero and the gravity energy be negative. This is contrasted to electromagnetic energy density which will run to positive infinity and has a bound for negative value.) so it will generate repulsive force, not attractive force. But I don’t think this will be true, for the gravity force will become even weaker on small scale, and the early universe is repelled much more than today.

2.         How can we keep the conservation law of energy in the explanation of dark energy?

  This question can also be asked as, ‘when the universe is accelerating, where does the energy come from?’ If the dark energy is considered to be some matter with negative pressure, does it mean that there is something doing work to pull the universe outside? This is embarrassing not only because we have to imagine something ‘outside the universe’, but also because there must be energy flow along the radius of our observation, which violates the homogeneity of the universe. So the energy seems to arise from everywhere in the space, like the stable-state model. I think there are at least two ways of keeping the conservation of energy. One is to consider that the energy comes from extra dimensions, that is, the energy is conserved in the whole space but flows from other dimensions to our four dimensional space. The other way is to consider dark energy to be negative energy, or equally, negative mass. This seems even more exotic, for negative energy which can’t be counteracted brings out the problem of instability. But I think there is some reason for me to believe negative energy: the negative energy can produce repulsive force if the equivalent principle is right. And as the universe expand, the density of dark energy keep constant or even increasing，this will no longer violate the conservation of energy, since the dark energy increased is negative.

LHC（Large Hadron Collider大型强子对撞机）由欧洲原子能研究机构（CERN）的LEP（Large Electron-Positron collider正负电子对撞机）改造而成，位于瑞士和法国边境，日内瓦湖旁边地下100米，是一个周长27公里的大圆圈，周围包裹的全是温度在1.9K的超导磁铁，光是改造就花了230亿瑞士法郎，折合150亿人民币。开动后一年要无间歇运行9个月，运行中的耗电量相当于整个日内瓦城的耗电量。现在参与这个项目的有包括中国在内的20个国家，常驻工作人员约2000人，此外还有近3000来自各个国家的科研人员。LHC运行后将产生海量的数据，世界上任何一个计算机组都无法单独处理，怎么办呢？那就利用世界各地的计算机吧!这就是所谓DataGrid技术，这里有一篇介绍文章，有兴趣的可以瞅瞅http://tech.ccidnet.com/art/1084/20040210/89348_1.html

这是真资格的“大科学”啊！要想进一步探寻自然的奥秘，得靠全世界通力合作才行。尽管由于能源耗费等原因，LHC遭到不少人的反对，但什么也阻挡不了人类追求真理的步伐。人类是多么渺小，又是多么雄心壮志，上帝看到这样气势磅礴的虔诚举动，还会发笑吗？
 

现代宇宙学的诞生，原来靠的几乎全是转业的天文学家和物理学家。

George Ellery Hale，一个狂热的天文望远镜建造者，从直径40英寸（1英寸=2.54厘米）的望远镜做到100英寸——当时世界上最大的望远镜。历经千辛万苦，耗尽了毕生精力，把几位助手逼得神经错乱，自己也因此受尽脑血管阻塞的煎熬。不过，正是他，为近代天文观测的伟大成就埋下伏笔。

Milton LaSalle Humason，从赶驴人转业的清洁工，竟然在Hale天文台的熏陶下成为无师自通的天文学家。他与后面出场的那位大人物通力合作，为确立那个震惊世界的大新闻立下汉马功劳。

Edwin Powell Hubble，大家都认识他了，不过他还是让我大吃一惊——此人简直是全能天才！Hubble高中时，在学业和体育方面就很出人头地。在芝加哥大学，主修数学和天文学，并成为重量级拳击手，差点与当时的世界冠军Jack Johnson比赛。随后他作为Rhodes奖学金获得者到牛津去学数学，但不久又转学法律（诡异！估计是他的律师老爸逼的），并在一次拳击表演赛中与法国冠军交手。法律学毕业后在肯塔基州路易斯维尔当了律师，但干了一年后，他最终认识到自己的真正爱好：“我为天文抛弃了法律，我知道尽管我可能是二流或三流人物，但只有天文学对我至关紧要。”于是他又回到芝加哥大学获得天文学博士，被授予Hale建立的威尔逊天文台的职位。第一次世界大战时，这位斗志昂扬的年轻人又主动投入战斗，并因为其出色的才干很快从士兵升到上尉。1919年欧洲和平后，他又回到了威尔逊天文台，投入了更加艰巨的战斗——天文史上著名的宇宙尺度之争。在Humason的合作之下，他们改进和利用当时最大的望远镜，成功地测量了数个星云的距离，并导致人类视野的又一次极大扩展——原来银河系也只不过是茫茫宇宙的沧海一粟。更大的冲击还在后面：由于能够有效测量星体的距离，便能够确定距离和速度的关系，这就是著名的Hubble定律——我们的宇宙在膨胀！据说Hubble最初发表的数据只有18个星系，而且距离测量也是极不准确的，真是佩服他居然可以拟合出一条直线并就此断定宇宙在膨胀。这或许跟他的法律训练有关——律师不是先定论再寻证吗？呵呵。

上面是观测方面的人物，下面理论人物出场了。

Albert Einstein，这位专利局的职员，他那美妙无比的广义相对论方程自然为现在宇宙学理论奠定了不可动摇的基础。不过可惜的是，由于他对永恒的过度信任，犯了一个伟大的错误，引入了一个可爱的宇宙学常数，使他自己与一个伟大的预言擦肩而过。说这个错误是伟大的，因为这个宇宙学常数至今仍幽灵一般纠缠着物理学家们，当然也为不少的物理研究者提供了工作岗位，根据伟大价值的就业岗位判断法，这个错误当然是伟大的。

Aleksandr Aleksandrovich Friedmann，这个名字是我学宇宙学以来遇见得最多的一个。Friedmann方程是宇宙动力学的基础，有谁能想到他是出自一位苏联气象学家之手呢？更想不到的是，这位气象学家在一次乘高空热气球探测大气时着凉染上肺炎，不久撒手人寰。而那时离Hubble定律的发现还有四年。可怜的人，他的名字闪耀在我们的教科书上，并将永载史册，而他却未能看到自己的预言得到证实。

Georges Lemaitre，比利时人，曾当过采矿工，参加过一战，转业后读得数学博士，1923年进入神学院担任牧师，一个月后出国学习天文学并很快独立推出宇宙膨胀方程（也即Firedmann方程），后来又提出“原初原子”理论，可以说是大爆炸理论的雏形。Lemaitre对宇宙学最大的贡献在于他坚持维护宇宙膨胀学说。在Hubble定律发现之前，Lemaitre曾把自己的结果告诉爱因斯坦，结果老爱很不礼貌地打击他：“你的计算是对的，但你的物理是讨厌的。”后来Hubble定律发现了，他总可以翻身了吧？还不行。宇宙在膨胀就意味着宇宙有开始，就意味着“创世纪”，是不是还意味着有上帝呢？于是很多物理学家把膨胀宇宙学看成宗教而不是物理学，并戏称为“Big Bang”——大爆炸，这原来是个讽刺语。再加上Lemaitre牧师的身份，更让他尴尬的是梵蒂冈教皇也兴致勃勃地大谈“大爆炸”，可怜的Lemaitre只好求教皇不要支持自己，要不然真是没办法跟那帮死心眼的物理学家说清楚了。Lemaitre就这样孤身奋战，直道后来Gamow等人加入战斗，并于微波背景辐射的发现取得决定性的胜利，当然这是后话了。（Gamow是个很有趣的人物，我想什么时候读读他的自传再来好好八卦一下他。）

那是一个激动人心的时代，宇宙的奥秘吸引着所有喜欢仰望星空和沉思世界的人。现在其实也一样，尽管路途似乎变得更遥远，更艰辛，但只要执着于喜欢的，你就会发现你有无穷的潜力。

注：本文所有史料参考徐一鸿《爱因斯坦的宇宙——老人的玩具》

统一性是涉及宇宙最底层结构的性质，与之相对的，和谐性是涉及宇宙高层结构的性质。与统一相对应的是简单，是还原论；而与和谐相对应的是复杂，是整体论。美国传统词典解释Cosmos: The universe regarded as an orderly, harmonious whole，这里面包含“有序”、“和谐”两个词，我之所以用“和谐”，而不用“有序”，一是因为和谐包含了有序，二是因为“有序”这个词常让人想到“简单”（尽管事实上有序并不一定简单，比如生命体就是高度有序，但同时也是高度复杂）。要理解和谐性，就需要把宇宙作为一个整体来看，因为和谐性不是宇宙某个组分的单独性质，而是各个组分之间的关系，同时，和谐性也是一种复杂性，而且是一种有序的复杂性。

动态平衡是和谐性的重要含义之一。古希腊人把有序性看成宇宙的基本性质，我猜可能跟他们熟悉行星运动有关，圆周运动作为周期性运动的典型代表，就体现了很强的有序性，而且是最简单的有序性。由于这种星体运动的周期性，便有了地球上四季更迭、日出月落的周期性，而生命本身也呈现一种周期性。除了周期性，世间万物还存在一种在动态平衡的发展方式，大自然需要生态平衡，人体内部也需要诸如酸碱平衡、电解质平衡、神经拮抗平衡、肠道生态平衡等机体内平衡。中国的古人很早就注意到这一点，发明了阴阳五行的方法来描述自然界和人体的各种周期性和动态平衡运动，作为一种整体论的方法，确实包含了不少智慧。周期性和动态平衡都是有序性，不过我认为，动态平衡是更基本的，周期性运动可以看成特殊的动态平衡。中国古人就把四季和日夜的更迭等周期性运动解释为阴阳对抗螺旋发展的结果，所谓“阴盛阳衰，阳盛阴衰；重阴而阳，重阳而阴”，早在几千年前就用形象的语言道出了西方的辩证法。当然现代科学对四季日夜的解释是地球的公转和自转运动，似乎与动态平衡无关，与阴阳对立更无关。仔细想想，其实圆周运动可以看成二维谐振子运动，而谐振子运动不就是一种典型的动态平衡吗？达成动态平衡的必要条件就是反馈，其中正反馈保证“动态”（量的正反馈积累直接导致质的改变），负反馈保证“平衡”。谐振子的回复力就是最简单的负反馈机制，那么，圆周运动就是在负反馈作用下的运动，也就是平衡。由此可以推广，认为所有周期运动都是负反馈作用的运动，也都可以归为特殊的动态平衡，而阴阳对立就是对负反馈机制的一种描述。

动态平衡之所以重要，还因为它是形成复杂性的必要条件。既然叫“平衡”，就有稳定的含义，而“动态”又意味着发展，所以动态平衡就是“在稳定中求发展”（怎么这么像人民日报用语呢？汗~~~~）在生物进化论中，复杂性的形成是一种积累效应。基因变异的方向是随机的，大量的同种生物只有很少一部分会向更复杂更有序的方向变异，还有一部分会丧失部分有序性，退化到相对简单的形式。如果自然环境相对稳定，有序性就具有很好的适应性，也就会被保留下来进一步变异，这样一步步阶梯一样地发展出复杂的生命体来；如果自然环境总是在急剧的变化中，复杂生命体就很难适应，这样就永远不可能进化出高等生物，甚至可能连生命都难以产生。反过来，生命进化本身也会影响环境，因此也参与到动态平衡的反馈机制中。我们的家园——地球，就是在这样一个动态平衡的演化中发展到今天。不仅仅是地球上的生命演化，整个宇宙的演化可以说都处于动态平衡中。从宇宙早期核合成，到恒星形成与死亡，都伴随着正负反馈机制。今天我们人类发展出这么辉煌的文明，用我们对宇宙的认识，把地球完全改变了模样，也改变了我们自己，如果从整个宇宙演化的角度看，这不也是一种反馈吗？这种反馈对人类自己的结果是什么很难预料，但有一点是肯定的，我们只不过是宇宙演化中的一个环节，我们所做的一切，无论是出于我们多么自以为是的目的，都只不过是按照宇宙自身的规律履行着演化的行为，我们始终摆脱不了反馈机制，无论是自然还是社会，总会在一种动态平衡中发展，我们是反馈的作用者，同时也是被作用者。

最基本的物理规律里面是没有反馈机制的，只有当各种基本组分构成一个系统时才有可能出现反馈机制以及其他复杂性质，这也就是为什么用还原论难以理解世界复杂性的原因。出于对还原论的偏爱，我总是希望有一天能找到复杂性的还原论根源。的确，我们已经可以用基本理论来推导出某些反馈机制——比如电磁学里的楞次定理，也可以轻而易举地构建各种反馈电路。但我想知道的是，我们的基本物理定律是不是一定保证了各种反馈机制的出现，如果换一套基本定律，是不是就不可能或可能不出现反馈机制，进而也就不能出现一个充满复杂性的丰富多彩的世界？

未完待续

今天又想了一下，感觉统一性和同一性实际上都是对称性，当然是不同层次的对称性，正如前面指出的一样。从另一个角度，也可以对统一性进行层次的划分。最基本的应该是时空平移对称性，姑且称为“狭义”的统一性，因为如前所述，这是一种有意义的物理得以存在的基础。其次是时空旋转对称性，包括空间转动和洛仑兹变换不变性，因为作为一种显得“自然”的理论，不应该存在一个个特殊的时空状态，它们的物理规律都各不相同。至于时空反演对称性以及抽象空间的对称性，现有的理论认为大部分是破缺的，但究竟是“统一性”的破缺，还是只是“同一性”破缺呢？统一性实在是太美了，以至于物理学家不忍心打破它，于是便把破缺推倒了同一性的身上，便有了“对称性自发破缺”的概念，也即，物理规律本身是对称的，我们看到的对称性破缺是因为随机选择了某个特定的状态。比如标准模型里的Higgs机制使真空场在真空能最低的所有场取值中获得一个特定的值，这样就打破了各个取值的同一性，而且按照现有理论，这个真空场应该在宇宙暴涨末期的相变中获得，由于当时的视界非常小，宇宙各个区域的真空场就有可能不同，这样就打破了宇宙空间状态的同一性，同时，作为统一性代表的规范对称性得到了“保护”，就好比如果我们的宇宙呈某种奇形怪状的分布，那是因为初始状态的不对称涨落造成的，而不是因为空间本身不对称。利用对称性自发破缺的方式能不能解释一切不对称呢？比如空间反演不对称，是不是同样可以解释成真空场的不对称，而不是空间中物理规律的不对称？那么时间反演不对称呢，时间之箭是不是也与某种不对称的场相关？抽象空间的对称性破缺又如何解释？把对称性破缺都归为同一性的破缺这种方式能走多远？至少到目前为止，统一的信念一直被视为探索自然基本规律的指导思想之一，如果某个理论不具统一性，那么它就一定不是基本的理论。

物理学家们太钟爱“统一”了，但愿上帝也同样钟爱“统一”。

未完待续

郑重申明：尽管这是今天中国政治的两个关键词，但此文只谈物理，与政治无关。

在英文中，表示“宇宙”的两个最常用的单词是universe和cosmos。这是我最喜欢的两个单词，因为他们很准确地体现了我眼中宇宙的性质。

UNIVERSE：uni- ＋ verse 旋转，变成，原义是被弄成一个东西。看来这个词是有上帝创造宇宙的意思。不过我总喜欢把它理解成unified verse——统一的诗篇，很形象地突出了宇宙的统一性。

COSMOS: 来自古希腊语kosmos，原始含义是“有序、协调”，与chaos(无序、混沌)相对。这个词突出了宇宙的和谐性。

统一与和谐，是宇宙的两个最基本的性质，也是物理学赖以存在的基础。

先说统一。“统一”不等于“同一”，不是指所有事物都具有相同的属性，而是所有时空的基本物理规律是一样的。当然这个“基本”要看基本到什么层次，比如说引力常数如果真是跟时空无关的“常数”，并且从原则上不能被其他理论推出，那么它就是一个基本规律；如果引力常数是要随时空变化的，或者它能够被其他理论推出，那它就不能算是基本物理规律。所谓统一性，就是说我们总能够找到这样一种物理定律，它在所有我们可以想象的时空范围内都是不变的。与统一性紧密相联系的是相对性。它是站在观察者角度的一种统一，就是说，处于不同时空状态的观察者所见到的物理规律都是一样的。根据狭义相对论，不同惯性参照系中的物理规律是一样的；根据广义相对论等效原理，引力场与局域加速场中的物理规律是一样的。相对性就是时空对称性，而对称性本身就包含有统一的意义。相对性可以称为“统一性”，与之区别的是“同一性”，它不是基本物理规律的相同，而是事物表观性质的相同。在宇宙学中有一个最基本的假设——宇宙学原理：宇宙在大尺度上均匀各向同性，没有中心，所有空间点上的观察者所看到的宇宙都是一样的。这就是典型的同一性。需要说明的是，同一性并不是宇宙的基本属性。且不论宇宙学原理并没有做到完全同一，因为宇宙对时间而言并不是不变的（曾经风靡一时的稳恒态模型倒是很彻底，认为宇宙也不会随时间演化，可惜现在已被很多观测证据几乎逼入绝境），如果根据已被证实的物理学，我们完全有可能得到一个各个区域物质构成和形态都不同的宇宙，我们甚至有可能生活在一个多宇宙的世界中（人择原理的爱好者们很喜欢这样的理论）。即便同一性被打破，也丝毫不会损伤宇宙的统一性，因为不同宇宙的区别在于非基本的物理参数不同，而基本的物理定律是相同的，否则我们也不可能描述“其它宇宙”了。看起来好像是为了能描述而要求宇宙统一，事实上也正是如此。物理学家之所以敢探求万物之理，是因为他们都有一个坚定的信仰：整个物理世界具有统一的规律。如果今天和明天，北京和纽约的物理规律都不一样，那么物理对我们而言又有什么意义呢？自从牛顿统一了地面和天上的引力规律以来，这个统一的信念一次次地指导者物理学家去探寻，真是屡试不爽，并且在相对论中大放异彩，使得我们越来越自信，野心也越来越大，甚至相信物理可以从原则上解释世间的一切。所以说，统一是一种信念，统一的极限就是物理的极限。

未完待续

问题：假设你在封闭的电梯里点燃了一支蜡烛，电梯的拉索突然断了，整个电梯做自由落体运动，请问此时蜡烛会怎样？为什么？

在失重状态下，不同密度的空气不会因为重力发生相对运动，就不会形成对流，蜡烛燃烧的氧气只能通过分子扩散来补充，而这个速率是相当小的，不足以维持蜡烛的燃烧。因此，正确答案是——蜡烛会熄灭。