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第195章 物理课堂

作者:神游庄主本书字数:K更新时间:
    教授原打算结束提问顺便下课,但现在同学们兴致高昂,讲台下立刻有人举手,教授话没说完就停止了,抬手示意对方开口。


    那名同学问道:“教授,按您的说法,现在五项低能实验只能初步约束弦理论的框架。那在超级对撞机建成、真正达到普朗克能标之前,我们对弦理论的实验验证,就只能到此为止了吗?”


    教授微微点头,沉稳的回答他:“你问到了整个领域最核心的问题,答案是:差不多了,目前只能走到这里,再往下,必须靠对撞机。”


    有学生紧接着继续提问:“我们不能再通过高精度测量、常温超导装置、地下实验室,继续挖更微弱的信号吗?”


    教授:“不行,你们要分清两件事:我们现在测到的,是弦振动在低能区的次级效应:光速微小偏移、真空各向异性、引力高维泄漏的微弱痕迹。这些能佐证弦理论,但不能直接证明弦的存在。想直接观测到弦本身的行为、验证弦的动力学、确定弦振动模式,必须进入高能区。”


    课堂上的气氛安静下来,所有人都在听着教授讲话,同时也在内心消化。这时,后排那个基础偏弱的同学犹豫了一下,还是轻轻举了手。他旁边的室友下意识闭了闭眼,表情是那种 “别问别问,别暴露层级” 的无声无奈,但最终还是没去打断他。


    他有点迟疑的问道:“教授…… 那、那我们现在这些实验,算不算已经验证弦理论了?”


    没有人笑,有许多同学知道答案,但心中还是抱有幻想,整个教室的气息都微妙的一顿,这是个概念上差了一层的问题。


    教授没有苛责,只是把逻辑讲得更干净:“不算,我们现在做的,是排除了大量反对弦理论的可能性,并找到了支持弦理论的低能证据。这叫‘初步印证’。真正的‘验证’,需要直接观测到弦的激发态、弦之间的相互作用、弦振动对应的物理共振。这些信号,只会出现在对撞机的高能碰撞里。”


    教授的话刚说完,立刻有学生举手,问题有些尖锐。


    他问道:“教授,我有个关键疑问。我们测到的是光速微小差异,这和当年迈克尔逊?莫雷实验的探测目标很像。为什么当年的实验否定了以太,确立了相对论时空观。而我们这次测出的微小偏差,为什么不能用来修正相对论、否定现代时空观,反而能指向弦理论?”


    教授微微点头,显然这是个必须讲透的核心问题,“问得非常准,这正是整个实验最容易被误解的地方。”


    有人插话:“是不是精度问题?”


    教授:“你这么说也行,但主要也是信号来源完全不同,我把逻辑拆开来讲。第一,迈克尔逊?莫雷实验,测的是以太风造成的光速各向异性。他们的实验结果要确认谁正确?是牛顿绝对时空 + 光以太,还是相对论的光速不变。”


    “因为测量到的结果量级太小,以太风预言的地球公转速度带来的光速偏差是 10 的 -8 次方的偏差,之前的偏差是10 的 -18 次方,这次的偏差精确到了 10 的 -21次方量级,量级太小对以太实验来说可以认为是 0,所以否定了以太的存在,从而否定了绝对时空观。”


    “第二,我们这次的实验,是在相对论完全正确的前提下,测到了相对论无法解释的、极其微小的残余偏差。这个偏差不在低能宏观区,不在电磁尺度,而在10?21 量级的真空精细结构上。它不违反相对论,而是在相对论之下,还有一层更底层的真空结构。”


    这时,那个基础偏弱的同学又轻轻举了手,有点犹豫。他室友轻轻吸了口气,表情中写满了 “别在这种硬核问题上插刀”,但还是没有去拦,也许丢人丢够了,就可以选择放弃在自己不精通的领域发展了。


    他弱弱地问道:“教授…… 那、那这个偏差,就不能是仪器误差吗?为什么直接归到弦理论?”


    教室里很安静,没有人笑他,但这是一种低级错误,这是把 “实验结论” 和 “误差” 混在一起的典型浅层疑问。


    教授看来真的心情很好,他语气平和、不贬不嘲道:“因为我们做了五套独立实验,在三个国家的地下实验室重复了上万次,误差源全部排除。这个微弱信号稳定、可重复、方向性一致,不是噪声。”


    “更关键的是:它的数值、对称性、角度依赖,不符合任何已知场论、修正引力、暗物质模型,却和弦理论预言的高维紧致化、真空弦振动的次级效应高度吻合。”


    教授环视课堂,给出最终总结,清晰、有力、一锤定音:“这个问题的结论其实很简单:迈克尔逊?莫雷实验的零结果 = 否定以太,确立相对论。”


    “所以我们这次非零微小稳定结果,不是推翻相对论,而是在相对论底层,观测到了弦理论预言的真空精细结构。”


    “这个信号不挑战现代时空观,而是第一次给出了弦理论存在的低能实验证据。这就是为什么,它被称作物理学半个世纪以来,最关键的一次高精度测量。”


    本小章还未完,请点击下一页继续阅读后面精彩内容!有人提出工程问题:“教授,那欧洲核子中心 CERN 那边,下一代对撞机现在进展到哪一步?他们有没有已经替换成室温超导?能级够不够用来直接验证弦理论?”


    他充满希望的看向教授:“还有就是,那边现在到底是什么状态?有没有开始换室温超导?”


    教授的话让他的希望落空了:“CERN 目前还在运行高亮度升级后的 LHC,能量 14TeV。他们规划的下一代 FCC,还停留在方案论证,经费、选址、技术路线都没完全定下来。室温超导这类新技术,他们还没有纳入正式工程基线。”


    有人问道:“那能级够不够验证弦理论相关的物理?”


    教授:“远远不够。LHC 的磁场只有 8.3 特斯拉,14TeV 离激发新物理区间还差一个量级以上,更不用说直接和弦相关的能标。”


    还有人继续问:“那如果按腾格里对撞机的规格,用 800 特斯拉的室温超导磁体,环长 24 公里,这套配置能到多少能级?”


    这个问题其实很好计算,他只是太激动了,教授微微一笑,理论物理方面很久没有讨论的这么热烈了,有人没等他回答继续在问:“教授,那如果给 CERN 的 LHC 直接换上我们现在的室温超导磁体,能不能把磁场拉到 800 特斯拉,把能级提上去?”


    教授:“不行,硬件先天卡死了。LHC 的隧道周长 27 公里,曲率半径太小。”


    有人奇怪:“曲率小会有什么问题?”


    他这个问题被人鄙视了,但今天教授兴致不错,很痛快的回答他:“粒子能量越高,需要的偏转半径越大。磁场越强,粒子转弯越急,但隧道半径就这么点,磁场一超过临界值,束流直接就会撞向管壁,根本存不住。”


    有人提问:“也就是说,就算室温超导能做到 800T,装到 LHC 里也用不起来?”


    不等教授回答,有同学就回答他了:“确实用不起来,它的二极磁体安装空间、孔径、束流管道、校正系统,全是按当年 8 到 12 特斯拉设计的。直径只有 7 米多不到 8 米,太小了。强行上高磁场,磁场分布、束流稳定性、辐射散热全部得崩盘。”


    教授点头示意他说的很对,教室里开始你一言我一语展开了热烈讨论。


    有人说:“那 CERN 规划的下一代环形对撞机呢?”


    教授笑了,带着点嘲笑的意思:“他们设想的是 100 公里级别的新隧道,但立项、资金、国际协作、建设周期全部悬着。在现有隧道里升级,天花板非常低,远远够不到弦理论需要的能标。”


    刚刚那人继续问道:“所以 CERN 这边,就算有室温超导,能做的工作也很有限?”


    不等教授回答,同学们直接就回答上了:“客观上来说,就是这样。现有装置的几何参数决定了上限,不是换磁体就能解决的。”


    “那夏国这边的新装置,是不是从一开始就为 800 特斯拉室温超导设计的?”


    教授:“对,轨道曲率、磁体孔径、束流真空、地下防震、屏蔽结构,全部按高场、高稳定、高能量的目标匹配。”


    有人失望的问道:“等于说……CERN 那边可能永远等不到能验证弦理论的装置了?”


    教授没有直接回答,但他说的话很明显:“从当前技术路线和工程条件看,结论很明显。”


    有些人有些失望了,但马上又变得高兴,CERN的下一代工程直接被按死在图纸里了,未来不是很难说应该是可以肯定,不会有相应的资金和拨款。现在腾格里对撞机珠玉在前,他们唯一能做的也就做一些现有的优化方案,比如替换成室温超导体,降低维护费用,能级或许会再提高一些,但也有限。


    但是那边的办事效率,大家都很清楚,等他们替换完了,这边估计都已经建设成功了。


    硬件限制现在他们已经知道了,CERN的隧道直径也就只有 7 到 8 米,而腾格里的隧道直径是30米,双方根本不在一个量级,能放下的设备的磁场屏蔽层也不是一个量级。


    对撞机这种东西,磁场不是越大越好,而是在磁场稳定的情况下越大越好。


    什么叫做磁场稳定, 简单来说如果磁场屏蔽要做好。如果紧临约束管的外面有个铁钉子,这个时候因为这里的磁场还很强,铁钉子就会被磁化,就会因此产生一个杂散磁场,就会转而影响内部磁场精度,从而导致实验的不精确,进而就是实验没法做,勉强做的话,出来的数据也没了参考意义!


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