■位於瑞士跟法國交界，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機，在地下175米的深處，有一條圓周長達27公里的圓形隧道。 網上圖片不知大家有否聽說過，在地球地下175米的深處，有一條圓周長達27公里的圓形隧道？這條隧道裡的磁鐵磁場強大，是地球本身磁場強度的10萬倍。為了維持如此強大的磁場，這些磁鐵更需要在攝氏零下271度之下運作。如此驚人的建築與設施，其實就是位於瑞士跟法國交界，歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider），堪稱世上最大的顯微鏡。
探究物質結構 發現全新粒子
這個深藏地下、圓周長達27公里的建築，自然實至名歸地與「大」扯得上關係；不過為什麼它是一部顯微鏡呢？因為這個大型強子對撞機，其實是用來深入探究物質結構的：平日的生物顯微鏡可以用來察看各種細胞；電子顯微鏡可以看到金屬、結晶體的表面結構；但是這個大型強子對撞機，卻是希望超越組成原子核的質子與中子，發現新的粒子，並深入研究組成質子中子的夸克（quark）。用來察看如此微細結構的工具，難道還不是顯微鏡嗎？
然而這個「顯微鏡」為什麽要建得那麼大？有什麼好處或需要？最歸根究柢的原因，在於我們需要把大量的能量「灌注」於一些粒子之上。愛因斯坦著名的狹義相對論告訴了我們，E = mc2，也就是說能量（E）和質量（m）可以互換：質量可以「化為烏有」，變成無形的能量；但反之無形的能量，也可以轉換成實質的質量。粒子物理學家一直很好奇，在微觀的世界裡，是否還有更多、更重的粒子未被發現？這些新的粒子自然在世界的各處造成或多或少的影響，或許可以幫助我們解答其他未解的問題。
在大型強子對撞機中，普通物質中的質子被加速到極高的速度與能量；這些高速度、高能量的質子其後會互相對撞；在對撞的那一刻，有些時候就可以將這些質子的能量轉化成較重的未知粒子。2012年大型強子對撞機發現的希格斯玻色子（Higgs Boson），就是一個好例子。自然能量、質量互換並不等同於能量虧欠：要產生愈重的粒子，我們要投放進去的能量就愈多。
質子速度愈高 相對波長愈短
量子物理學的基本原理，也可以解釋為什麼大型強子對撞機需要高能量。量子物理學告訴我們，任何物質，包括在對撞機裡被加速的質子，都可以被看成一束光：這道光束的波長，與物質的質量跟速度成反比，也就是說質子的速度愈高，其相對的波長就愈短。
要觀察細微的物件，需要波長短的光；長波長的光，就好像刻度粗疏的間尺，無法用來量度微細的事物。大型強子對撞機將質子加速到極高的速度，可以想像成是將這些質子變成刻度精密的間尺，再用來「剖析」其他的質子。
大型強子對撞機需要高能量的粒子，看來是可以理解了，但是為什麼它需要如此巨大的面積呢？這種圓形設計的對撞機，其實需要被加速的粒子不停的繞圈轉：每一次粒子經過某一個特定的位置，就會得到更多的能量。大家應該可以想像，當粒子的速度愈來愈高，要它們拐彎將會愈來愈困難。
現在的做法，就是運用強力的磁鐵。不過縱然用到如前所述的強力磁鐵，現在的大型強子對撞機也已高達圓周27公里了。在未來的日子裡要如何進一步探索微型的世界呢？大家可能要再多用一點心思了。■張文彥 香港大學理學院講師
短暫任職見習土木工程師後，決定追隨對科學的興趣，在加拿大多倫多大學取得理學士及哲學博士學位，修讀理論粒子物理。現任香港大學理學院講師，教授基礎科學及通識課程，不時參與科學普及與知識交流活動。