把头伸进粒子加速器会怎样？

昵称535749 2017-02-08

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Joel Frohlich 发表于今天10:09

（译 / 红猪）如果把身子探进一台粒子加速器，会发生什么？这听起来像一部差劲的漫威连环画开头情节，但它也为我们关于辐射、关于人体的脆弱、关于物质本性的直觉提供了一些线索。粒子加速器赋予了物理学家研究亚原子粒子的新手段：他们将粒子在强大的电磁场中加速，并追踪撞击后产生的相互作用。因为探索宇宙奥秘，对撞机成为了时代精神的一部分，也激起了现代人的惊奇和恐惧。

早在2008年，就有人指责欧洲粒子物理研究所（CERN）在用大型强子对撞机（LHC）制造微型黑洞，据说物理学家就是用这个法子寻找其他维度的。在许多人看来，这都像是一部科幻灾难电影的情节。后来果然有两个人提起诉讼，要求LHC停止运营，以免制造出强大的黑洞毁灭世界。但物理学家辩称这纯属谬论，诉讼也遭到了驳回。

2012年，LHC找到了寻访已久的希格斯玻色子，有了这种粒子，就可能解释其他粒子是如何获得质量的了。这个伟大成就使LHC进入了流行文化，2013年，重金属乐队Megadeth把它放在了唱片《超级对撞机》（Super Collider）的封面上；2014年，美国电视剧《闪电侠》也把它写进了剧情。

专辑封面上的LHC。（图片来源：Megadeth）

但是虽然有了这些成就和荣耀，粒子物理学却因为太过抽象的缘故，其含意或用途始终少有人理解。不同于NASA向火星发射探测器，CERN的研究并没有创造什么震撼人心的具体形象。最能体现粒子物理学研究的是黑板上的公式和称为“费曼图”的弯曲线条。就连诺奖得主奥耶·波尔（Aage Bohr，波尔原子模型的提出者尼尔斯·波尔之子）和同事欧勒·乌尔夫贝克（Ole Ulfbeck）都主张亚原子粒子只是数学模型、没有物理实体。

这就要说回我们最初的问题了：当一束接近光速的亚原子粒子撞上人的血肉，结果将会如何？也许因为粒子物理的概念和生物学相距遥远，不但普通人的直觉不足以回答这个问题，就连一些专业物理学家也一筹莫展。2010年，诺丁汉大学的几位物理学和天文学家在Youtube接受访问时承认，他们也不知道把手伸进LHC的质子束中会发生什么。迈克尔·梅里菲尔德（Michael Merrifield）教授简明地说道：“这个问题很好，我不知道该怎么回答。不过你很可能会受到重创。”劳伦斯·伊维斯（Laurence Eaves）教授也不敢轻易定论，他说：“以我们观察的能量规模而言，对人的效果应该不会太明显。”但他的话里也难免有些英国式的轻描淡写，“我会不会把手伸进粒子束？也许是不会的吧。”

对于那些无法在实验室里研究的情况，这样的思维实验可以说是有用的探索手段。不过偶尔也会发生一些为研究提供实例的不幸意外：一些因为伦理原因无法开展实验的课题，都可以用这种方式研究。这类实例研究都只有一个样本，且没有对照组。然而就像神经科学家V·S·拉马钱德兰（V.S.Ramachandran）在1998年的著作《脑中的幽灵》（Phantoms in the Brain）中指出的那样，要证明猪会说话，只要一只会说话的猪就行了。比如在1848年9月13日，一根铁条穿透了美国铁路工人菲尼亚斯·盖奇（Phineas Gage）的头颅，深刻改变了他的性格，也为人格研究提供了早期的生物学依据。

1978年7月13日，苏联科学家阿纳托利·布戈尔斯基（Anatoli Bugorski）把头伸进了一台粒子加速器。在那性命交关的一天里，苏联最大的粒子加速器，铀-70同步加速器出现了故障。布戈尔斯基在给它检查时，一部安全装置失灵，一束质子以接近光速穿过他的头部，就像铁条插进菲尼亚斯·盖奇的头部一般。在此之前，历史上或许还没有谁受过这样高能量的集中辐射。虽然这次事故之前已经有人在试验用质子束摧毁肿瘤，但这类疗法中的粒子束一般不高于2.5亿电子伏（一个用于小型粒子的能量单位）。布戈尔斯基遭受的照射能量也许比这高出了300倍、达到了760亿电子伏。

质子辐射是一头珍奇异兽：太阳风和宇宙射线中的质子会为地球大气所阻挡，而放射性衰变中的质子辐射又太稀少，以至于到了1970年才得到观察。而那些较为常见的威胁，比如紫外光子和阿尔法粒子，都只有在放射源被人体吸收的情况下才能穿透皮肤。例如俄国异见者亚历山大·利特维年科（Alexander Litvinenko）就是因为无意间吃下了刺客投放的钋-210才死去的，而这种物质放出的射线平时连纸都很难穿透。但是当阿波罗计划的宇航员穿着宇航服被含有质子和其他危害更大的宇宙射线击中时，他们说自己的眼前出现了闪光，布戈尔斯基在发生事故那天也有了这个体验。他在1997年接受《连线》杂志采访时表示，他当时立即看到了一片强光，却不感到疼痛。这位年轻科学家被送到莫斯科的一家诊所，半边脸都肿了，医生预计了最坏的情况。

不幸被质子束击中的布戈尔斯基。（图片来源：survivor-story.com）

像质子这样的电离辐射粒子是以破坏DNA中化学键的方式危害人体的。它们攻击细胞的遗传编程，从而杀死细胞，阻止其分裂，或是引起癌变。那些分裂迅速的细胞受的危害最大，比如骨髓中的干细胞。骨髓制造血细胞，因此许多辐射的受害者会丧失白细胞和红细胞，并由此引起感染和贫血。但布戈尔斯基的例子与众不同，他受的辐射范围很窄，集中在穿过头部的粒子束中，并没有像切尔诺贝利事故或广岛爆炸的许多受害者那样浑身受到破坏。在布戈尔斯基身上，像骨髓和消化道之类特别敏感的组织，或许大多都避开了辐射。不过粒子束射穿他的头部时，却依然留下了巨大的辐射能量，比有些人估算的致命剂量高出了几百倍。

然而直到今天，布戈尔斯基却依然活着。他的半张脸瘫痪了，这使他的半个脑袋看起来出奇的年轻。他的一只耳朵据说失去了听力，还经历过至少六次“全身强直－阵挛性”发作。这种病俗称“癫痫大发作”，是影视剧中最常出现的痉挛，发作时身体抽搐，不省人事。布戈尔斯基的癫痫，可能就是质子束留下的脑组织疤痕所引起的。他还患有失神发作（absence seizures），症状虽远比不上癫痫大发作剧烈，却也会使人神情恍惚、意识暂停。除此之外，没有报告显示他诊断出了癌症，虽然辐射经常会造成这种长期后果。