如果你把头伸进粒子加速器会发生什么？ (2017)

如果你把你的身体困在粒子加速器里会发生什么？这个场景似乎是一部糟糕的漫威漫画的开始，但它恰好揭示了我们对辐射、人体脆弱性和物质本质的直觉。粒子加速器允许物理学家通过在强大的磁场中加速亚原子粒子，然后追踪碰撞产生的相互作用来研究亚原子粒子。通过深入探索宇宙的奥秘，对撞机进入了时代精神，挖掘了我们这个时代的奇迹和恐惧。早在 2008 年，由欧洲核研究组织 (CERN) 运营的大型强子对撞机 (LHC) 负责制造微型黑洞，让物理学家能够探测到额外的维度。对许多人来说，这听起来像是一部灾难性的科幻电影的情节。当两个人提起诉讼以阻止 LHC 运行，以免它产生一个足以毁灭世界的黑洞时，这并不奇怪。但物理学家认为这个想法很荒谬，诉讼被驳回。然后，在 2012 年，大型强子对撞机检测到了长期寻找的希格斯玻色子，这是一种需要解释粒子如何获得质量的粒子。凭借这一重大成就，大型强子对撞机进入了流行文化；它出现在重金属乐队 Megadeth 的 Super Collider (2013) 专辑封面上，并且是美国电视连续剧 The Flash (2014) 的情节点。然而，尽管它取得了成就和魅力，但粒子物理学的世界是如此抽象，以至于很少有人了解它的含义、意义或用途。与发送到火星的 NASA 探测器不同，CERN 的研究不会产生令人惊叹的、有形的图像。相反，粒子物理学的研究最好用黑板方程和称为费曼图的波浪线来描述。诺贝尔奖获得者 Aage Bohr 的父亲 Niels 发明了原子的 Bohr 模型，他的同事 Ole Ulfbeck 甚至否认亚原子粒子的物理存在不仅仅是数学模型。这又回到了我们最初的问题：当一束以接近光速行进的亚原子粒子遇到人体的肉体时会发生什么？也许是因为粒子物理学和生物学领域在概念上是如此遥远，所以回答这个问题的不仅是缺乏直觉的外行人，还有一些专业物理学家。 2010 年，在 YouTube 对诺丁汉大学物理和天文学教员的一次采访中，几位学术专家承认，他们不知道如果将一只手伸进 LHC 的质子束中会发生什么。迈克尔·梅里菲尔德教授简洁地说：“这是个好问题。我不知道是答案。可能对你很不好。”劳伦斯·伊夫斯教授也对得出结论持谨慎态度。 “[B] 以我们注意到的能源规模，它不会那么明显，”他说，可能有点英国人的轻描淡写。 “我会把我的手放在横梁上吗？对此我不确定。”这种思想实验可以成为探索实验室无法研究的情况的有用工具。然而，偶尔，不幸的事故会产生案例研究：研究人员有机会研究由于道德原因无法通过实验诱导的情景。案例研究的样本量为 1，没有对照组。但是，正如神经科学家 VS Ramachandran 在脑中的幻影 (1998) 中指出的那样，只需要一只会说话的猪来证明猪会说话。例如，1848 年 9 月 13 日，一根铁棒刺穿了美国铁路工人菲尼亚斯·盖奇的头部，深刻地改变了他的性格，为性格的生物学基础提供了早期证据。 1978 年 7 月 13 日，一位名叫 Anatoli Bugorski 的苏联科学家将他的头伸进了粒子加速器。在决定命运的那一天，布戈尔斯基正在检查 U-70 同步加速器（苏联最大的粒子加速器）上出现故障的设备时，安全机制出现故障，一束以接近光速行进的质子束直接穿过了他的头部，菲尼亚斯量具式。有可能，在历史上的那个时刻，没有其他人经历过如此高能量的聚焦辐射束。尽管质子治疗——一种使用质子束摧毁肿瘤的癌症治疗——在布戈尔斯基事故之前就已经开创了，但这些束的能量一般不超过 2.5 亿电子伏特（用于小粒子的能量单位）。 Bugorski 可能已经经历了能量超过 300 倍，即 760 亿电子伏特的光束的全面愤怒。

质子辐射确实是一种罕见的野兽。来自太阳风和宇宙射线的质子被地球大气层阻止，而质子辐射在放射性衰变中非常罕见，直到 1970 年才被观察到。更常见的威胁，如紫外线光子和阿尔法粒子，不会通过皮肤穿透身体除非摄入了放射源。例如，俄罗斯持不同政见者亚历山大·利特维年科 (Alexander Litvinenko) 在不知不觉中摄入了刺客提供的放射性钋 210 时，被阿尔法粒子杀死，而阿尔法粒子的穿透力还不如纸张。但是，当受宇航服保护的阿波罗宇航员暴露在包含质子和更奇特形式辐射的宇宙射线中时，他们报告了可见光的闪光，这是在布戈尔斯基事故发生的那一天欢迎他的预兆。根据 1997 年《连线》杂志的一次采访，Bugorski 立即看到了强烈的闪光，但没有感觉到疼痛。这位年轻的科学家被带到莫斯科的一家诊所，他的半张脸都肿了，医生预料到了最坏的情况。电离辐射粒子（如质子）通过破坏 DNA 中的化学键对身体造成严重破坏。这种对细胞遗传程序的攻击可以杀死细胞、阻止其分裂或诱发癌性突变。快速分裂的细胞，例如骨髓中的干细胞，受到的影响最大。例如，由于血细胞是在骨髓中产生的，因此许多辐射中毒病例分别因白细胞和红细胞的损失而导致感染和贫血。但对于布戈尔斯基的案例来说，辐射集中在穿过头部的狭窄光束上，而不是像切尔诺贝利灾难或广岛爆炸案的许多受害者那样从核辐射中广泛分布。对于 Bugorski 来说，特别脆弱的组织，如骨髓和胃肠道，可能在很大程度上没有受到影响。但是当光束穿过布戈尔斯基的头部时，它沉积了大量的辐射能量，据估计是致死剂量的数百倍。然而，布戈尔斯基今天仍然活着。他的半张脸瘫痪了，让他头部的一个半球看起来非常年轻。据报道，他的一只耳朵失聪。他至少遭受了六次全身性强直阵挛发作。通常称为大发作，这些是电影和电视中最常见的癫痫发作，涉及抽搐和意识丧失。 Bugorski 的癫痫很可能是质子束留下的脑组织疤痕的结果。这也让他出现了轻微的癫痫发作或失神发作，远没有那么戏剧性的凝视咒语，在此期间意识会被短暂中断。没有关于 Bugorski 被诊断出患有癌症的报道，尽管这通常是辐射暴露的长期后果。尽管只有粒子加速器光束穿过他的大脑，但布戈尔斯基的智力仍然完好无损，并在事故发生后顺利完成了博士学位。布戈尔斯基在事故中幸存下来。就像粒子加速器的内部一样令人恐惧和令人敬畏，人类迄今为止在核时代幸存下来