據國外媒體報導，隨著對宇宙運作方式的探索越來越深入，粒子物理實驗也變得越來越複雜。為了揭示最微小的亞原子粒子的奧秘，物理學家必須使對撞機和探測器的溫度盡可能低，並儘可能地去除多餘空氣，使它們保持靜止，從而獲得可靠的結果。

美國國家航空航天局（NASA）最近啟動了“商業月球有效載荷服務計劃”（CLPS），其目的是尋找未來能送到月球表面的最佳有效載荷，包括用於基礎科學調查的儀器等。這裡顯示的是洛克希德·馬丁公司的商用月球著陸器概念圖

因此，有物理學家提出，如果我們跳過這些，直接在月球上進行粒子物理實驗會怎麼樣？今年早些時候發表在預印本數據庫arXiv上的一篇論文認為，月球實際上是一個很適合進行高能物理研究的場所。

首先，月球很冷，溫度可以非常低。那裡沒有大氣和水，因此就沒有介質把陽光的熱量從一個地方傳輸到另一個地方。夜間，當太陽落到月球的地平線以下時，溫度會降到零下73攝氏度——在地球上典型的低溫實驗設置範圍內。白天，月球溫度會升高一些，達到38攝氏度以上。但是，正如月球隕石坑的陰影中也隱藏著水冰，在月球上，你只需要一點點陰涼就可以讓自己冷卻下來；在沒有空氣和水的條件下，沒有陽光直射的地方就是寒冷的。

物理學家需要這樣的低溫是有原因的。在粒子加速器中，低溫確保了超導磁體不會自行熔化。超導磁體的作用在於將粒子拋入加速器，使其達到接近光速的速度。其次，探測器的溫度越高，從亞原子粒子中篩選出微小信號時所要處理的噪音就越大——更多的熱量相當於更多的分子振動，也就等於更多的噪音。

除了寒冷的溫度，月球沒有大氣層的事實也是一個重要優勢。在地球上，物理學家必須把加速器和探測器裡的空氣全部抽出來，因為在實驗開始之前，你可不希望接近光速的粒子撞向一個四處遊蕩的氮分子。月球的真空環境比物理學家在實驗室中製造的任何條件都要好10倍以上，而且是自然而然的，不需要任何努力。

最後，由於潮汐鎖定，月球的自轉週期與其繞地球旋轉的時間相同，因此月球始終保持同一面指向地球。這意味著月球的粒子束指向地球上的探測實驗室，不需要非常辛苦地調整設置就能發揮長距離的優勢。

月球中微子工廠

對於月球上的物理實驗，最有前景的用途或許就是作為中微子的來源。中微子是一種幽靈般微小粒子，沒有電荷，也幾乎沒有質量。這使得它們能夠穿過正常的物質而幾乎不被察覺——每時每刻，數以千億計的中微子正在穿過你的身體，而你什麼也感覺不到。

由於這種特點，中微子很難被研究和理解。這種粒子是在核反應中大量產生的，因此我們可以在月球上建一座核電站，由此產生的中微子會迅速飛向地球，而地球上的物理學家就可以將它們收集起來進行研究。

中微子一個惱人而神秘的特性是，它們能夠在飛行時改變類型（用物理學術語來說就是改變“味”，中微子的三種“味”分別是電中微子、μ中微子和τ中微子）。通過遠距離分離中微子的產生和探測，我們讓更多的中微子有了改變“味”的機會，從而更好地理解這種行為。月球可以作為一個完美的中微子來源：它離我們足夠遠，可以進行遠距離分離，但同時又足夠近，可以捕獲足夠多的中微子來進行實際研究（如果出現什麼問題的話，也可以排除設備故障）。

誰還需要地球呢？

如果能夠在月球上建立物理實驗裝置，那我們還可以向地球發射中微子以外的其他物體，比如宇宙射線。即使是目前最強大的粒子對撞機，也達不到自然產生並發射宇宙射線的能量（如果估計準確的話，我們甚至無法接近這些能量的十億分之一）。每時每刻，都有大量來自外太空的高能亞原子粒子呼嘯著進入地球的大氣層，撞擊氣體分子，並在到達地面之前釋放出大量的粒子副產物。

宇宙射線來自於宇宙中能量最強的一些源（比如超新星），但人們對它們的了解還很有限。物理學家們正在暢想一種真正可以利用的裝置——宇宙射線槍。我們可以在其他地方製造出這些高能粒子，然後將它們發射到地球的大氣層中，這樣就可以進行研究。將這個裝置放在月球怎麼樣？通過在月球上產生大量的高能粒子，再將它們射向地球大氣層，可以讓我們在地面上觀察由此產生的效應，從而更好地了解宇宙的高能一面。

但是，為什麼要止步於此呢？為什麼不將探測器也放在月球上？在月球上設置一個完整的粒子物理實驗，包括發射源、加速器和探測器等，都比地球上的同類系統更有優勢。在地球上，物理學家面臨的首要瓶頸就是如何獲得高度控制的真空，地球上的實驗也因此變得相對緊湊。但在月球上，你可以免費獲得真空。這種真空比在粒子對撞機實驗中使用的真空效果更好。物理學家可以將實驗設備建設成想要的大小，而不用擔心在氣泵上的投資。這是一個巨大的優勢。

當然，登上月球並在月球上建造複雜的實驗裝置可能會遇到不小的技術挑戰，但一旦這個問題得到解決，物理學或許將迎來巨大的突破。