·“粒子物理是一門關(guān)于時(shí)間、空間和能量的科學(xué)，致力于解鎖物質(zhì)最基本的微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用規(guī)律。”

·“粒子物理領(lǐng)域的探索過(guò)程不僅僅是為了滿足人類解鎖宇宙奧秘的好奇心、挑戰(zhàn)人類認(rèn)知極限，在不斷完善實(shí)驗(yàn)條件、提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法的過(guò)程中，也實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)對(duì)于國(guó)計(jì)民生、戰(zhàn)略需求的回饋。”

2012年，歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室——?dú)W洲核子中心（CERN）宣布找到了希格斯玻色子，這一自旋為零的粒子也被稱為“上帝粒子”，賦予了基本粒子質(zhì)量，某種意義上塑造了宇宙中的萬(wàn)物。自此，粒子物理學(xué)進(jìn)入了新時(shí)代。

“發(fā)現(xiàn)它是為了解決標(biāo)準(zhǔn)模型中缺失的一環(huán)，對(duì)上帝粒子的發(fā)現(xiàn)意味物理學(xué)家當(dāng)初選擇解釋微觀世界物理機(jī)制的理論框架被驗(yàn)證了。”現(xiàn)在任職于上海交通大學(xué)李政道研究所的李數(shù)當(dāng)時(shí)是中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究生，也是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC-ATLAS/CMS）國(guó)際合作實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)“上帝粒子”時(shí)中國(guó)研究團(tuán)隊(duì)中的一員，“在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，人們堅(jiān)信希格斯粒子的存在，但并不知道希格斯粒子如何存在，以及它與其他粒子之間怎么發(fā)生作用。”

2022年是“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)十周年。《自然》雜志2022年7月發(fā)布的《“上帝粒子”發(fā)現(xiàn)十周年：已知的和未知的》稱，自2012年以后，歐洲核子中心在瑞士日內(nèi)瓦近郊的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）團(tuán)隊(duì)就格外忙碌，先后共發(fā)表了近350篇關(guān)于希格斯玻色子的科研論文，但該粒子的許多屬性仍然成謎。

李數(shù)與與ATLAS國(guó)際合作組（ATLAS和CMS在2012年共同發(fā)現(xiàn)了Higgs粒子）亮點(diǎn)成果墻報(bào)合影（2018）。

李數(shù)長(zhǎng)期從事高能量前沿的粒子物理實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)希格斯的發(fā)現(xiàn)與性質(zhì)研究、矢量玻色子散射電弱稀有過(guò)程的發(fā)現(xiàn)、希格斯新物理探針與超標(biāo)準(zhǔn)模型新物理研究作出重要貢獻(xiàn)，并因此入選2022年“上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃”。

粒子物理實(shí)驗(yàn)賦予人類觀測(cè)微觀宇宙第一視角

“粒子物理是一門關(guān)于時(shí)間、空間和能量的科學(xué)，致力于解鎖物質(zhì)最基本的微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用規(guī)律。”李數(shù)介紹道，高能對(duì)撞機(jī)粒子物理實(shí)驗(yàn)為人類探索未知提供了強(qiáng)大武器。

“天文學(xué)和宇宙學(xué)的研究表明，目前的宇宙來(lái)自138億年前的大爆炸。我們通過(guò)高能對(duì)撞機(jī)中粒子的劇烈對(duì)撞來(lái)模擬大爆炸初期的高溫高能狀態(tài)，從而研究高能微觀粒子的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)及其相互作用，對(duì)撞機(jī)實(shí)驗(yàn)賦予了人類造物主的第一視角，模擬并探索著人類自己創(chuàng)造的微觀的宇宙。”李數(shù)說(shuō)。

“粒子物理作為一門聯(lián)系著極大與極小世界奧秘的基礎(chǔ)學(xué)科，其研究面對(duì)跨越多個(gè)時(shí)間與空間尺度的極端物態(tài)和實(shí)驗(yàn)條件，致力于探秘物質(zhì)構(gòu)成之謎、宇宙形成與演化的奧秘、引力、暗物質(zhì)暗能量之謎等重大基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題的答案。”

談及當(dāng)前粒子物理領(lǐng)域在探索中的重要問(wèn)題，李數(shù)滔滔不絕，“包括構(gòu)成我們身體的這些粒子，只占到宇宙萬(wàn)事萬(wàn)物總量的5%而已，剩下95%是什么，人類現(xiàn)在還一無(wú)所知。比如宇宙中那些非真空的區(qū)域，其中充斥的物質(zhì)是普通物質(zhì)還是一些未知物質(zhì)？”

暗物質(zhì)和暗能量是目前粒子物理研究領(lǐng)域的兩大熱點(diǎn)。2022年9月，上海交通大學(xué)攜手《自然》（Science）雜志發(fā)布了《全世界最前沿的125個(gè)科學(xué)問(wèn)題》，其中就涉及暗物質(zhì)。

“對(duì)于暗物質(zhì)的探測(cè)正在全球范圍內(nèi)如火如荼開(kāi)展，我們也在嘗試以全新的視角去另辟蹊徑。通過(guò)分析人類已知的基本粒子，我們發(fā)現(xiàn)除了構(gòu)成物質(zhì)的基本粒子外，對(duì)于傳遞基本作用力的傳播子的研究同樣重要。”

“除了引力效應(yīng)外，是否還存在傳遞暗物質(zhì)作用力的新媒介傳播子？”李數(shù)認(rèn)為，這是研究者在探索暗物質(zhì)過(guò)程中不可回避的一個(gè)重要問(wèn)題。“這個(gè)傳遞暗物質(zhì)相互作用力的媒介粒子就是我們所要尋找的暗光子。”李數(shù)說(shuō)。

目前，基于上海本土的大科學(xué)裝置——“上海硬X射線自由電子激光裝置”，李數(shù)所在的上海交通大學(xué)李政道研究所正與物理與天文學(xué)院合作推動(dòng)“暗光計(jì)劃 （Dark SHINE）”。該實(shí)驗(yàn)將是國(guó)內(nèi)首個(gè)電子打靶尋找暗光子的實(shí)驗(yàn)，開(kāi)辟暗物質(zhì)探測(cè)的“新賽道”。“尋找與研究暗光子或能揭示前所未有的第五種基本作用力。”李數(shù)說(shuō)。

此外，李數(shù)認(rèn)為，發(fā)現(xiàn)新東西并不是粒子物理研究的唯一目標(biāo)，發(fā)現(xiàn)已有東西的偏離，也是新物理可能存在的間接證據(jù)。“就像2022年粒子物理領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一的‘基本粒子W玻色子的質(zhì)量與理論預(yù)言值有差距’，這個(gè)差距意味著什么？是不是測(cè)量錯(cuò)誤，還是由于實(shí)驗(yàn)精度？還是有些因素沒(méi)有考慮清楚導(dǎo)致測(cè)量偏差，這些都是需要我們?nèi)z驗(yàn)、去求索的。你測(cè)量一個(gè)東西得到一個(gè)不同的結(jié)果，那么也意味著發(fā)現(xiàn)了一個(gè)存在的間接證據(jù)。雖然我們暫時(shí)不知道為什么，但我們知道這里面一定有問(wèn)題、存在著亟待探索以便確認(rèn)或證偽的“未知”，指引下一步研究方向。如果最終發(fā)現(xiàn)我們?nèi)祟愐郧暗闹R(shí)大廈根基被破壞了，恰恰能夠激勵(lì)我們?cè)谝粋€(gè)更廣的認(rèn)知框架下去重塑我們既有的理論，就好像歷史上“第一次數(shù)學(xué)危機(jī)”時(shí)，人類發(fā)現(xiàn)根號(hào)二無(wú)法用分?jǐn)?shù)去表示后，才有了無(wú)理數(shù)，從而把數(shù)學(xué)的邊界大大的擴(kuò)展了。”

基礎(chǔ)科學(xué)的意外之喜

在李數(shù)看來(lái)，粒子物理領(lǐng)域的探索過(guò)程不僅僅是為了滿足人類解鎖宇宙奧秘的好奇心、挑戰(zhàn)人類認(rèn)知極限，在不斷完善實(shí)驗(yàn)條件、提高實(shí)驗(yàn)技術(shù)與方法的過(guò)程中，也實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)科學(xué)對(duì)于國(guó)計(jì)民生、戰(zhàn)略需求的回饋。實(shí)際上，在互聯(lián)網(wǎng)誕生之初、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能、強(qiáng)子治療、醫(yī)學(xué)成像、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等眾多研究領(lǐng)域，背后都有粒子物理等基礎(chǔ)研究的支撐。

“只有更加了解粒子和物質(zhì)的存在以及它們的性質(zhì)，人類才有機(jī)會(huì)去利用它們。”李數(shù)舉例說(shuō)，“比如人類是在發(fā)現(xiàn)了原子核的聚變和裂變規(guī)律后，才有了能量的概念，進(jìn)而嘗試去控制核裂變以實(shí)現(xiàn)核能發(fā)電。”李數(shù)認(rèn)為，當(dāng)下人們似乎過(guò)于將應(yīng)用科學(xué)和基礎(chǔ)科學(xué)的邊界劃得太清楚了，事實(shí)上大可不必。在他看來(lái)，基礎(chǔ)科學(xué)決定物理大廈本身是否牢固，雖然不立竿見(jiàn)影，但歷史上每一次基礎(chǔ)研究的認(rèn)知突破都會(huì)給應(yīng)用科學(xué)帶來(lái)意外之喜。應(yīng)用科學(xué)要實(shí)現(xiàn)大的突破，一定要有基礎(chǔ)科學(xué)的支撐。基礎(chǔ)科學(xué)的實(shí)驗(yàn)也依賴于應(yīng)用科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展。

上海交通大學(xué)李政道研究所“李政道學(xué)者”（T.D. Lee Fellow）李數(shù)與實(shí)驗(yàn)室儀器設(shè)備合影。

“基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)中需要科研儀器，我們就要關(guān)注目前人類能夠掌握的技術(shù)有哪些可以為我們所用，這時(shí)就和應(yīng)用科學(xué)有了交集。伴隨著研究過(guò)程的發(fā)展，我們也會(huì)促使已有的一些技術(shù)知識(shí)得到進(jìn)一步發(fā)展。舉例說(shuō)，上個(gè)世紀(jì)80年代末的歐洲核子研究中心，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)量很大，研究人員不能每天拿著3.5英寸軟盤到處拷數(shù)據(jù)，在這種情況下人們就很自然地有了互聯(lián)網(wǎng)思維，最早的互聯(lián)網(wǎng)雛形便在這無(wú)心插柳中于1989年誕生在粒子物理學(xué)的基礎(chǔ)研究中。”李數(shù)說(shuō)，對(duì)于做基礎(chǔ)科研的人員來(lái)說(shuō)，技術(shù)的突破有利于實(shí)驗(yàn)的推進(jìn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的技術(shù)突破也將會(huì)反哺應(yīng)用科學(xué)。

“比如人的身體也是由粒子組成的，當(dāng)我們對(duì)于基本粒子的控制技術(shù)達(dá)到一定的成熟階段，便可以應(yīng)用于醫(yī)療，譬如通過(guò)放射性定點(diǎn)查殺癌細(xì)胞，治療癌癥可能不需要開(kāi)刀切腫瘤，而是可以將粒子打入人體里幫助消除腫瘤。這件事如果只靠醫(yī)生在傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)技術(shù)范圍內(nèi)去探索，肯定不可能那么容易想到的。但粒子物理的研究者告訴醫(yī)學(xué)研究者有這樣一個(gè)可能性，那么雙方就會(huì)有交集，看似沒(méi)有直接應(yīng)用價(jià)值的基礎(chǔ)科學(xué)也就有用了。”

從“《三體》迷”到首位“李政道學(xué)者”

早在2014年底，著名物理學(xué)家李政道向黨和國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人建議在上海交大建立一個(gè)國(guó)際化的科學(xué)研究所，對(duì)標(biāo)1921年成立、對(duì)量子力學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響的玻爾研究所，從事物理和天文方面最前沿科研。在國(guó)家相關(guān)部委和上海市等各方大力支持下，李政道研究所于2016年11月在上海交通大學(xué)成立。2017年，李數(shù)在美國(guó)杜克大學(xué)物理系和歐洲核子研究中心結(jié)束博士后研究工作后，被聘任為首位“李政道學(xué)者”（T.D. Lee Fellow）入職上海交通大學(xué)李政道研究所。

在談到最初踏上粒子物理的研究道路時(shí)，李數(shù)說(shuō)道，這個(gè)選擇其實(shí)是多個(gè)因素共同促成的，其中之一就是他在安徽泗縣中學(xué)讀初中時(shí)的物理老師。

“我的中學(xué)物理老師有一個(gè)習(xí)慣，他講課時(shí)會(huì)多說(shuō)幾句課本知識(shí)之外的內(nèi)容。比如講到電現(xiàn)象，他除了講課，還會(huì)告訴我們電流怎么形成。”這讓他中學(xué)時(shí)即對(duì)物理產(chǎn)生了強(qiáng)烈興趣。

中學(xué)畢業(yè)，李數(shù)考入聞名已久的中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)少年班（也是由李政道先生建議創(chuàng)辦），開(kāi)始較為系統(tǒng)地學(xué)習(xí)近現(xiàn)代的一些物理學(xué)知識(shí)。“當(dāng)時(shí)學(xué)校有一個(gè)很好的制度，即大一不分專業(yè)。這就給了我們更多自由度，我可以花時(shí)間在科普讀物乃至于一些高階物理知識(shí)的閱讀學(xué)習(xí)上。”這些都讓李數(shù)樂(lè)在其中。

除了知識(shí)的學(xué)習(xí)之外，李數(shù)特別提到2003年就開(kāi)始閱讀《科幻世界》，提到大學(xué)時(shí)最早閱讀到連載版及后續(xù)正式版《三體》中蒙特卡洛方法與三體運(yùn)動(dòng)模擬、低維展開(kāi)與智子鎖定、降維打擊與黑暗森林法則等給他帶來(lái)的智慧的共鳴與靈魂的震撼。“三體往小了說(shuō)是三個(gè)基本粒子，往大了說(shuō)是三個(gè)星球、三個(gè)宇宙、三個(gè)平行世界……”這些內(nèi)容讓李數(shù)對(duì)粒子物理有了朦朧的印象和興趣。

李數(shù)認(rèn)為，粒子物理關(guān)系到了人類對(duì)于微觀世界奧秘的基本認(rèn)知。“我會(huì)選擇粒子物理，一定程度上受了《科幻世界》的影響，還有一個(gè)臨門一腳的事情，那時(shí)是歐洲核子研究中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)取數(shù)的前一年，“一個(gè)超級(jí)大規(guī)模的龐然大物要開(kāi)始運(yùn)行了，宇宙的很多奧秘就要被解鎖了，我當(dāng)然想成為其中的一員、想成為那個(gè)開(kāi)鎖的人，就很自然地在那個(gè)節(jié)骨眼上選擇了這樣一條道路。”

“粒子物理的研究某種程度上也滿足了我一點(diǎn)小小的執(zhí)著之心，因?yàn)轭惐扔谄渌幕A(chǔ)科學(xué)研究方向，我仍想去用人類自己的第一視角去模擬、創(chuàng)造并探索一個(gè)雖不完美，但充滿著無(wú)限的未知與夢(mèng)想的宇宙。”

對(duì)比做學(xué)生時(shí)和做學(xué)者時(shí)的科學(xué)研究理念差異，李數(shù)表示，現(xiàn)在他的肩上除了夢(mèng)想有了更多的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。以前總想做自己感興趣的東西，去攻克一些科學(xué)難題，現(xiàn)在對(duì)他來(lái)說(shuō)更重要的是把自己對(duì)科學(xué)的這份熱情以及科學(xué)觀價(jià)值觀、追逐自然奧秘的精神傳遞給年輕一代的學(xué)生。“一個(gè)人的智慧和精力總是有限的，我們有責(zé)任為更年輕一代的學(xué)生播下科學(xué)夢(mèng)想的種子和探索未知的勇氣，為人類文明的持續(xù)進(jìn)步奉獻(xiàn)中華文明未來(lái)科技之光。也許一個(gè)真正厲害的老師，不在于他發(fā)過(guò)什么文章，甚至都不在于他是否獲得諾貝爾獎(jiǎng)，而是他培養(yǎng)的學(xué)生都想成為他、并且都超越了他。我希望我能努力成為‘這個(gè)他’。”

附：李數(shù)簡(jiǎn)歷

圖片來(lái)源：上海交通大學(xué)李政道研究所官網(wǎng)

（編者注：本文系澎湃科技與上海科技聯(lián)合推出的“正自廣闊：上海科技青年35人引領(lǐng)計(jì)劃追光報(bào)道”系列之一。敬請(qǐng)垂注更多后續(xù)報(bào)道。）