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大型對撞機(jī)是高能物理科學(xué)家最有力的實(shí)驗(yàn)工具。

一篇《楊振寧的最后一戰(zhàn)》，又讓大型對撞機(jī)之爭呈現(xiàn)在公眾輿論場。

早在 2016 年 8 月，華裔數(shù)學(xué)家丘成桐接受新華社采訪時說，希望在中國秦皇島市山海關(guān)建設(shè)大型粒子對撞機(jī)。這篇報道不僅引發(fā)了廣泛的社會關(guān)注，還掀起了一場物理界的爭辯。

9 月，理論物理學(xué)家楊振寧發(fā)布文章，反對中國建設(shè)大型對撞機(jī)。中國科學(xué)院高能物理研究所所長、實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家王貽芳也撰文，列舉中國今天應(yīng)該建造大型對撞機(jī)的理由。

《楊振寧的最后一戰(zhàn)》一文，不過是當(dāng)時論戰(zhàn)的回音。且不論該建不該建，大多數(shù)普通人都可以借著這次討論補(bǔ)習(xí)一下高能物理基礎(chǔ)知識。

高能物理研究的是什么？

高能物理又稱之為粒子物理，是 20 世紀(jì)后半世紀(jì)最紅的物理學(xué)分支，主要研究比原子核更小的微觀物質(zhì)，以及微觀物質(zhì)在高能量下的變化。

在粒子物理中，有個“基本粒子”概念，指的是組成物質(zhì)的最基本單位。隨著物理學(xué)不斷發(fā)展，基本粒子的內(nèi)涵也在變化。

曾經(jīng)，原子被認(rèn)為是基本粒子。20 世紀(jì)初，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)原子是由電子和原子核組成的。后來，又發(fā)現(xiàn)原子核由質(zhì)子和中子構(gòu)成，而質(zhì)子和中子由更基本的夸克組成。

根據(jù)粒子物理中的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，基本粒子共 61 種，包括 36 種夸克、12 種輕子、12 種媒介子以及 1 個希格斯粒子。已知的所有粒子，都由這些基本粒子組成。粒子物理科學(xué)家做的事概括起來，就是不斷研究粒子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)新的、更小的粒子。

為什么研究微觀的基本粒子，要用大型對撞機(jī)？

推動科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)更基本粒子的“幕后英雄”，是越來越先進(jìn)的觀測物質(zhì)結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)裝置。

目前，粒子加速器是粒子物理科學(xué)家最有力的實(shí)驗(yàn)工具。粒子加速器的原理是，帶電粒子在電場中會受力而加速、提高能量。

▲加速器結(jié)構(gòu)示意圖

其實(shí)，粒子加速器離普通人的生活并不遙遠(yuǎn)。電視和計(jì)算機(jī)顯示器的顯像管，從原理上來說，就是一臺小小的電子加速器。

大型對撞機(jī)可被視作一種特別的粒子加速器。在大型對撞機(jī)里，科學(xué)家們將粒子加速到很高的速度（最快可以接近光速）、提高到很高的能量，然后轟擊到固定的靶粒子上，通過分析碰撞后的產(chǎn)物，推測粒子是由什么構(gòu)成的。

大型對撞機(jī)產(chǎn)生粒子的能量越高，就越能觀測到更小的物質(zhì)組成。因此，“能量”是衡量大型對撞機(jī)的一個主要指標(biāo)。

“上帝粒子”為什么這么重要？

歐洲核子中心（簡稱 CERN）的大型強(qiáng)子對撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡稱 LHC），是當(dāng)前世界最先進(jìn)的粒子加速器。2012 年，科學(xué)家們通過 LHC 上的對撞實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。

根據(jù)希格斯機(jī)制，希格斯場是一種不可見的、遍及整個宇宙的能量場。其他基本粒子在和希格斯場相互作用中獲得了質(zhì)量。希格斯玻色子也通過自相互作用獲得質(zhì)量。

標(biāo)準(zhǔn)模型和宇宙大爆炸理論認(rèn)為，宇宙起源于一次大爆炸，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質(zhì)量，產(chǎn)生了引力。這些粒子構(gòu)成物質(zhì)，并通過長時間的演化，形成了星系，進(jìn)化出了生命，最終形成今天的物質(zhì)世界。因此，希格斯玻色子又被稱之為“上帝粒子”。

在宇宙大爆炸之初，“質(zhì)量之源”希格斯玻色子已經(jīng)完成了它的使命。全球科學(xué)家們花了近 50 年時間，才通過 LHC 的對撞實(shí)驗(yàn)，模擬宇宙起源時刻，“復(fù)活”出了希格斯玻色子。

在此之前，其他基本粒子都已經(jīng)被證實(shí)存在。希格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)，意味著找到了標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一塊拼圖。

中國建大型對撞機(jī)的背景是什么？

標(biāo)準(zhǔn)模型完整了，但希格斯玻色子還有大量性質(zhì)沒有被測量。標(biāo)準(zhǔn)模型也不是完美的，中微子質(zhì)量、暗物質(zhì)、暗能量、宇宙的物質(zhì)與反物質(zhì)不對稱等問題都無法通過它得到解釋。

粒子物理有了新的研究方向：挖掘出標(biāo)準(zhǔn)模型背后的物理規(guī)律（又被稱為新物理），探索超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新相互作用。對希格斯玻色子深入研究，可能是最好的突破口。

與此同時，歐洲核子中心 LHC 的能力也達(dá)了極限。想進(jìn)一步探索希格斯玻色子，要建造一個能量更高的粒子加速器。

歐洲核子中心正在進(jìn)行 LHC 亮度升級計(jì)劃，將亮度提升 5 到 10 倍，以采集更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時，歐洲核子中心還在規(guī)劃未來環(huán)形對撞機(jī)（FCCee）。

日本政府正積極推動國際直線對撞機(jī)（ILC）項(xiàng)目。美國一方面在將費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器轉(zhuǎn)去全力研究中微子，一方面在研究繆子對撞機(jī)的原理，打算將來用它研究希格斯玻色子。

2012 年 9 月，中國科學(xué)院高能物理研究所提出建造環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（Circular Electron Positron Collider，簡稱 CEPC），并且在實(shí)驗(yàn)有一定成果后，改造為高能質(zhì)子對撞機(jī)（Super proton-proton Collider，簡稱 SppC）。

該方案一期建設(shè)周長 50–70 公里、能量 250 GeV（十億電子伏特）的 CEPC，作為希格斯粒子工廠。二期在同一隧道中建造 50–70 TeV（萬億電子伏特）的 SppC，能量比歐洲核子中心正在運(yùn)行的 LHC 高 7 倍。

▲中科院高能物理所 2014 年做的時間計(jì)劃表

楊振寧反對 CEPC 的核心問題是建造費(fèi)用，王貽芳給出了估價和測算方法。

第一步環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)（CEPC）建設(shè)階段，約在 2022–2030 年間，工程造價（不包括土地、“七通一平” 等）約 400 億人民幣。第二步質(zhì)子對撞機(jī)（SppC）階段，工程造價在 1000 億人民幣以內(nèi)，時間是在 2040–2050 年左右。

如果減去國際貢獻(xiàn)約 30%，中國政府應(yīng)該出資大約 300 億人民幣（每年 30 億）和 700 億人民幣（每年 70 億）。

400 億和 1000 億人民幣是什么概念？我們可以對比其他科學(xué)工程感受一下。

據(jù)《中國發(fā)展觀察》一篇文章，大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)耗資 2.5 億元，就測量出了第三種中微子振蕩的混合角。河北興隆的郭守敬望遠(yuǎn)鏡（LAMOST），投資 2.35 億元。位于貴州平塘的 500 米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST），耗資 6.67 億元。江門中微子實(shí)驗(yàn)正在建設(shè)，預(yù)計(jì)投資 20 億元。

再看看中國其他領(lǐng)域的大型工程，珠港澳大橋耗資 1100 億人民幣，武廣高鐵花費(fèi) 1166 億人民幣。

超對稱粒子又是什么？

楊振寧在反對建 CEPC 的文章中，提到有些高能物理學(xué)家希望用超大對撞機(jī)發(fā)現(xiàn)“超對稱粒子”。

值得注意的是，超對稱粒子是第二期 SppC 才有機(jī)會做到的事，第一期 CEPC 的目的只是為了測量希格斯玻色子。

超對稱粒子背后是超對稱理論。這個理論認(rèn)為，自然界中存在著一種對稱性，能夠把玻色子和費(fèi)米子聯(lián)系起來。在對稱變換中，費(fèi)米子會轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ｉ樱粗嗳弧＿@種對稱性被命名為超對稱。但時至今日，超對稱粒子都還沒有在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。

超對稱理論由弦理論發(fā)展而來。1968 年，科學(xué)家們提出來弦理論，以更好地解釋宇宙的本源。弦理論認(rèn)為，基本粒子不是以點(diǎn)狀存在的，而一條一維的足夠細(xì)小的線段，就像琴弦一樣。為了實(shí)現(xiàn)理論的自洽，早期弦理論擴(kuò)展到了高達(dá) 26 維的空間上，讓弦理論成為一種玄學(xué)。

后來發(fā)展出了超弦理論。據(jù)瞭望智庫，這個理論認(rèn)為宇宙真正的時空，其實(shí)是一個十維的空間，其中四維是愛因斯坦的時空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個和它‘垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。

打個比喻，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動這些弦造成不同的音高與音色，于是產(chǎn)生不同的基本粒子，進(jìn)而發(fā)展出所有的物質(zhì)與作用力。

再后來，又發(fā)展出 M 理論（有人稱為膜理論、Monther 理論），認(rèn)為宇宙是從十一維開始演進(jìn)的。遺憾的是，超弦理論雖然自洽，依然它依然只是一個數(shù)學(xué)框架，尚不能被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。

主要參考資料：

中科院高能物理所：什么是粒子加速器？

想?yún)⑴c大型對撞機(jī)之爭？先搞清基本背景

十問“希格斯粒子”與“環(huán)形正負(fù)電子對撞機(jī)”

簡潔就是一種美，超弦理論的發(fā)展史話

這應(yīng)該是關(guān)于物理學(xué)最強(qiáng)的科普

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原標(biāo)題：《反對建大型對撞機(jī)？先了解高能物理好吧》