一本大道精品视频_解碼“對撞機”：為什么越建越大？能做些什么？ - 社會(huì )

目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比(中國的BEPC正負電子對撞機最小，但未來(lái)建立的CEPC環(huán)形虛線(xiàn)區域則最大)

9月4日和5日，網(wǎng)絡(luò )上掀起一場(chǎng)關(guān)于中國是否應該建造大對撞機的爭論，丘成桐和高能物理學(xué)家王貽芳發(fā)文力挺大對撞機，而楊振寧和評論家王孟源則明確反對。為什么對撞機越建越大?高能物理學(xué)家期待的大對撞機又能做些什么?

你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來(lái)什么，但你得用兩個(gè)橙子去撞，結果是汁液四濺，碎屑橫飛，亂七八糟啥也看不清。

對撞機，顧名思義，專(zhuān)門(mén)制造“天雷地火大碰車(chē)”。兩輛大貨車(chē)全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛?？茖W(xué)家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車(chē)還高得多?？茖W(xué)家制造車(chē)禍現場(chǎng)，越慘烈他們越高興——殘片甩出來(lái)，趁機測一測有什么新奇的零件兒沒(méi)有。

之所以基本粒子能夠具備比大貨車(chē)還高的能量，是人們“加速”出來(lái)的，所以對撞機也叫加速器。運動(dòng)的粒子帶電荷，人類(lèi)可以用強大的電磁場(chǎng)(為此得研發(fā)先進(jìn)的超導技術(shù))讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進(jìn)跑道，有個(gè)馴馬員不停抽它，就越跑越快。反方向的兩束粒子，最終迎面碰頭撞出世間萬(wàn)象。

當初歐洲的大型強子對撞機(LHC)還沒(méi)運行的時(shí)候，有傳言說(shuō)它弄不好會(huì )撞出一個(gè)黑洞來(lái)毀滅地球。這說(shuō)法也不是沒(méi)邊兒沒(méi)沿兒，因為巨型對撞機的確志在制造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

為了用電磁場(chǎng)加速，對撞機用的都是有電荷的粒子：質(zhì)子和反質(zhì)子，電子和反電子。如果要用質(zhì)子，用強電場(chǎng)加在氫氣上，質(zhì)子和電子就剝開(kāi)了。如果要用電子，則是利用電子管的原理：加熱一些材料，讓電子跑出來(lái)。而反質(zhì)子和反電子的獲取就麻煩一點(diǎn)，可能要用到激光。這些粒子被制造出來(lái)后，會(huì )在一個(gè)磁場(chǎng)圈兒里慢慢跑著(zhù)，等要撞了，再放進(jìn)“賽道”。

對撞機原理雖然簡(jiǎn)單，但想要監測撞出的粒子卻很麻煩。有個(gè)物理學(xué)家比喻說(shuō)：你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來(lái)什么，但你得用兩個(gè)橙子去撞，于是汁液四濺，果肉果皮的碎屑橫飛，亂七八糟啥也看不清。

所以L(fǎng)HC這樣的大家伙，成為了史上生產(chǎn)最多數據的機器。絕大多數數據是無(wú)用的，找出精華就像稻草堆里找銀針。

為了超越標準模型，一些學(xué)者把目光轉向和弦理論有緊密聯(lián)系的超對稱(chēng)粒子，希望建造更大的對撞機，實(shí)現更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微觀(guān)世界秩序的，就是“標準模型”了。自然界有四種基本力，強力、弱力、電磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和電磁力統一的模型;1967年，溫伯格和薩拉姆在格拉肖模型的基礎上，借鑒希格斯的方法，提出了弱電統一規范理論;他們幾位也是標準模型的奠基人。

標準模型描述了電磁、強作用、弱作用相關(guān)所有現象，也給組成物質(zhì)的基本粒子分了類(lèi)，將粒子分成費米子和玻色子。費米子是組成物質(zhì)的，包括電子、夸克和中微子等等，玻色子則傳遞力，包括光子、介子和膠子等等。

當希格斯粒子被LHC發(fā)現后，標準模型預言的61個(gè)粒子都被證實(shí)了。而甚至在希格斯粒子被發(fā)現之前，已經(jīng)沒(méi)人挑戰這個(gè)極為符合現實(shí)的理論框架了。然而，物理學(xué)家仍然覺(jué)得有缺憾。因為標準模型中沒(méi)有引力的位置，它不是描述萬(wàn)事萬(wàn)物的“大統一理論”。標準模型也不能解釋暗物質(zhì)，它不能解釋我們觀(guān)察的宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)為何不對等，它也不能解釋宇宙為什么暴脹。

為了超越標準模型，高能物理界的希望之星是弦理論。丘成桐和威滕等數學(xué)界菲爾茲獎的獲得者，都對弦理論做過(guò)貢獻。弦理論把各種粒子看作是弦的表現形式，這種理論看起來(lái)是一種包羅萬(wàn)象的、有潛力的更高框架。但目前弦理論還沒(méi)有做出具體的預測，不能被實(shí)驗證實(shí)或證偽，因此它想成為相對論、量子力學(xué)一樣的成功理論還需時(shí)日。而弦理論與被廣為接受的物理學(xué)相同的是，它在數學(xué)上別具魅力，不論它是否描述我們身處的宇宙。目前，弦理論的大本營(yíng)是在高能物理的傳統中心美國。

理論的曙光一般來(lái)自實(shí)驗，很多高能物理學(xué)家希望建造更大的對撞機，實(shí)現更高能量的碰撞。其中一些學(xué)者就矚目于標準模型之外的超對稱(chēng)粒子，這種超對稱(chēng)粒子和弦理論有相當緊密的聯(lián)系。

美國費米實(shí)驗室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望，但這臺2TeV能量的機器并未發(fā)現超對稱(chēng)粒子;能量高出一個(gè)數量級的LHC，目前也沒(méi)有找到超對稱(chēng)粒子存在的證據。

大對撞機因為耗資巨大，在任何地方開(kāi)建都會(huì )引起財政爭論。目前中、日兩個(gè)項目都還在研究籌備中。ILC升級版似乎頗有希望通過(guò)，但也需要海量投錢(qián)，前途未卜。

對撞機大概分兩種：一種用電子去對撞，優(yōu)點(diǎn)是電子結構簡(jiǎn)單個(gè)頭兒小，撞出來(lái)碎片兒比較少，方便科學(xué)家看清楚，缺點(diǎn)是它喜歡一邊兒跑一邊兒輻射能量，老泄氣兒跑不快;另一種質(zhì)子對撞機，長(cháng)處和短處與電子對撞機相反。美國費米研究室還提出一種想法，用μ子去撞，但大量制造μ子有困難，現在還沒(méi)實(shí)現。

目前，歐洲核子研究組織正探討升級LHC的超導磁體，將LHC的能量上限從14TeV提至20TeV。但高能物理學(xué)家已將目光投在LHC之后：一個(gè)方案是日本的國際直線(xiàn)對撞機(ILC)，另一個(gè)是中國的環(huán)形正負電子對撞機(CEPC)以及預想中的質(zhì)子對撞機(SPPC)。

目前兩個(gè)項目都還在研究籌備中。升級ILC似乎頗有希望通過(guò)。當然它也需要海量投錢(qián)，前途未卜。日本將在今年做出決定。如果要建，2030年開(kāi)始運行。預算是100億美元。根據設計，正負電子沿著(zhù)31公里長(cháng)的直線(xiàn)通道對撞(LHC則是在27公里的環(huán)形通道內用質(zhì)子對撞)。