一篇《楊振寧的最后一戰(zhàn)》，又讓大型對(duì)撞機(jī)之爭(zhēng)呈現(xiàn)在公眾輿論場(chǎng)。
早在 2016 年 8 月，華裔數(shù)學(xué)家丘成桐接受新華社采訪時(shí)說(shuō)，希望在中國(guó)秦皇島市山海關(guān)建設(shè)大型粒子對(duì)撞機(jī)。這篇報(bào)道不僅引發(fā)了廣泛的社會(huì)關(guān)注，還掀起了一場(chǎng)物理界的爭(zhēng)辯。
9 月，理論物理學(xué)家楊振寧發(fā)布文章，反對(duì)中國(guó)建設(shè)大型對(duì)撞機(jī)。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)、實(shí)驗(yàn)高能物理學(xué)家王貽芳也撰文，列舉中國(guó)今天應(yīng)該建造大型對(duì)撞機(jī)的理由。
《楊振寧的最后一戰(zhàn)》一文，不過(guò)是當(dāng)時(shí)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(shí)。
高能物理研究的是什么？
高能物理又稱(chēng)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(gè)“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(lái)，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(gè)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(lái)，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(duì)撞機(jī)？
推動(dòng)科學(xué)家不斷發(fā)現(xiàn)更基本粒子的“幕后英雄”，是越來(lái)越先進(jìn)的觀測(cè)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(chǎng)中會(huì)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(lái)說(shuō)，就是一臺(tái)小小的電子加速器。
大型對(duì)撞機(jī)可被視作一種特別的粒子加速器。在大型對(duì)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(guò)分析碰撞后的產(chǎn)物，推測(cè)粒子是由什么構(gòu)成的。
大型對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生粒子的能量越高，就越能觀測(cè)到更小的物質(zhì)組成。因此，“能量”是衡量大型對(duì)撞機(jī)的一個(gè)主要指標(biāo)。
“上帝粒子”為什么這么重要？
歐洲核子中心（簡(jiǎn)稱(chēng) CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（Large Hadron Collider，簡(jiǎn)稱(chēng) 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(guò) LHC 上的對(duì)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(chǎng)是一種不可見(jiàn)的、遍及整個(gè)宇宙的能量場(chǎng)。其他基本粒子在和希格斯場(chǎng)相互作用中獲得了質(zhì)量。希格斯玻色子也通過(guò)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(guò)與希格斯場(chǎng)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(guò)長(zhǎng)時(shí)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(chēng)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(shí)間，才通過(guò) LHC 的對(duì)撞實(shí)驗(yàn)，模擬宇宙起源時(shí)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(guó)建大型對(duì)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(méi)有被測(cè)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(duì)稱(chēng)等問(wèn)題都無(wú)法通過(guò)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(chēng)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(duì)希格斯玻色子深入研究，可能是最好的突破口。
與此同時(shí)，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(gè)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(jí)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(shí)，歐洲核子中心還在規(guī)劃未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCCee）。
日本政府正積極推動(dòng)國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)（ILC）項(xiàng)目。美國(guó)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(duì)撞機(jī)的原理，打算將來(lái)用它研究希格斯玻色子。
2012 年 9 月，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所提出建造環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（Circular Electron Positron Collider，簡(jiǎn)稱(chēng) CEPC），并且在實(shí)驗(yàn)有一定成果后，改造為高能質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（Super proton-proton Collider，簡(jiǎn)稱(chēng) SppC）。
該方案一期建設(shè)周長(zhǎng) 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(wàn)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(shí)間計(jì)劃表）
楊振寧反對(duì) CEPC 的核心問(wèn)題是建造費(fèi)用，王貽芳給出了估價(jià)和測(cè)算方法。
第一步環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）建設(shè)階段，約在 2022–2030 年間，工程造價(jià)（不包括土地、“七通一平” 等）約 400 億人民幣。第二步質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SppC）階段，工程造價(jià)在 1000 億人民幣以?xún)?nèi)，時(shí)間是在 2040–2050 年左右。
如果減去國(guó)際貢獻(xiàn)約 30%，中國(guó)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(duì)比其他科學(xué)工程感受一下。
據(jù)《中國(guó)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(cè)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(mén)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(guó)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(duì)稱(chēng)粒子又是什么？
楊振寧在反對(duì)建 CEPC 的文章中，提到有些高能物理學(xué)家希望用超大對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)“超對(duì)稱(chēng)粒子”。
值得注意的是，超對(duì)稱(chēng)粒子是第二期 SppC 才有機(jī)會(huì)做到的事，第一期 CEPC 的目的只是為了測(cè)量希格斯玻色子。
超對(duì)稱(chēng)粒子背后是超對(duì)稱(chēng)理論。這個(gè)理論認(rèn)為，自然界中存在著一種對(duì)稱(chēng)性，能夠把玻色子和費(fèi)米子聯(lián)系起來(lái)。在對(duì)稱(chēng)變換中，費(fèi)米子會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)椴Ｉ樱粗嗳弧＿@種對(duì)稱(chēng)性被命名為超對(duì)稱(chēng)。但時(shí)至今日，超對(duì)稱(chēng)粒子都還沒(méi)有在實(shí)驗(yàn)中被發(fā)現(xiàn)。
超對(duì)稱(chēng)理論由弦理論發(fā)展而來(lái)。1968 年，科學(xué)家們提出來(lái)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(lái)發(fā)展出了超弦理論。據(jù)瞭望智庫(kù)，這個(gè)理論認(rèn)為宇宙真正的時(shí)空，其實(shí)是一個(gè)十維的空間，其中四維是愛(ài)因斯坦的時(shí)空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個(gè)和它‘垂直’的還有一個(gè)很小很小的六維流形。在這個(gè)十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。
打個(gè)比喻，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動(dòng)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(lái)，又發(fā)展出 M 理論（有人稱(chēng)為膜理論、Monther 理論），認(rèn)為宇宙是從十一維開(kāi)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(gè)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(duì)撞機(jī)之爭(zhēng)？先搞清基本背景
十問(wèn)“希格斯粒子”與“環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)”
簡(jiǎn)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
