對撞機大解碼！科學家一直激辯的大對撞機竟然是「高富帥」

從左至右，王貽芳，楊振寧，丘成桐。

9月4日和5日，網路上掀起一場關於中國是否應該建造大對撞機的爭論，丘成桐和高能物理學家王貽芳發文力挺大對撞機，而楊振寧和評論家王孟源則明確反對。為什麼對撞機越建越大？高能物理學家期待的大對撞機又能做些什麼？

對撞兩粒橙子籽兒，不那麼容易

你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什麼，但你得用兩個橙子去撞，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，專門製造「天雷地火大碰車」。兩輛大貨車全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛。科學家驅趕基本粒子使之迎面對撞，能量比大貨車還高得多。科學家製造車禍現場，越慘烈他們越高興——殘片甩出來，趁機測一測有什麼新奇的零件兒沒有。

之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們「加速」出來的，所以對撞機也叫加速器。運動的粒子帶電荷，人類可以用強大的電磁場（為此得研發先進的超導技術）讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進跑道，有個馴馬員不停抽它，就越跑越快。反方向的兩束粒子，最終迎面碰頭撞出世間萬象。

當初歐洲的大型強子對撞機（LHC）還沒運行的時候，有傳言說它弄不好會撞出一個黑洞來毀滅地球。這說法也不是沒邊兒沒沿兒，因為巨型對撞機的確志在製造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

為了用電磁場加速，對撞機用的都是有電荷的粒子：質子和反質子，電子和反電子。如果要用質子，用強電場加在氫氣上，質子和電子就剝開了。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。而反質子和反電子的獲取就麻煩一點，可能要用到激光。這些粒子被製造出來後，會在一個磁場圈兒里慢慢跑著，等要撞了，再放進「賽道」。

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

所以LHC這樣的大傢伙，成為了史上生產最多數據的機器。絕大多數數據是無用的，找出精華就像稻草堆里找銀針。

超越一個大獲成功的模型，路在何方？

為了超越標準模型，一些學者把目光轉向和弦理論有緊密聯繫的超對稱粒子，希望建造更大的對撞機，實現更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微觀世界秩序的，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，提出了弱電統一規範理論；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、弱作用相關所有現象，也給組成物質的基本粒子分了類，將粒子分成費米子和玻色子。費米子是組成物質的，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發現後，標準模型預言的61個粒子都被證實了。而甚至在希格斯粒子被發現之前，已經沒人挑戰這個極為符合現實的理論框架了。然而，物理學家仍然覺得有缺憾。因為標準模型中沒有引力的位置，它不是描述萬事萬物的「大統一理論」。標準模型也不能解釋暗物質，它不能解釋我們觀察的宇宙中的物質和反物質為何不對等，它也不能解釋宇宙為什麼暴脹。

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界菲爾茲獎的獲得者，都對弦理論做過貢獻。弦理論把各種粒子看作是弦的表現形式，這種理論看起來是一種包羅萬象的、有潛力的更高框架。但目前弦理論還沒有做出具體的預測，不能被實驗證實或證偽，因此它想成為相對論、量子力學一樣的成功理論還需時日。而弦理論與被廣為接受的物理學相同的是，它在數學上別具魅力，不論它是否描述我們身處的宇宙。目前，弦理論的大本營是在高能物理的傳統中心美國。

理論的曙光一般來自實驗，很多高能物理學家希望建造更大的對撞機，實現更高能量的碰撞。其中一些學者就矚目於標準模型之外的超對稱粒子，這種超對稱粒子和弦理論有相當緊密的聯繫。

美國費米實驗室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望，但這台2TeV能量的機器並未發現超對稱粒子；能量高出一個數量級的LHC，目前也沒有找到超對稱粒子存在的證據。

LHC之後還有誰？各想主意

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

對撞機大概分兩種：一種用電子去對撞，優點是電子結構簡單個頭兒小，撞出來碎片兒比較少，方便科學家看清楚，缺點是它喜歡一邊兒跑一邊兒輻射能量，老泄氣兒跑不快；另一種質子對撞機，長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，但大量製造μ子有困難，現在還沒實現。

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。但高能物理學家已將目光投在LHC之後：一個方案是日本的國際直線對撞機(ILC)，另一個是中國的環形正負電子對撞機（CEPC）以及預想中的質子對撞機（SPPC）。

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

中國提出的方案，是在50—100公里的地下環形通道內建造正負電子對撞機。正負電子對撞機只有0.24—0.35TeV，但如果用它的隧道來增建質子對撞機，能建成比LHC高一個數量級的大對撞機。這台質子對撞機的預算應該不亞於ILC。

高能物理學家想依靠下一代對撞機首先解決希格斯粒子的謎團，比如LHC測出的希格斯子的質量為何如此小？作為標準模型的基礎，希格斯子的質量本來被算得相當大。這也成為突破標準模型發現新物理的一個方向。

大對撞機因為耗資巨大，在任何地方開建都會引起財政爭論，美國甚至在1993年將已經投資20億美元的大對撞機拉下馬來。目前，日本和中國的方案懸而未決，其前途必然要考慮LHC還能有哪些重要成果，以及對高能物理學前景的判斷了。

（圖片來自網路）

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