科學(xué)家爭論的大型對撞機究竟有什么用？

覃拈

歐洲核子中心的大型強子對撞機

前段時間，一場關(guān)于中國是否應(yīng)當(dāng)建造大型對撞機的公開辯論，引起了公眾的極大關(guān)注。

2016年9月4日，94歲的著名理論物理學(xué)家楊振寧在網(wǎng)絡(luò)上公開發(fā)表文章，反對中國建造大型對撞機。隨后，中國科學(xué)院高能物理研究所所長王貽芳公開發(fā)文回應(yīng)楊振寧的質(zhì)疑，支持中國建造大型對撞機。這場原本只在高能物理研究領(lǐng)域內(nèi)部的討論，由于網(wǎng)絡(luò)和媒體報道的推動，迅速發(fā)酵為全民參與的公開辯論，眾多網(wǎng)友紛紛分派站隊，一派是“挺楊派”，反對中國建造大型對撞機；另一派是“挺王派”，則支持建造。然而，除了從事高能物理研究的專業(yè)科學(xué)家，普通人對于什么是大型對撞機恐怕了解不多，這場公開辯論可以成為科普的契機。

從原子到夸克，物質(zhì)世界的“神秘磚塊”紛紛現(xiàn)形

自從人類的遠(yuǎn)古祖先第一次仰望星空開始，人類對這個物質(zhì)世界就充滿了好奇——我們的世界是由什么組成的？從古至今，有許許多多的偉大人物給出了自己的答案，他們是人類探索宇宙物質(zhì)世界奧秘的先驅(qū)者。中國古代哲學(xué)家用五行理論來說明世界萬物的形成及其相互關(guān)系，五行是指“金、木、水、火、土”，古代先哲試圖用這五種元素來說明世界萬物的起源。五行學(xué)說是我國古代的物質(zhì)組成學(xué)說，與西方的水、火、土、氣四元素學(xué)說類似，但隨著近代科學(xué)的發(fā)展，這兩種學(xué)說的物質(zhì)構(gòu)成理論都被事實否定了。

19世紀(jì)初，法國化學(xué)家普魯斯特發(fā)現(xiàn)了一個有趣的現(xiàn)象：參與化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)質(zhì)量都成一定的整數(shù)比，例如1克氫氣和8克氧氣化合成9克水，假如不按這個一定的比例，多余的就要剩下而不參加化合。在前人研究的基礎(chǔ)上，英國科學(xué)家道爾頓通過實驗進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，在化合物里的元素之間，它們的量總是成倍數(shù)地變化。在實驗現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，憑借自己強大的推理能力和豐富的想象力，道爾頓提出了原子理論：物質(zhì)世界的最小組成單元是原子，各種原子按不同比例組成物質(zhì)，原子是穩(wěn)定的、不可分割的。這是人類第一次依據(jù)科學(xué)實驗的證據(jù)，系統(tǒng)地闡述了微觀物質(zhì)世界，是人類認(rèn)識物質(zhì)世界的一次飛躍性的成就。

到了19世紀(jì)末和20世紀(jì)初，英國人湯姆森在研究陰極射線時發(fā)現(xiàn)了電子，這表明原子是可以分割的，原子有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，里面還有電子。電子的發(fā)現(xiàn)最先敲開了通向基本粒子物理學(xué)的大門，預(yù)示著物理學(xué)的新時代即將到來。不久，新西蘭物理學(xué)家盧瑟福在α粒子散射實驗中發(fā)現(xiàn)了大角度散射現(xiàn)象，由此提出的原子核式結(jié)構(gòu)模型認(rèn)為，原子是由原子核和核外的電子組成的，原子核帶著正電，位于原子的中心，占有原子的絕大部分質(zhì)量；電子帶負(fù)電，圍繞著中心的原子核運動。伴隨著原子核式結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，丹麥物理學(xué)家波爾革命性地提出了與經(jīng)典物理學(xué)完全不同的“量子軌道假設(shè)”，成為量子力學(xué)的先驅(qū)者之一。物理學(xué)家進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了原子核內(nèi)部還有質(zhì)子和中子，隨后，一系列的新粒子在宇宙射線和加速器中被發(fā)現(xiàn)，20世紀(jì)60年代的“夸克模型”指出，質(zhì)子、中子和其他一些粒子都是由更基本的粒子“夸克”組成的，在夸克模型的理論基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展出了一個被物理學(xué)家們廣泛接受的“粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型”。

簡單地說，科學(xué)家們在實驗中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了原子——電子和原子核——質(zhì)子、中子和夸克，然后依次提出了原子論——原子核式結(jié)構(gòu)——標(biāo)準(zhǔn)模型。截至目前，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)模型的解釋，電子、夸克和傳播子（例如光子）是我們物質(zhì)世界的基本組成單元，它們是不可分割的，這些基本粒子相互之間可以發(fā)生作用，組成其他更復(fù)雜的質(zhì)子、中子和原子等粒子，最后形成我們這個豐富多彩的物質(zhì)世界?；玖Ｗ泳拖翊u塊，許許多多的磚塊一起構(gòu)建出高樓大廈。從高聳的大廈到微小的磚塊，當(dāng)人類的研究對象深入到微觀的夸克層次時，就進(jìn)入了粒子物理的領(lǐng)域。粒子物理學(xué)是一門研究物質(zhì)最基本的結(jié)構(gòu)及其相互作用規(guī)律的前沿基礎(chǔ)科學(xué)，它研究的是基本粒子的性質(zhì)，探索宇宙的起源與演化的規(guī)律。

當(dāng)顯微鏡不足以認(rèn)識這個世界時，對撞機就登場了

物理學(xué)是一門實驗科學(xué)，以實驗為基礎(chǔ)探索物質(zhì)世界的奧秘，在實驗中我們必須選擇合適的研究工具。比如在測量一張桌子的長度時，我們需要使用尺子；在觀察細(xì)胞或者細(xì)菌時，我們需要使用光學(xué)顯微鏡；在研究分子和原子結(jié)構(gòu)時，我們需要掃描隧道電子顯微鏡；當(dāng)深入到比原子還小的亞原子微觀尺度時，我們就需要粒子加速器了。對撞機是一種特殊的粒子加速器，它能把兩束粒子加速到接近光速，然后讓兩束高速運動的粒子相互對撞，根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能方程，能量和質(zhì)量可以相互轉(zhuǎn)化，相互對撞的粒子的質(zhì)量可以變成能量，又由能量變?yōu)橘|(zhì)量，得到新的粒子。對撞機里的粒子能量往往很高（因此粒子物理也被稱為高能物理），對撞之后可以產(chǎn)生各種各樣的新粒子，粒子物理學(xué)家通過研究這些對撞產(chǎn)生的粒子來揭示世界的奧秘。

歐洲核子中心的大型強子對撞機（英文簡稱是LHC）不僅是世界上最大的粒子對撞機，也是有史以來人類建造的最復(fù)雜的機器，這個最大的對撞機被用于尋找標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的“上帝粒子”——希格斯粒子，正是這個粒子賦予了其他粒子質(zhì)量。為了在實驗中找到這個粒子，3 000多名來自全世界幾十個國家?guī)装偎髮W(xué)的科學(xué)家通力合作，尋找的過程艱難曲折：LHC對撞機把質(zhì)子加速到極高的速度（其速度接近光速），然后讓兩束質(zhì)子迎頭相撞，質(zhì)子撞碎湮滅為一團(tuán)能量，從這團(tuán)能量中又重生出宇宙大爆炸之初的各種粒子，其中就有希格斯粒子。但是由于希格斯粒子所占的比例極小（小于百億分之一），實驗物理學(xué)家要從中篩選出希格斯粒子，就像在一場大雨中找到一滴特殊的雨滴一樣艱難。幸運的是，2013年3月，歐洲科學(xué)家宣布在LHC上發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，這是人類在探索物質(zhì)世界的征程中取得的重大勝利。“上帝粒子”的發(fā)現(xiàn)是人類科學(xué)史上最重要的事件之一，比利時理論物理學(xué)家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學(xué)家彼得·希格斯因成功預(yù)言希格斯粒子而獲得2013年諾貝爾物理學(xué)獎。

這不僅是科學(xué)家之間的爭論，也是一次極好的科普

最近，一群中國物理學(xué)家提議在中國建造一個大型環(huán)形正負(fù)電子對撞機，用來進(jìn)一步研究希格斯粒子的性質(zhì)，將來如果有可能，還可以升級為質(zhì)子對撞機，用來尋找超對稱粒子。這個提議獲得了眾多贊同，贊同的人們認(rèn)為建造大型對撞機是深入研究希格斯粒子的最有效途徑，這種大科學(xué)工程還能帶動高新技術(shù)的發(fā)展，吸引和培養(yǎng)國內(nèi)外的大量人才。也有一些人反對建造大型對撞機，反對的人們認(rèn)為建造的經(jīng)費成本太高，中國仍是發(fā)展中國家，并不富裕，不應(yīng)該把錢投向短期內(nèi)看不到收益的純基礎(chǔ)研究。這場爭論很有意義，楊振寧和王貽芳并不介意公開討論學(xué)術(shù)上的分歧，在論戰(zhàn)中，公眾不僅得以一窺科學(xué)前沿的最新進(jìn)展，還能借助網(wǎng)絡(luò)直接參與討論，間接地促使重大科學(xué)工程的決策更具有透明度。

縱觀近代以來的物理學(xué)歷史，人類在探索物質(zhì)世界的征程中取得了一個又一個重大進(jìn)展，人們一步步發(fā)現(xiàn)了原子、電子、質(zhì)子、中子和希格斯粒子等一系列粒子，促進(jìn)了我們對宇宙的認(rèn)識。遺憾的是，在這一系列重大發(fā)現(xiàn)的背后，鮮有中國人的身影。希望將來有一天，我們能在粒子物理學(xué)的教科書中看到更多中國人的名字。