對撞機能為我們撞出什么？

文 王貽芳

人類探索微觀世界的努力從未停止過，現(xiàn)代大型加速器和對撞機的建造和加入，加快了微觀世界的探索進(jìn)程和研究成效。物質(zhì)世界是由一些微觀粒子組成的，比如大家熟知的原子就是其中之一，但是隨著研究的深入，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，原子還可以繼續(xù)拆分成更小的質(zhì)子、中子和電子。更令人驚訝的是，這還不是認(rèn)識微觀世界的終點。因為，科學(xué)家又發(fā)現(xiàn)了數(shù)以百計的不是由質(zhì)子、中子和電子組成的新粒子，而且發(fā)現(xiàn)質(zhì)子、中子等粒子本身還有復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這些全新發(fā)現(xiàn)，在沒有加速器和對撞機這樣的大科學(xué)裝置之前是難以完成的。不斷深入的微觀粒子研究到底有什么用？1988年10月24日，中國第一臺高能加速器——北京正負(fù)電子對撞機建成，這是我國第一個大科學(xué)裝置。憑借這一“國之重器”，我國成功躋身當(dāng)時的世界八大高能物理實驗研究中心，躍上了世界科技前沿大舞臺。

深入微觀世界需要高能利器

在20世紀(jì)之前，人類對于世界運行規(guī)律的認(rèn)知，幾乎都只停留在宏觀物體和現(xiàn)象上。然而在19世紀(jì)最后幾年，從倫琴發(fā)現(xiàn)了X射線、J.J.湯姆遜發(fā)現(xiàn)了電子、盧瑟福發(fā)現(xiàn)了α射線和β射線等實驗開始，物理學(xué)家們這才漸漸打開一扇神奇的微觀世界的大門。為了更好地觀察這些連顯微鏡都無法觀測到的微觀粒子，科學(xué)家需要可控的粒子束，于是，美國物理學(xué)家勞倫斯發(fā)明了回旋粒子加速器。這種設(shè)備可以將微觀粒子加速，并控制粒子的運動方向。經(jīng)過幾代科學(xué)家的不斷完善，這類粒子加速器逐漸成為粒子物理學(xué)家研究微觀世界必不可少的利器。但是，早期粒子加速器能量利用率不高，觀測效果不佳。于是，科學(xué)家們又想出一個辦法，將兩束粒子直接進(jìn)行碰撞，由此發(fā)明了對撞機。這樣可以最大限度地利用粒子加速后的所有能量，觀測效果大幅提升。利用加速器和對撞機這樣的大科學(xué)裝置，粒子物理研究不斷地刷新著人類對微觀世界的認(rèn)知。

尤其是對撞機等大科學(xué)裝置出現(xiàn)之后，科學(xué)家更是如虎添翼，不斷突破人類對微觀世界的認(rèn)知邊界。當(dāng)初，有了對分子、原子等微觀粒子的認(rèn)識，我們?nèi)祟惒庞袡C會掌控巨大的核能，才可能創(chuàng)造出大量全新的材料，發(fā)明各種強大的儀器設(shè)備。微觀粒子中還蘊藏著怎樣的秘密？這些看起來十分高冷的研究會不會改變世界和人類的未來？我們還需要有足夠的耐心拭目以待。

北京正負(fù)電子對撞機撞出一片天地

1989年，國家郵政局發(fā)行了一枚特種郵票，專門紀(jì)念科技領(lǐng)域發(fā)生的一件大事——北京正負(fù)電子對撞機竣工。1988年10月建成的這一大科學(xué)裝置，究竟為我們“撞”出了什么？

北京正負(fù)電子對撞機在完成對撞以后，取得了非常豐碩的成果：第一個就是把τ輕子的質(zhì)量給測了出來。τ輕子是最基本的粒子之一，是電子的兄弟，比電子要重一些。它的質(zhì)量對粒子物理的研究來說是非常重要的一個參數(shù)，當(dāng)時大家測量τ輕子質(zhì)量有一點偏差。北京正負(fù)電子對撞機把這個偏差修正了回來，這個修正大約達(dá)到了3倍的標(biāo)準(zhǔn)偏差，誤差降低了10倍。第二個就是對標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)測的希格斯粒子質(zhì)量做了一個比較大的修正。第三個就是發(fā)現(xiàn)了一些新的粒子，2013年發(fā)現(xiàn)了一個全新的粒子叫作Zc（3900），它實際上應(yīng)該是由4個夸克構(gòu)成的，這是我們第一次看到這一類全新的物質(zhì)形態(tài)，是非常重要的發(fā)現(xiàn)。Zc（3900）的發(fā)現(xiàn)在國際上有很大的影響，入選了美國物理學(xué)會《物理》雜志2013年的國際十一大物理學(xué)重要成果之首，中國的高能物理因此在國際上占有了一席之地。

北京正負(fù)電子對撞機除了它的科學(xué)產(chǎn)出之外，也帶動了我們國家的高技術(shù)的發(fā)展，比如說中國的互聯(lián)網(wǎng)的引入，電子郵件的引入。移動互聯(lián)網(wǎng)本身和今天的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟，都非常依賴于當(dāng)時歐洲核子中心的重大的技術(shù)發(fā)明。1989年，蒂姆·伯納斯·李當(dāng)時在歐洲核子中心的計算中心工作，為了解決物理學(xué)家之間需要溝通信息、溝通數(shù)據(jù)、溝通程序等各種各樣的需求，他發(fā)明了一個名叫“萬維網(wǎng)”的技術(shù)。這個技術(shù)在1991年正式對世界發(fā)布，歐洲核子中心構(gòu)建了世界上第一個WWW網(wǎng)站，第一個網(wǎng)頁的瀏覽器。中國的第一個WWW網(wǎng)站，就是由于北京正負(fù)電子對撞機的投入，使得我們跟國際上有了最密切、最快速的聯(lián)系，這種聯(lián)系最終使得我們能夠把最新的技術(shù)引到中國來。

大型粒子對撞機或?qū)⒆屩袊袡C會成為高能物理領(lǐng)域第一國

為紀(jì)念北京正負(fù)電子對撞機竣工而發(fā)行的特種郵票

北京正負(fù)電子對撞機，包括后面2004年開始的一個重大改造工程，一共耗費8.8億元人民幣，計劃運行至2030年，前后參與的人數(shù)大約有1000多人，一臺8.8億元的設(shè)備使用了40年以上，1000多人使用，這應(yīng)該是一個非常經(jīng)濟的投入。有人認(rèn)為，高能物理耗資巨大，其實是錯誤的理解。高能物理的研究模式非常特殊，它在先期需要一個巨大的投入，但是在這之后，它的設(shè)備可以長期有效地使用?；A(chǔ)科學(xué)研究目前主要依賴于大科學(xué)裝置，特別是粒子物理的研究，因為它研究的是物質(zhì)的更深層次的結(jié)構(gòu)，需要用比較短的波長去看它，所以必須要有大科學(xué)裝置，比如說用加速器去看它，這個研究會產(chǎn)生很多重要的科學(xué)成果。這些科學(xué)成果，因為反映的是物質(zhì)最深層次的結(jié)構(gòu)，所以更加基礎(chǔ)，反映的是最深層次的物質(zhì)規(guī)律。

下一代對撞機的社會價值

隨著科學(xué)的發(fā)展，科學(xué)家們所研究的目標(biāo)越來越趨向于微觀和高精度，因此需要更高能量的粒子。未來，粒子物理研究將向何處發(fā)展？還能有什么石破天驚的新發(fā)現(xiàn)？世界各國的科學(xué)家都在摩拳擦掌，躍躍欲試?！肮び破涫?，必先利其器”，更深入的研究離不開更加強大的大科學(xué)裝置。目前，歐洲大型強子對撞機正在升級改造過程中。而我國科學(xué)家也提出了建造下一代環(huán)形正負(fù)電子對撞機的宏大構(gòu)想，預(yù)計投資高達(dá)360億元人民幣，建設(shè)周期長達(dá)10年。中國提出的環(huán)形正負(fù)電子對撞機有非常清晰的重要優(yōu)點：第一個優(yōu)點——高亮度。環(huán)形對撞機的亮度是直線對撞機的亮度的大約3倍左右。第二個優(yōu)點——性價比高。環(huán)形對撞機可以有兩個探測器，也就是說周長100公里的環(huán)形正負(fù)電子對撞機和日本的30公里長度的直線對撞機造價是基本一樣的，但環(huán)形對撞機一年獲得的希格斯粒子的數(shù)量是直線對撞機的6倍。因為亮度差了3倍，探測器又長了2倍，加起來是6倍，所以從性價比來看環(huán)形對撞機超過直線對撞機6倍左右。環(huán)形對撞機的隧道可以用于質(zhì)子對撞，所以可以升級設(shè)施，可以復(fù)用。第三個優(yōu)點——環(huán)形對撞機是一個多用途的加速器，它可以同時產(chǎn)生高能的同步輻射。它同步輻射的能量和強度很大程度上超過現(xiàn)有專用的同步輻射光源。這個光源在材料科學(xué)、工業(yè)、科學(xué)研究方面有非常重要的應(yīng)用，所以它是一個多用途的加速器。

從歷史上看，對撞機催生了加速器的廣泛應(yīng)用，比如說現(xiàn)在大家手機上用的觸摸屏，最早來源于歐洲核子中心。現(xiàn)在醫(yī)院里廣泛使用的核磁共振設(shè)施MRA，來自美國的費米實驗室，它解決了重大的超導(dǎo)磁鐵技術(shù)上的各種問題。歐洲核子中心的真空技術(shù)，也為太陽能發(fā)電作出了重要貢獻(xiàn)。未來中國的科學(xué)技術(shù)也會給我們帶來很多無法估量的社會價值。技術(shù)轉(zhuǎn)化跟科學(xué)技術(shù)的水平密切相關(guān)。這里面核心的核心首先是要科學(xué)領(lǐng)先，然后技術(shù)領(lǐng)先，才能夠在別人前面做技術(shù)轉(zhuǎn)化。如果科學(xué)不領(lǐng)先，自然技術(shù)就不領(lǐng)先，就不可能率先實現(xiàn)技術(shù)轉(zhuǎn)化。我們高能所也做過一些技術(shù)轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化的工作，最近高能所完成了加速器硼中子俘獲治療的技術(shù)，通過它可以輻照癌細(xì)胞，治療各種比較特殊的癌癥，比如說彌漫性的癌癥，它也是目前最先進(jìn)的癌癥治療手段之一。

裝置有價，貢獻(xiàn)無價

科學(xué)界認(rèn)為，基礎(chǔ)研究是原始創(chuàng)新的源頭、核心技術(shù)產(chǎn)生的關(guān)鍵。近代人類社會文明的每一次重大進(jìn)步都是由基礎(chǔ)研究成果所引發(fā)的技術(shù)進(jìn)步推動的，而基礎(chǔ)研究更是我們科技自立自強的基石。如今探索自然規(guī)律的基礎(chǔ)研究，其重大發(fā)現(xiàn)和突破，越來越多地仰仗大科學(xué)裝置。它集合了當(dāng)今世界高新科技成果，承載著人類認(rèn)識未知世界的智慧與追求，拓展了人類探索未知世界的能力。歐美日等發(fā)達(dá)國家早在50年前就以巨大的投入建造大科學(xué)裝置，從而在眾多前沿科技領(lǐng)域占得先機，超導(dǎo)磁鐵、計算機網(wǎng)絡(luò)、觸摸屏、真空技術(shù)等眾多先進(jìn)的技術(shù)成果都與之緊密相連。探索自然規(guī)律的基礎(chǔ)研究，需要各方面的投入，許多成果的形成，需要耗費很長的時間。

大科學(xué)裝置是一個源頭，是創(chuàng)新的利器。我們的感知能力是有限的，要拓展我們的感知能力需要設(shè)備，那么科學(xué)和技術(shù)未來發(fā)展的方向使得這樣的設(shè)備越來越大，能力越來越強。所以大科學(xué)裝置代表著發(fā)展的趨勢，而且大科學(xué)裝置規(guī)模宏大，技術(shù)門類齊全，它也是各種高新技術(shù)的引領(lǐng)。21世紀(jì)重大的科學(xué)發(fā)展成就，包括引力波、中微子、希格斯粒子發(fā)現(xiàn)等，都是依賴于大科學(xué)裝置，同時它也會助力其他學(xué)科的發(fā)展。那么社會大眾經(jīng)常會問：值不值得花這么多錢去做？我們?yōu)槭裁匆约喝プ?？我們參加別人的難道不行嗎？應(yīng)該說這樣一個大型的科學(xué)項目會給我們帶來革命性的重大發(fā)現(xiàn)和革命性的技術(shù)突破，會體現(xiàn)最核心的競爭力，也會推動前沿技術(shù)的發(fā)展。從經(jīng)費上來說歐美日都研究過，大型加速器設(shè)施的投入產(chǎn)出比，大約是1∶3左右，也就是說投入1元收獲3元，這個投入本身應(yīng)該說是值得的。

高能物理是人類文明的標(biāo)志性成就之一，我們應(yīng)該追求從一席之地到全面領(lǐng)先。我們有這樣的基礎(chǔ)，這也是國家發(fā)展的需要，中華文明也應(yīng)該有可以載入史冊的重大歷史性科學(xué)成就。我們看過北京奧運會的開幕式，也看過2012年倫敦奧運會的開幕式。在北京奧運會開幕式上，我們有燦爛的中華文明對世界的貢獻(xiàn)，造紙術(shù)、文房四寶、活字印刷術(shù)，這是我們祖先的功勞。在倫敦奧運會開幕式上，他們展示的是現(xiàn)代科技，原子核、歐洲核子中心、互聯(lián)網(wǎng)。我在深圳機場看到華為做的廣告，他們對上帝粒子（希格斯玻色子）的發(fā)現(xiàn)作出了貢獻(xiàn)，我們相信環(huán)形正負(fù)電子對撞機也會使得我們的很多企業(yè)能夠有機會把類似這樣的廣告投放到全世界。中國不僅在歷史上對人類文明有貢獻(xiàn)，在未來也應(yīng)該對世界文明有重要的新的貢獻(xiàn)。