楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

在2016年9月4日之前,中國科學界從來沒有發生過如此激烈的觀點交鋒,一場關於“中國要不要建設超級對撞機”的大討論,伴隨著首位華人諾獎得主楊振寧的一篇名為《中國今天不宜建造超大對撞機》的論文,迅速在中國科學界展開,隨後波及到各個領域,甚至一度成為帶有全民性質的話題。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

論戰雙方的代表都是極具影響力的風雲人物,贊成方包括菲爾茲獎獲得者、著名華裔數學家丘成桐,中科院院士、中國高能物理研究所所長王貽芳;反對方則是有楊振寧、何祚庥為代表的頂級科學家,科學界的頂級大咖毫不留情地“互撕”,這在中國科學界從未發生過。

那麼,傳說中的超級對撞機到底是個什麼東西?中國該不該建呢?

超級對撞機是個什麼東西?

首先我們來看看,目前世界上最大、能量最高的對撞機,是歐洲粒子中心(CERN)的大型強子對撞機(簡稱LHC)座落於

日內瓦

附近,

瑞士

和法國的交界,侏羅山地下100米深的隧道內,

隧道本身直徑三米,並且位於同一平面上。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

雖然隧道本身位於地底下,但是許多地面設施,如冷卻壓縮機,通風裝置,控制電機裝置,還有冷凍槽等裝置,仍然是建構在地上的。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

LHC是一個圓形加速器

周長約27公里,這

是一種將質子加速對撞的高能物理裝置,加速器通道中,主要是放置兩個

質子

束管,加速管由超導磁鐵所包覆,以液態氦來冷卻。管中的質子是以相反的方向,環繞著整個環型

加速器

執行。

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當兩個質子束在環形隧道中沿著反方向運動的時候,強大的

磁場

使它們的能量急劇增加。這些粒子每執行一圈,就會獲得更多的能量,然後再以

接近光速

進行對撞,產生新的粒子。

超級對撞機有什麼用?

那麼問題又來了,為什麼非要讓這些微觀粒子進行對撞呢?這麼做的意義又在哪裡呢?打個比方,當我們觀察一個物體,先是肉眼可見,再小可以藉助放大鏡,再小就藉助顯微鏡,當觀察視野進入更小的亞原子微觀尺度,當顯微鏡也不足以勝任的時候,對撞機就出現了,比如我們想要看看原子的內部結構,怎麼辦?如果把一個原子核比作是一個核桃,怎麼打碎這個核桃?科學家的辦法就是讓兩個核桃高速對撞,讓其“粉身碎骨“。

當然粒子的對撞和核桃碰撞還有一些不一樣,核桃再怎麼對撞也不會產生新的核桃,而粒子對撞變化可就大了,按照愛因斯坦質能方程E=MC2的公式,粒子在加速和對撞的過程中,能量和質量可以互相轉換,相互對撞的粒子,質量可以轉化成能量,又由能量轉化為質量,這樣就可能會得到新的粒子。

歐洲的大型強子對撞機LHC,最偉大的成就就是發現了猜想中的“希格斯玻色子“,也就是傳說中的”上帝粒子“。為什麼說它是上帝粒子呢?解釋這個問題,我們先來了解一下什麼叫”基本粒子標準模型“,簡單地說,就是”基本粒子“的家譜!那麼基本粒子又有哪些呢?基本粒子就是物理世界不可分割的最小的基本單元,就像是一個個磚塊,無數個磚塊構建成宏偉的高樓大廈,我們都知道物質都是由原子構成的,可原子並不是最小的基本粒子,原子又分為原子核和核外電子,而原子核又分為質子、中子和夸克,所以

根據標準模型的解釋,電子、夸克和光子,這些才是基本粒子。

來看下面這一張表格,人類目前發現的“標準模型“由61種基本粒子組成,

包含

費米子

玻色子

兩大類別,其中的

費米子就是組成物質的粒子,而玻色子則負責傳遞各種作用力。是不是覺得很奇怪,這張表格上怎麼沒有前面所說的電子呢?解釋一下,電子屬於

亞原子粒子

中的輕子類,這張表格上每一類基本粒子,往往都不只有一種形態,所以加起來是61個。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

瞭解了標準模型,我們就可以解釋為什麼希格斯玻色子會被稱作是“上帝粒子“了,就是這張表格上最下面的一行,再回到E=MC2質能方程,這裡的M代表的是質量,可每一個基本粒子的質量又是從哪裡來的呢?按照英國科學家

彼得·希格斯

的理論,

希格斯粒子

是希格斯場的場

量子化

激發,透過自相互

作用

而獲得

質量

其他的基本粒子根據希格斯機制,與希格斯場耦合而獲得質量,簡單地說就是,正是這個希格斯粒子賦予了其他粒子質量,可以說是整個“標準模型”的基石,所以就被尊稱為”上帝粒子“。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

“上帝粒子”原先只是一個猜想,因為質量從哪裡來,一直是個問題,所以按照推斷,肯定有一個新的粒子,負責給其他粒子賦予質量,但這個猜想一直沒有被實驗驗證,直到2013年3月14日,歐洲核子中心宣佈發現了這種神秘的希格斯粒子,而發現它的裝置就是我們前面所說的大型對撞機LHC。

當年發現“上帝粒子”絕對是物理學史上最具轟動性的大事件之一,因為希格斯粒子所佔的比例極小,低於百億分之一,實驗物理學家要從中篩選出希格斯粒子,就像是在一場大雨中找到一滴特殊的雨滴一樣艱難,希格斯粒子的發現完成了“粒子標準模型”的最後一塊拼圖,為探索宇宙起源起到了重要作用。

再這還要補充一點,就是我們現在每天都在用的www全球資訊網,也是來自歐洲粒子中心,當時的科學家們為了資料交流方便,發明了用於傳輸資料的全球資訊網,之後才轉為大規模民用。

既然有了LHC,為何還要建更大的?

說了這麼多,又一個問題來了,就是既然已經有了歐洲的大型對撞機,為什麼中國還要建一個更大的?先來簡要介紹一下中國要建的超級對撞機,比歐洲的LHC到底優越在哪?

首先是體積更大,LHC長度只有27公里,

而中國要建的同樣是環形加速器,周長卻達到了 100公里,再者就是能量更大,對撞能級可達70 TeV- 100TeV(萬億電子伏特) 甚至 100TeV- 140Te V,遠超 LHC 的 14TeV(萬億電子伏特)。

瞭解了什麼是對撞機以及它的用途之後,我們再來說中國要建的超級對撞機,是個什麼東西,簡單地說,就是比LHC更大,能量更強的對撞機,

中國超級對撞機建設

分為兩個階段,第一階段是計劃在2022年到2030年竣工的大型電子對撞機,簡稱

CEPC

,造價約400億元人民幣,第二階段是大型質子對撞機

(簡稱SPPC)

,總造價在1000億元以上,

時間是在2040-2050 年左右,

不過

質子對撞機是否建設,是建立在正負電子對撞機是否有新物理跡象的前提上,也就是說,第二部分幹不幹,要看第一部分的成績單。

簡單地說,中國要建的就是比

LHC更厲害的對撞機,相當於豪華升級版,因為發現上帝粒子,這已經是LHC的能力極限了,想要進一步探索,就得建一個更大的對撞機,於是

CEPC和SPPC應運而生。

你或許要問了,既然上帝粒子都被發現了,再建一個CEPC又能解決什麼物理學問題?

CEPC-SPPC的科學目標

在高能物理本身的科學目標方面,如果說LHC發現希格斯粒子,是小打小鬧的零售,那麼

CEPC

就相當於是一個希格斯粒子工廠搞批發了,按照目前的估計, CEPC能在10年中產生100萬個希格斯玻色子。能夠以比現在高得多的精度,測量希格斯玻色子的各種性質,在確認希格斯粒子的性質、自耦和、是否與標準模型預言完全一致等問題上,會有所突破,這對於研究宇宙的早期演化具有重要意義,有助於解決反物質為什麼比正物質少得多的疑問。

另外一個就是驗證關於“超對稱粒子“是否存在的猜想,因為粒子物理目前的“標準模型”只是一個在低能情形下的有效理論,需要繼續發展更深層次的理論,雖然現在已經有了一些超出該模型的實驗證據,但需要更多的實驗證據,來指明未來的發展方向。

不過就在中國還在為要不要建設大型對撞機爭論不休的時候,歐洲粒子中心已經規劃了LHC亮度升級計劃,計劃執行至2035年,亮度提升至5到10倍,在此之前,歐洲不可能騰出手來修建新的加速器。

建CEPC有什麼好處?

CEPC

建或不建?正反之爭最大的焦點在於,花巨資建一個收益不明確的大專案,值不值的問題?可能很多人的想法是,不值得或者沒必要,在討論整個問題之前,我們先來看看建設CEPC有什麼看得見的好處。

首先我們來看,大型對撞機為什麼成了中國的一次逆襲的機會?要知道加速器這東西,最先進的全世界只會建一個,誰擁有最先進的加速器,誰就是粒子物理的領先者,這是粒子物理的特殊性,因為加速器要研究的問題高度集中,而其他科學裝置可研究的問題分佈廣泛,建很多個也都有事幹。

中國在這一領域原本起步較晚,落後於歐洲、美國和日本,但是時過境遷,這一短板現在反而讓中國獲得了後發優勢,因為對於他們來說,另起爐灶或者推翻重來,都將面臨一個船大掉頭難的問題,不像中國剛入牌局,就可以做到一步登頂。

這個機會的視窗期大約有10 年,如果我們這期間沒有上馬CEPC,等到歐洲、 美國、日本騰出手來了,機會就轉到他們那邊,到時中國再爭取國際合作和經費就困難了。

再者,建設大型對撞機可以有效推動中國技術升級,可能很多人認為建設CEPC需要花費大量外匯去購買國外的裝置,其實高能物理專案的裝置,絕大多數都是自制的,90%以上的錢會花在國內的產品上,這樣會促進中國的技術升級,可謂意義深遠。

總而言之,大型對撞機相當於提供一個加速技術追趕的機會,因為有推動產業的價值,所以大科學工程並不是許多人理解的燒錢, 實際的淨投入遠不像看起來那麼大。

第三,頂級加速器對於全球科學家都有著巨大的吸引力,幾千名頂級科學家定居和經常訪問中國,將大大有助於中國建成世界科學中心,在這方面的作用,比幾所世界一流大學的作用都要大。

最後就是對於國家品牌的提升,為什麼許多人一提到德國貨、日本貨、美國貨就覺得高階,這就是國家品牌的力量,基礎研究的世界領先地位,對於中國國家品牌提升,雖然難以定量計算,但肯定存在,對國家的長遠發展具有不可替代的作用。

正反之爭 楊振寧PK王貽芳

在對CEPC有了一個相對客觀的瞭解之後,我們再來看楊振寧為何會反對?王貽芳教授又是如何反擊的?關於雙方觀點的碰撞,我們可以從七個方面來分析。

楊振寧反對建設的超級對撞機,到底有什麼用?中國要不要建?

中國科學院院士王貽芳

第一:大型對撞機是不是“無底洞”?

楊振寧的第一點意見是,美國曾經主導的超級對撞機專案,在浪費了30億美元之後依然下馬,所以大型對撞機就是個無底洞。

王貽芳則迴應,過去50年間,不成功的都是質子加速器,而電子加速器都是成功的,而中國的大型對撞機第一階段是電子對撞機CEPC;至於第二階段的質子對撞機SPPC,只是在CEPC發現新物理跡象的前提下才考慮建造,時間都到2040年了,現在談論它的價格意義為時尚早。

第二:民生問題與基礎研究,是否不可兼得?

楊振寧的第二個觀點是,中國還是個發展中國家,教育、農業、環保、衛生事業,各個民生方面都更需要錢。

王貽芳迴應,民生問題當然要解決,但也要考慮長遠, 要有合適的比例進行基礎科學研究, 即便是做取捨,也應該是在科研專案之間,而不是非要在科研與民生之間做取捨。

第三:擠壓其他基礎科學的經費?

楊振寧的第三點意見是:建造超大對撞機必將大大擠壓其他基礎科學的經費。

王貽芳迴應:中國的基礎研究經費目前佔研發經費的比重大約是5%,國際上發達國家一般是 15%,因此基礎研究經費還有巨大的增長空間(大約每年1000億人民幣以上),不存在擠壓其他基礎科學研究經費的情況。

第四:尋找“超對稱粒子”是不是建設對撞機的目標?

楊振寧認為:高能物理學家想尋找的超對稱粒子和“量子引力化”的存在只是一個猜想,沒有任何實驗根據,希望用大型對撞機來發現猜想中的粒子,更是猜想加猜想。

王貽芳迴應:科學探索是沒有失敗可言的,本來就沒有人規定你一定要找到某個東西,關鍵是要去找,找到什麼都是成功,畢竟,獲得基礎資料才是實驗物理的常態,獲得重大突破是意外。

第五,高能物理研究有沒有實在好處?

楊振寧認為;高能物理的大成就對人類生活沒有實在的好處,盛宴已經結束。

王貽芳迴應:CEPC的建設可以使我們在許多技術方面實現國產化,並領先國際,這個前面我們已經說過了,這裡不再贅述。

第六:建大型對撞機是不是為外國人做嫁衣?

楊振寧認為,大型對撞機的設計、運轉和分析,必將由90% 的非中國人來主導,如果能得 到諾貝爾獎,獲獎者也未必會是中國人。

王貽芳迴應:CEPC-SPPC的設想是中國科學家2012年提出的,已經得到國際上的積極響應與支援,況且中國已有三十多年北京正負電子對撞機的經驗,將來70% 的工作可由中國人主導完成。

第七:不建超大對撞機,高能物理還能研究啥?

楊振寧認為:不建大型對撞機,高能物理還至少有兩個不那麼費錢的方向值得探索:尋找新加速器原理和尋找美妙的幾何結構。

王貽芳迴應:新加速原理在高能對撞機方面,無論是束流品質還是能量利用效率,都還有太長的路要走;而“幾何理論”與 實驗相距太遠,不是我們現在考慮的問題。

以上就是正反雙方論戰的核心要義,至於孰是孰非,還需要更多的時間,更多的證據去分析研究,但話題本身保持多年的熱度不減,正好說明了全民科學素質的提升,更是一次全民科普的絕佳機會,那麼,看了本期影片之後,您覺得中國到底要不要建設大型對撞機呢?評論區留言一起來探討吧。