巨型對(duì)撞機(jī)爭(zhēng)辯300天回顧

文小剛

近幾年來(lái)，由于普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼-哈米德、哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家丘成桐和高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳等國(guó)內(nèi)外一些高能物理工作者的大力推動(dòng)，中國(guó)開(kāi)始考慮建造世界上最大的對(duì)撞機(jī)。這是一個(gè)重要的大科學(xué)項(xiàng)目。中國(guó)應(yīng)不應(yīng)該上？近兩三年，這一直是中國(guó)物理工作者討論思考的話題。我們以為，這個(gè)問(wèn)題應(yīng)該由一個(gè)跨領(lǐng)域的科學(xué)家委員會(huì)來(lái)認(rèn)真討論、研究論證。像《賽先生》這樣的科普媒體，所能做的也就是科普這方面的背景知識(shí)，使大眾能夠理解科學(xué)家委員會(huì)的建議。

從去年12月開(kāi)始，《賽先生》發(fā)表轉(zhuǎn)載了一系列文章，比較系統(tǒng)地介紹了和高能加速器相關(guān)的一些背景知識(shí)，展示了各種不同的觀點(diǎn)和這些觀點(diǎn)之間爭(zhēng)論，這正是《賽先生》所想要促成的一個(gè)理性討論的平臺(tái)。

在這里，我們把《賽先生》和高能加速器相關(guān)的文章匯總了一下，希望讀者對(duì)有關(guān)巨型對(duì)撞機(jī)的爭(zhēng)論能有一個(gè)比較全面理性的了解。

我們?yōu)槭裁匆ㄔ煲粋€(gè)大到70公里的巨型對(duì)撞機(jī)來(lái)研究微觀粒子？這是因?yàn)橐芯啃碌奈⒂^粒子，如希格斯粒子，我們需要產(chǎn)生極高能的粒子束，通過(guò)其對(duì)撞來(lái)產(chǎn)生這些新粒子。根據(jù)傳統(tǒng)的加速器設(shè)計(jì)理念，為了產(chǎn)生能量越來(lái)越高的粒子束，我們必須把加速器做得越來(lái)越大。但也有一些人考慮非傳統(tǒng)的加速器設(shè)計(jì)理念，希望這些新思路能有所突破，做出新類型的高能加速器，花小錢(qián)辦大事兒?！赌X洞大開(kāi)的科技創(chuàng)新：桌面上的粒子加速器》（2015-12-1）、《激光等離子體加速器刷新紀(jì)錄》（2016-2-4）這兩篇文章就是這方面的一個(gè)探索。

在下面的幾篇文章中，《丘成桐：我為什么期望中國(guó)建設(shè)巨型對(duì)撞機(jī)》（2015-12-24）、《丘成桐新書(shū)對(duì)建造巨型對(duì)撞機(jī)決策前景表示樂(lè)觀》（2016-3-23）、《專訪丘成桐：巨型對(duì)撞機(jī)探索宇宙最深層奧秘的前景》（2016-5-10），丘先生系統(tǒng)地闡述了他支持建巨型對(duì)撞機(jī)的觀點(diǎn)。他說(shuō)“假如在加速器里面能夠發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱的話，整個(gè)世界的物理前沿跟數(shù)學(xué)前沿都會(huì)改變。所以我期望能夠在中國(guó)建加速器?！彼€認(rèn)為，在中國(guó)建巨型對(duì)撞機(jī)，能使世界高能物理研究的重心移到中國(guó)來(lái)。這對(duì)中國(guó)科學(xué)的發(fā)展會(huì)是一個(gè)本質(zhì)上的促進(jìn)。

《高能所專家：巨型加速器“兩步走”方案未寄望于偶然發(fā)現(xiàn)》（2016.1.6）這篇文章介紹了中國(guó)建巨型加速器的“兩步走”方案。第一步是建一個(gè)70公里的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，其對(duì)撞能量是0.25 TeV。此前最大的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是CERN（歐洲核子研究中心）的LEP，其隧道周長(zhǎng)27公里，對(duì)撞能量0.21 TeV（只差0.01TeV沒(méi)能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子）。該文強(qiáng)調(diào)建設(shè)大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)很可行的方案。第二步是在同一個(gè)隧道中建設(shè)比現(xiàn)有的LHC能量高幾倍的超級(jí)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，以進(jìn)行新物理的探索。（目前CERN的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC的對(duì)撞能量是13 TeV）

CERN的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)LHC

需要指出的是，現(xiàn)在大家在爭(zhēng)論要不要建的，是能量只有0.25 TeV的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。新的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)很適合于精細(xì)研究希格斯粒子的物理性質(zhì)，但在0.2 TeV-0.25 TeV這一已被現(xiàn)有的LHC探索過(guò)的能區(qū)，能不能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象很難說(shuō)。大家希望通過(guò)在低能區(qū)的精密測(cè)量，能看到高能區(qū)可能有的新的物理現(xiàn)象的一些影子。

鑒于正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)的能量太低，而質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的結(jié)果太“臟”，有人提出也許我們應(yīng)該建又干凈而能量又高（達(dá)10 TeV）的μ子對(duì)撞機(jī)。建加速器有新思路？《CERN前任所長(zhǎng)北京推銷μ子對(duì)撞機(jī)》（2016-1-7）和《中國(guó)應(yīng)該選擇μ子對(duì)撞機(jī)嗎？》（2016-1-13）兩篇文章從正反兩個(gè)方面探索了這一思路。應(yīng)該說(shuō)，μ子對(duì)撞機(jī)是一個(gè)好思路，但現(xiàn)在μ子源的技術(shù)還不成熟，這需要專家做一個(gè)判斷：現(xiàn)在是發(fā)展μ子源的技術(shù)更合適呢，還是建一個(gè)能量不高的正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)更合適？

下面兩篇文章介紹了國(guó)際上對(duì)中國(guó)建大型加速器的一些討論：《美國(guó)物理學(xué)家爭(zhēng)論中國(guó)巨型加速器計(jì)劃》（2016-2-4）和《歐洲核子研究中心前總干事：中國(guó)建造巨型對(duì)撞機(jī)需要國(guó)際合作》（2016-3-23）。支持方指出：成立于1954年的CERN吸引了來(lái)自全球的科學(xué)家，并在“二戰(zhàn)”后建立歐洲新秩序的過(guò)程中起了重要作用。來(lái)自美國(guó)和前蘇聯(lián)的物理學(xué)家之間的往來(lái)緩和了兩個(gè)超級(jí)大國(guó)之間的緊張局勢(shì)。在中國(guó)逐漸興起成為一個(gè)超級(jí)大國(guó)之時(shí)，中美之間在巨型對(duì)撞機(jī)上的合作也將扮演同樣的角色。反對(duì)方指出：物理學(xué)的未來(lái)在于原子物理及凝聚態(tài)物理學(xué)。在這些領(lǐng)域，只需要數(shù)十萬(wàn)而非數(shù)百億美元的預(yù)算，建立在光學(xué)平臺(tái)上的精密實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)就有可能（并已實(shí)現(xiàn)）幫助人們進(jìn)一步深入理解包括對(duì)量子力學(xué)基本原理在內(nèi)的基本物理概念，并能在諸如量子計(jì)算等領(lǐng)域取得扎實(shí)的技術(shù)突破。

這兩篇文章《LIGO是怎樣煉成的，MIT校長(zhǎng)闡述基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新理念》（2016-2-13）和《王貽芳：引力波的發(fā)現(xiàn)為什么缺少中國(guó)科學(xué)家的身影？》（2016-2-16）沒(méi)有講巨型加速器，但詳細(xì)講了同樣作為大科學(xué)項(xiàng)目，探測(cè)引力波的LIGO是如何立項(xiàng)論證的。LIGO發(fā)展大科學(xué)項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)很值得中國(guó)借鑒。另外，日本的經(jīng)驗(yàn)也值得中國(guó)借鑒：日本曾經(jīng)建過(guò)一個(gè)加速器，叫“TRISTAN”（Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon），建成于1986年。這個(gè)加速器的目標(biāo)是尋找當(dāng)時(shí)尚未發(fā)現(xiàn)的頂夸克（Top quark）。但由于TRISTAN的設(shè)計(jì)基于不夠可靠的估計(jì)，導(dǎo)致日本在TRISTAN上沒(méi)有任何重要發(fā)現(xiàn)。頂夸克最終還是在美國(guó)的費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室被發(fā)現(xiàn)的。所以我們應(yīng)該在加速器的設(shè)計(jì)階段，對(duì)其發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的可能性作出嚴(yán)肅的評(píng)估。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

雖然LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但這也許不算是“新發(fā)現(xiàn)”，因?yàn)槔碚撛缇皖A(yù)言了這個(gè)粒子。除了希格斯粒子之外，LHC沒(méi)有給我們帶來(lái)任何驚奇的東西。正如很多人說(shuō)的“目前LHC最大的驚奇是沒(méi)有驚奇”，這是目前高能粒子物理的困境（2016-9-5）。

研究高能粒子物理不一定非要用巨型加速器。有些人探索用極高精密測(cè)量來(lái)研究粒子物理最深?yuàn)W的問(wèn)題。這不是主流想法，但是一個(gè)新思路。《精密桌面小實(shí)驗(yàn)，探索宇宙大奧秘》（2016-7-28）這篇文章就介紹了這方面的一些探索。

我們看到過(guò)去一年里，《賽先生》針對(duì)巨型對(duì)撞機(jī)，從各個(gè)角度多個(gè)方面做了介紹，對(duì)一些新想法新思路也做了介紹。通過(guò)這些回顧，希望讀者能對(duì)對(duì)撞機(jī)的爭(zhēng)論有一個(gè)實(shí)在深入的了解，而不限于表面的爭(zhēng)吵和口水仗。最后我們想指出，物理學(xué)的多數(shù)新發(fā)現(xiàn)，都不是計(jì)劃出來(lái)的。