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大型對撞機是高能物理科學家最有力的實驗工具。

一篇《楊振寧的最后一戰》，又讓大型對撞機之爭呈現在公眾輿論場。

早在 2016 年 8 月，華裔數學家丘成桐接受新華社采訪時說，希望在中國秦皇島市山海關建設大型粒子對撞機。這篇報道不僅引發了廣泛的社會關注，還掀起了一場物理界的爭辯。

9 月，理論物理學家楊振寧發布文章，反對中國建設大型對撞機。中國科學院高能物理研究所所長、實驗高能物理學家王貽芳也撰文，列舉中國今天應該建造大型對撞機的理由。

《楊振寧的最后一戰》一文，不過是當時論戰的回音。且不論該建不該建，大多數普通人都可以借著這次討論補習一下高能物理基礎知識。

高能物理研究的是什么？

高能物理又稱之為粒子物理，是 20 世紀后半世紀最紅的物理學分支，主要研究比原子核更小的微觀物質，以及微觀物質在高能量下的變化。

在粒子物理中，有個“基本粒子”概念，指的是組成物質的最基本單位。隨著物理學不斷發展，基本粒子的內涵也在變化。

曾經，原子被認為是基本粒子。20 世紀初，科學家發現原子是由電子和原子核組成的。后來，又發現原子核由質子和中子構成，而質子和中子由更基本的夸克組成。

根據粒子物理中的“標準模型”，基本粒子共 61 種，包括 36 種夸克、12 種輕子、12 種媒介子以及 1 個希格斯粒子。已知的所有粒子，都由這些基本粒子組成。粒子物理科學家做的事概括起來，就是不斷研究粒子的內部結構和性質，發現新的、更小的粒子。

為什么研究微觀的基本粒子，要用大型對撞機？

推動科學家不斷發現更基本粒子的“幕后英雄”，是越來越先進的觀測物質結構的實驗裝置。

目前，粒子加速器是粒子物理科學家最有力的實驗工具。粒子加速器的原理是，帶電粒子在電場中會受力而加速、提高能量。

▲加速器結構示意圖

其實，粒子加速器離普通人的生活并不遙遠。電視和計算機顯示器的顯像管，從原理上來說，就是一臺小小的電子加速器。

大型對撞機可被視作一種特別的粒子加速器。在大型對撞機里，科學家們將粒子加速到很高的速度（最快可以接近光速）、提高到很高的能量，然后轟擊到固定的靶粒子上，通過分析碰撞后的產物，推測粒子是由什么構成的。

大型對撞機產生粒子的能量越高，就越能觀測到更小的物質組成。因此，“能量”是衡量大型對撞機的一個主要指標。

“上帝粒子”為什么這么重要？

歐洲核子中心（簡稱 CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱 LHC），是當前世界最先進的粒子加速器。2012 年，科學家們通過 LHC 上的對撞實驗，發現了希格斯玻色子。

根據希格斯機制，希格斯場是一種不可見的、遍及整個宇宙的能量場。其他基本粒子在和希格斯場相互作用中獲得了質量。希格斯玻色子也通過自相互作用獲得質量。

標準模型和宇宙大爆炸理論認為，宇宙起源于一次大爆炸，輕子和夸克通過與希格斯場的相互作用獲得了質量，產生了引力。這些粒子構成物質，并通過長時間的演化，形成了星系，進化出了生命，最終形成今天的物質世界。因此，希格斯玻色子又被稱之為“上帝粒子”。

在宇宙大爆炸之初，“質量之源”希格斯玻色子已經完成了它的使命。全球科學家們花了近 50 年時間，才通過 LHC 的對撞實驗，模擬宇宙起源時刻，“復活”出了希格斯玻色子。

在此之前，其他基本粒子都已經被證實存在。希格斯玻色子被發現，意味著找到了標準模型中最后一塊拼圖。

中國建大型對撞機的背景是什么？

標準模型完整了，但希格斯玻色子還有大量性質沒有被測量。標準模型也不是完美的，中微子質量、暗物質、暗能量、宇宙的物質與反物質不對稱等問題都無法通過它得到解釋。

粒子物理有了新的研究方向：挖掘出標準模型背后的物理規律（又被稱為新物理），探索超越標準模型的新粒子和新相互作用。對希格斯玻色子深入研究，可能是最好的突破口。

與此同時，歐洲核子中心 LHC 的能力也達了極限。想進一步探索希格斯玻色子，要建造一個能量更高的粒子加速器。

歐洲核子中心正在進行 LHC 亮度升級計劃，將亮度提升 5 到 10 倍，以采集更多實驗數據。同時，歐洲核子中心還在規劃未來環形對撞機（FCCee）。

日本政府正積極推動國際直線對撞機（ILC）項目。美國一方面在將費米實驗室的加速器轉去全力研究中微子，一方面在研究繆子對撞機的原理，打算將來用它研究希格斯玻色子。

2012 年 9 月，中國科學院高能物理研究所提出建造環形正負電子對撞機（Circular Electron Positron Collider，簡稱 CEPC），并且在實驗有一定成果后，改造為高能質子對撞機（Super proton-proton Collider，簡稱 SppC）。

該方案一期建設周長 50–70 公里、能量 250 GeV（十億電子伏特）的 CEPC，作為希格斯粒子工廠。二期在同一隧道中建造 50–70 TeV（萬億電子伏特）的 SppC，能量比歐洲核子中心正在運行的 LHC 高 7 倍。

▲中科院高能物理所 2014 年做的時間計劃表

楊振寧反對 CEPC 的核心問題是建造費用，王貽芳給出了估價和測算方法。

第一步環形正負電子對撞機（CEPC）建設階段，約在 2022–2030 年間，工程造價（不包括土地、“七通一平” 等）約 400 億人民幣。第二步質子對撞機（SppC）階段，工程造價在 1000 億人民幣以內，時間是在 2040–2050 年左右。

如果減去國際貢獻約 30%，中國政府應該出資大約 300 億人民幣（每年 30 億）和 700 億人民幣（每年 70 億）。

400 億和 1000 億人民幣是什么概念？我們可以對比其他科學工程感受一下。

據《中國發展觀察》一篇文章，大亞灣中微子實驗耗資 2.5 億元，就測量出了第三種中微子振蕩的混合角。河北興隆的郭守敬望遠鏡（LAMOST），投資 2.35 億元。位于貴州平塘的 500 米口徑球面射電望遠鏡（FAST），耗資 6.67 億元。江門中微子實驗正在建設，預計投資 20 億元。

再看看中國其他領域的大型工程，珠港澳大橋耗資 1100 億人民幣，武廣高鐵花費 1166 億人民幣。

超對稱粒子又是什么？

楊振寧在反對建 CEPC 的文章中，提到有些高能物理學家希望用超大對撞機發現“超對稱粒子”。

值得注意的是，超對稱粒子是第二期 SppC 才有機會做到的事，第一期 CEPC 的目的只是為了測量希格斯玻色子。

超對稱粒子背后是超對稱理論。這個理論認為，自然界中存在著一種對稱性，能夠把玻色子和費米子聯系起來。在對稱變換中，費米子會轉變為玻色子，反之亦然。這種對稱性被命名為超對稱。但時至今日，超對稱粒子都還沒有在實驗中被發現。

超對稱理論由弦理論發展而來。1968 年，科學家們提出來弦理論，以更好地解釋宇宙的本源。弦理論認為，基本粒子不是以點狀存在的，而一條一維的足夠細小的線段，就像琴弦一樣。為了實現理論的自洽，早期弦理論擴展到了高達 26 維的空間上，讓弦理論成為一種玄學。

后來發展出了超弦理論。據瞭望智庫，這個理論認為宇宙真正的時空，其實是一個十維的空間，其中四維是愛因斯坦的時空流形（也就是我們的日常生活空間），另外一個和它‘垂直’的還有一個很小很小的六維流形。在這個十維空間中，有一種最小單位的弦縱橫其中。

打個比喻，十維空間是宇宙這座大琴的音箱，撥動這些弦造成不同的音高與音色，于是產生不同的基本粒子，進而發展出所有的物質與作用力。

再后來，又發展出 M 理論（有人稱為膜理論、Monther 理論），認為宇宙是從十一維開始演進的。遺憾的是，超弦理論雖然自洽，依然它依然只是一個數學框架，尚不能被實驗所證實。

主要參考資料：

中科院高能物理所：什么是粒子加速器？

想參與大型對撞機之爭？先搞清基本背景

十問“希格斯粒子”與“環形正負電子對撞機”

簡潔就是一種美，超弦理論的發展史話

這應該是關于物理學最強的科普

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原標題：《反對建大型對撞機？先了解高能物理好吧》