科學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，一場關于中國是否應當建造大型對撞機的公開辯論，引起了公眾的極大關注。

2016年9月4日，94歲的著名理論物理學家楊振寧在網絡上公開發表文章，反對中國建造大型對撞機。隨后，中國科學院高能物理研究所所長王貽芳公開發文回應楊振寧的質疑，支持中國建造大型對撞機。這場原本只在高能物理研究領域內部的討論，由于網絡和媒體報道的推動，迅速發酵為全民參與的公開辯論，眾多網友紛紛分派站隊，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科學家，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，物質世界的“神秘磚塊”紛紛現形

自從人類的遠古祖先第一次仰望星空開始，人類對這個物質世界就充滿了好奇——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世界奧秘的先驅者。中國古代哲學家用五行理論來說明世界萬物的形成及其相互關系，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。五行學說是我國古代的物質組成學說，與西方的水、火、土、氣四元素學說類似，但隨著近代科學的發展，這兩種學說的物質構成理論都被事實否定了。

19世紀初，法國化學家普魯斯特發現了一個有趣的現象：參與化學反應的物質質量都成一定的整數比，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。在前人研究的基礎上，英國科學家道爾頓通過實驗進一步發現，在化合物里的元素之間，它們的量總是成倍數地變化。在實驗現象的基礎上，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，原子是穩定的、不可分割的。這是人類第一次依據科學實驗的證據，系統地闡述了微觀物質世界，是人類認識物質世界的一次飛躍性的成就。

到了19世紀末和20世紀初，英國人湯姆森在研究陰極射線時發現了電子，這表明原子是可以分割的，原子有內部結構，里面還有電子。電子的發現最先敲開了通向基本粒子物理學的大門，預示著物理學的新時代即將到來。不久，新西蘭物理學家盧瑟福在α粒子散射實驗中發現了大角度散射現象，由此提出的原子核式結構模型認為，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量；電子帶負電，圍繞著中心的原子核運動。伴隨著原子核式結構的發現，丹麥物理學家波爾革命性地提出了與經典物理學完全不同的“量子軌道假設”，成為量子力學的先驅者之一。物理學家進一步發現了原子核內部還有質子和中子，隨后，一系列的新粒子在宇宙射線和加速器中被發現，20世紀60年代的“夸克模型”指出，質子、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上進一步發展出了一個被物理學家們廣泛接受的“粒子物理標準模型”。

簡單地說，科學家們在實驗中陸續發現了原子——電子和原子核——質子、中子和夸克，然后依次提出了原子論——原子核式結構——標準模型。截至目前，根據標準模型的解釋，電子、夸克和傳播子（例如光子）是我們物質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生作用，組成其他更復雜的質子、中子和原子等粒子，最后形成我們這個豐富多彩的物質世界。基本粒子就像磚塊，許許多多的磚塊一起構建出高樓大廈。從高聳的大廈到微小的磚塊，當人類的研究對象深入到微觀的夸克層次時，就進入了粒子物理的領域。粒子物理學是一門研究物質最基本的結構及其相互作用規律的前沿基礎科學，它研究的是基本粒子的性質，探索宇宙的起源與演化的規律。

當顯微鏡不足以認識這個世界時，對撞機就登場了

物理學是一門實驗科學，以實驗為基礎探索物質世界的奧秘，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；在觀察細胞或者細菌時，我們需要使用光學顯微鏡；在研究分子和原子結構時，我們需要掃描隧道電子顯微鏡；當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，根據愛因斯坦的質能方程，能量和質量可以相互轉化，相互對撞的粒子的質量可以變成能量，又由能量變為質量，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），對撞之后可以產生各種各樣的新粒子，粒子物理學家通過研究這些對撞產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雜的機器，這個最大的對撞機被用于尋找標準模型預言的“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幾百所大學的科學家通力合作，尋找的過程艱難曲折：LHC對撞機把質子加速到極高的速度（其速度接近光速），然后讓兩束質子迎頭相撞，質子撞碎湮滅為一團能量，從這團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，歐洲科學家宣布在LHC上發現了希格斯粒子，這是人類在探索物質世界的征程中取得的重大勝利。“上帝粒子”的發現是人類科學史上最重要的事件之一，比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒和英國理論物理學家彼得·希格斯因成功預言希格斯粒子而獲得2013年諾貝爾物理學獎。

這不僅是科學家之間的爭論，也是一次極好的科普

最近，一群中國物理學家提議在中國建造一個大型環形正負電子對撞機，用來進一步研究希格斯粒子的性質，將來如果有可能，還可以升級為質子對撞機，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，這種大科學工程還能帶動高新技術的發展，吸引和培養國內外的大量人才。也有一些人反對建造大型對撞機，反對的人們認為建造的經費成本太高，中國仍是發展中國家，并不富裕，不應該把錢投向短期內看不到收益的純基礎研究。這場爭論很有意義，楊振寧和王貽芳并不介意公開討論學術上的分歧，在論戰中，公眾不僅得以一窺科學前沿的最新進展，還能借助網絡直接參與討論，間接地促使重大科學工程的決策更具有透明度。

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