高能粒子对撞机,美国停建日本下马,中国为什么要建?

  • 现代基础科学研究大多需要巨额投资支持。

与牛顿靠苹果发现万有引力、爱因斯坦用笔和望远镜创立"相对论"不同,现在的物理学家们似乎越来越需要依赖极其复杂且高大上的科学装置才能在理上取得突破。更多的时候,即便是花了无数的金钱和时间,科学家们很可能最终一无所获,这已经成为现代物理学研究的常态。

(欧洲大型强子对撞机)

你并不能怪罪物理学家们,因为今天的物理学越来越走向极端:要么你研究极远宇宙中的恒星,要么你需要研究极小的微观粒子,这些东西都需要使用越来越昂贵的设备才能发现和测量。在今天的基础物理学研究领域里,钱或许不是万能,但没有钱却是万万不能的。

  • 日本雄心受挫。

这不,日本就遇到了缺钱的烦恼。在经过长达数十年的漫长设计和论证之后,38节前一天,日本宣布“推迟”支持一项耗资70亿美元的直线粒子加速器计划。其实谁都明白,他们放弃了。

雄心勃勃的日本人为什么会放弃?

(LHC)

2012年,欧洲的科学家通过位于瑞士日内瓦附近的大型强子对撞机第一次发现了传说中的“上帝粒子”希格斯玻色子,这一发现轰动了世界物理学界。2013年,希格斯玻色子的发现者Fran?oisEnglert和Peter Higgs 被授予诺贝尔物理学奖,因为他们“理论上发现了一种机制,有助于我们理解亚原子粒子的质量来源“。

希格斯玻色子是怎么被发现的?其实说简单也简单,科学家用欧洲核子研究中心的大型强子对撞机(LHC)将原子核中的质子加速到一个极高的速度,然后让两束射流迎头相撞,如果这两股射流中碰巧有两颗粒子互相怼上了,这强大的速度有可能将粒子撞碎,从而释放出更小的粒子。由于撞击释放的能量很大,这些小粒子会在预设撞击点旁边的胶片上留下痕迹,科学家再通过分析这些痕迹来判断这些粒子到底有可能是些啥东西。

(发现希格斯玻色子)

自从欧洲的物理学家们发现希格斯玻色子之后,日本的科学家倍受鼓舞,决定强力推进在日本建设一个大型对撞机,以对这种新的“上帝粒子”进行进一步研究。事实上这个对撞机日本人已经设计了几十年,他们计划建设一个长度达到20公里的直线粒子加速器(ILC),这个新的对撞机原本是欧洲核子研究所打算设在日内瓦LHC加速器附近的,但日本人说,70亿美元我们日本出一半,你们欧洲还有其他国家出另一半,对撞机就建在日本。欧洲人当然希望有人出钱啊,于是就答应了,天天盼着日本政府批准拨钱,反正在哪儿研究都是研究,有人出大头,欧洲各国压力小,融资也能快一些。这一等就又等了6年。

在这6年中,欧洲核子研究中心的科学家们始终没有新的进展,日本政府对对撞机的兴趣一天天地减退,然后就没有然后了。

  • 日本止步,科学还将继续前行。

其实这些年欧洲的科学家们也并没有闲着,日本的ILC本来是个很好的选择,因为它是通过将正负电子来进行加速对撞,研究其撞击之后的产物。从理论上看直线粒子加速器ILC正-负电子对撞比此前欧洲的LHC质子-质子对撞要更“干净”,更容易研究,但欧洲的科学家们希望有一个更加紧凑的版本,所以他们也同时在研究一款新的对撞机(CLIC),它可以达到比日本未来的ILC更高的能量。

(欧洲人的新对撞机“地平线2020”将设在绿圈的位置)

欧洲科学家在拿到诺贝尔奖之后再也没能发现新的“上帝粒子”,所以有人认为日本人准备要建的直线对撞机ILC也可能能量不够大,它是个落后的东西,以后建成了也是浪费。

像对撞机这种大科学装置建成之后浪费钱的说法,不只是在民间流传甚广,在科学界也始终有两种相互对立的观点。杨振宁就认为对撞机这种东西欧洲人都只搞出一次“上帝粒子”,美国人都不搞,我们本来钱就不多更不应该搞它,应该把有限的资金花到更需要的领域。而以王贻芳为代表的高能物理学家则认为这是大国重器,基础物理研究必备利器,我们应该要搞。

(杨振宁反对现在建设对撞机)

其实有些大科学装置并不只是用来找“上帝粒子”,它们在其它的应用物理研究领域也有不错的表现。比如说在东莞投资3.31亿美元建设的散裂中子源现在正在运作,虽规模有点小但有很多用处。另一台计划耗资48亿元RMB在怀柔建造的同步辐射加速器,它所产生的极高强度的X射线对几乎所有研究学科都很有用,包括材料科学、化学、生物学、环境科学、地质学和医学。

(工程师正在东莞散裂中子源工作)

现在欧洲人又在搞一项“地平线2020研究资助计划”,打算投资50亿欧元在LHC的旁边挖一条100公里长的环形隧道,建设一个能量高达365千兆电子伏特的正负电子对撞机;而在北京高能物理研究所(IHEP),以王贻芳为首的物理学家们也在设计世界上最大的粒子对撞机(CEPC),如果投资总额为43亿美元的CEPC如期在2030年建成,日本人画在稿纸上的ILC将变得一文不值。

(王贻芳)

所以日本现在宣布洗手不干,也是预料之中的事。无论日本做什么样的决定,科学家们都不会停止他们探索未知世界的脚步。