建?不建?巨型对撞机争辩

作者: 文小刚

来源: 赛先生

发布日期: 2016-09-16

本文讨论了中国是否应该建造巨型对撞机的争论,介绍了相关的背景知识和不同观点,强调了在加速器设计阶段对其发现新物理现象的可能性进行严肃评估的重要性。

我们应该在加速器的设计阶段,对其发现新物理现象的可能性作出严肃的评估。物理学的多数新发现,都不是计划出来的。

近几年来,由于普林斯顿高等研究院的理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德、哈佛大学数学家丘成桐和高能物理研究所所长王贻芳等国内外一些高能物理工作者的大力推动,中国开始考虑建造世界上最大的对撞机。这是一个重要的大科学项目。中国应不应该上?近两三年,这一直是中国物理工作者讨论思考的话题。

我们以为,这个问题应该由一个跨领域的科学家委员会来认真讨论、研究论证。像《赛先生》这样的科普媒体,所能做的也就是科普这方面的背景知识,使大众能够理解科学家委员会的建议。

从去年12月开始,《赛先生》发表转载了一系列文章,比较系统地介绍了和高能加速器相关的一些背景知识,展示了各种不同的观点和这些观点之间争论,这正是《赛先生》所想要促成的一个理性讨论的平台。在这里,我们把《赛先生》和高能加速器相关的文章汇总了一下,希望读者对有关巨型对撞机的争论能有一个比较全面理性的了解。

我们为什么要建造一个大到七十公里的巨型对撞机来研究微观粒子?这是因为要研究新的微观粒子,如希格斯粒子,我们需要产生极高能的粒子束,通过其对撞来产生这些新粒子。根据传统的加速器设计理念,为了产生能量越来越高的粒子束,我们必须把加速器做得越来越大。但也有一些人考虑非传统的加速器设计理念,希望这些新思路能有所突破,做出新类型的高能加速器,花小钱办大事儿。

在下面的几篇文章中,丘成桐先生系统地阐述了他支持建巨型对撞机的观点。他说“假如在加速器里面能够发现超对称的话,整个世界的物理前沿跟数学前沿都会改变。所以我期望能够在中国建加速器。”他还认为,在中国建巨型对撞机,能使世界高能物理研究的重心移到中国来。这对中国科学的发展会是一个本质上的促进。

鉴于正负电子对撞机的能量太低,而质子对撞机的结果太“脏”,有人提出也许我们应该建又干净而能量又高(达10 TeV)的μ子对撞机。μ子对撞机是一个好思路,但现在μ子源的技术还不成熟,这需要专家做一个判断:现在是发展μ子源的技术更合适呢,还是建一个能量不高的正负电子对撞机更合适?

支持方指出:成立于1954年的CERN吸引了来自全球的科学家,并在“二战”后建立欧洲新秩序的过程中起了重要作用。

来自美国和前苏联的物理学家之间的往来缓和了两个超级大国之间的紧张局势。在中国逐渐兴起成为一个超级大国之时,中美之间在巨型对撞机上的合作也将扮演同样的角色。反对方指出:物理学的未来在于原子物理及凝聚态物理学。

在这些领域,只需要数十万而非数百亿美元的预算,建立在光学平台上的精密实验研究系统就有可能(并已实现)帮助人们进一步深入理解包括对量子力学基本原理在内的基本物理概念,并能在诸如量子计算等领域取得扎实的技术突破。

我们应该在加速器的设计阶段,对其发现新物理现象的可能性作出严肃的评估。粒子物理标准模型虽然LHC发现了希格斯粒子,但这也许不算是“新发现”,因为理论早就预言了这个粒子。除了希格斯粒子之外,LHC没有给我们带来任何惊奇的东西。正如很多人说的“目前LHC最大的惊奇是没有惊奇”,这是目前高能粒子物理的困境。

研究高能粒子物理不一定非要用巨型加速器。有些人探索用极高精密测量来研究粒子物理最深奥的问题。这不是主流想法,但是一个新思路。我们看到过去一年里,《赛先生》针对巨型对撞机,从各个角度多个方面做了介绍,对一些新想法新思路也做了介绍。通过这些回顾,希望读者能对对撞机的争论有一个实在深入的了解,而不限于表面的争吵和口水仗。最后我们想指出,物理学的多数新发现,都不是计划出来的。

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