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楊振寧極力抵製的對撞機,究竟是幹什麽的?(圖)

對撞機的實質就是一台粒子加速器,作用就是用來加速粒子運動速度,用的就是電和磁場,將碰撞的粒子加速和集束,然後碰撞。

編者按:12月初,一篇名為《楊振寧的最後一戰》的文章,刷爆朋友圈,文章解讀了耗費巨資打造的對撞機所麵臨的爭議。12月底,本文作者再發文章《美國為何不建對撞機》,同樣引起了外界的關注。

作為高能物理研究領域的前沿項目,對撞機始終給人一種神秘莫測的感覺。為此,騰訊新聞聯合知乎發起係列策劃,回答有關對撞機的一切問題。

關於在中國建與不建對撞機的問題,網上已唾沫四濺,而對撞機究竟有什麽作用?其工作原理、研究對象、發展方向等等是什麽?對於大多數人來說,這是一臉的懵懂。

而關於這方麵的科普也很少,原因是科普還真有點困難,因為:說深了、說多了,大多數普通人還是不懂,若加入數學公式來說明,會讓人更難懂。說淺了,馬上會被人指責你不懂裝懂,如果你不插入幾個數學公式解說,會被人罵成民科和胡說八道。

b4289c24989c334382e960348bf26c54瑞士的歐洲對撞機

思來想去,我覺得還是很有必要做回地道的民科,解讀一下對撞機,盡量讓大多數人能懂,讓更多的人能理解。下了這決心,我就用最簡樸的語言來說說。

對撞機是用來做什麽的呢?

原來,科學家們想知道原子核的秘密,到底是由那些更小的粒子構成,又是如何組合的?為此而大動腦筋。

原子實在太小了,沒有太多觀察、測量和拆分的方法,最好的辦法就是將質子或電子,這些比原子小一點的粒子的亞原子,稱為強子,把強子放在加速器裏加速,通過碰撞,把這些粒子碰碎。

碰碎了,就容易去研究這些被碰碎的小粒子結構和屬性,再通過識別、計算、分析和設想,形成一種理論,還原粒子的結構、組合方式和組合力,建立粒子的實際模型。

對撞機的實質就是一台粒子加速器,作用就是用來加速粒子運動速度,用的就是電和磁場,將碰撞的粒子加速和集束,然後碰撞。

最開始的時候是加速一個粒子去碰撞固定的粒子,叫靶射。

後來,發現這種碰撞力度和效果不大,就把要碰撞的兩個或多個粒子同時加速,實現對碰,這就是對撞機之名的由來。

對撞機加速粒子需要很大的能量,所以,對於這一方麵的物理研究,就被稱為高能物理。

對撞機興起於上世紀的50年代,最先用於電子對撞,最早對撞機在1961年開始了運行,我國80年代的北京正負電子對撞機在那時是很先進的。

隨著技術的發展和要求的提高,開發了質子對撞機,利用質子對撞,效果更好,可以更容易的發現新粒子和分析碰碎的粒子。

但是強子對撞機因為高速、高能、強磁工作環境,
其加速係統、冷卻係統、探測係統、封閉係統和數據處理係統非常複雜,要求越來越高,造價也越來越昂貴,運行和維護的成本急劇上升。

同時,對撞機高能封閉的運行環境,非常容易出故障,維修成本和技術要求也越來越高,而且安全要求特高,需要高度嚴謹。

還有,對撞機碰撞,並不是象兩輛汽車加速碰撞,碰成一地碎零件這樣簡單,對撞機在碰撞過程中,碰碎後的小粒子都是不穩定的粒子,絕大部分轉瞬即逝,極難觀察、記錄和描述,更不用說捕捉和存留。

同時,在碰撞前後,還會產生許多新的粒子,新的粒子絕大部分也是不穩定的,會一瞬間就消失,總之,等碰完後,殘留的粒子都是自然界裏常規穩定粒子或半衰期不穩定粒子,這對研究毫無意義。

而且,每一次碰撞後的情形和記錄的結果是不相同的,每一次碰撞,碰碎的粒子和新形成的粒子也是不相同的,重複實驗並不一定是上次實驗的結果,這樣,每一次碰撞的觀察、記錄、區別和分析變得非常艱難和複雜,很難有可比性和對照性。

如此一來,對於碎解的粒子研究,更多是瞬間觀察、記錄和後期的數據處理、辨別和分析,因此,要求現場實驗的研究人員,數量要多、能力要強、素質要高、經驗要豐富。

這種高燒錢、高技術、高人才要求的對撞機實驗,對於任何一個國家的實力都是一種考驗和挑戰。美國在裏根時期批準了備受爭議的強子對撞機計劃,在投資近30億美元後,因為後期預算太大,到了克林頓時期被否決而廢棄,這就是楊振寧說的美國的痛苦經曆。

為了繼續科學研究,在美國的撮合下,由近40個國家合作投資近百億美金,也包括中國在內,在瑞士修建了世界最大的強子對撞機,作為世界公益的科研項目,選址瑞士,因為瑞士是一個永久性的中立國。

瑞士對撞機以科學成果共享、資金比例分攤、科研人員由各國人員共同參與的原則運行,我國有60多名科研人員參與,這裏集合了全世界2000多名頂尖科學家和數千名技術和工作人員。

瑞士對撞機子自2008年運行以來,發現了“希格斯玻色子”,即“上帝之子”而聞名,後期再無成果,特別是頻繁故障,多次暫停維修,斷則數月,長則數年,顯然,其運行的能力已不能滿足現在的研究要求。

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二、建造大型強子對撞機的目的

鑒於上麵分析,有科學家要求修造更大、碰撞更猛的大型強子對撞機,主要目的有兩個:

1、進一步證實“上帝之子”。

有人認為瑞士對撞機發現的“上帝之子” 不足以證明,還需要進一步尋找和研究。

2、要尋找“超對稱粒子”。

這粒子來自物理學的一種假說理論叫弦理論,這個理論通過超級複雜計算,預言猜想還存在一種粒子,叫“超對稱粒子”,
這就是楊振寧教授提到的猜想中的猜想粒子。

為什麽要找到這兩種粒子?找到有什麽作用?

高能物理通過對撞機60多年的實驗,建立了一個粒子模型,這是一個預設的標準模型,即通過一係列的假設和參數設想而成,雖然經過很多次的實驗檢測基本符合。

fc9281fa10215141d06c4b7cef787b80標準模型

但是,標準模型依然存在很多的缺陷,譬如過分依賴太多參數;質量起源和質量缺失問題;組合力不能完整統一等等。

如果找到這兩種粒子,可以完善這個所謂的標準模型,這就是目的。

當然,還有人試圖把這個標準模型放大到天上,力圖證明大爆炸理論和暗物質起源,這當然是大理想主義而已。

科學家們對物理理論追求和完美,對終極統一理論的情結,要求新建更多更好的強子對撞機,那麽新建的對撞機的跑道要更長、能量要更大、對粒子加速要更快。

這種高投入、低回報的大型世界性的公益性科學項目,請求發出後,響應者寥寥無幾,尤其是出大頭投資的歐洲和美國,一聲不響,而我國部分科學家有意接收這個項目,並遊說國內和世界支持,但楊振寧教授卻旗幟鮮明的表示反對。

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三、楊振寧反對理由總結

反對理由歸納為幾點:

1、燒錢。建造成本巨大、運行維護成本是無底洞、安全成本高昂。

2、實驗中的技術和科研人才,任何單一國家都不可能充任,必須依靠世界性的科研和技術合作。

3、這是世界性的基礎理論研究,成果是共享的,公開的,而實際應用卻是長遠無期的。

4、目前粒子理論不成熟,高能物理處於低穀期,去驗證猜想粒子是極高風險研究。

5、中國應該把錢更多的投入應用性和技術性領域,這種有知識產權性、時效快的研究領域。

還有,楊振寧說,對於粒子物理的研究,到了今天,不是完全依賴於強子對撞機的作用,有了更多的選擇。應當把多年對撞機的實驗報告,做更多的分析論證,找到新的理論突破。

為此,有很多的新理論不斷湧現,意在解釋現有的實驗成果和預言新的理論,並尋求驗證。

華客網:楊振寧極力抵製的對撞機,究竟是幹什麽的?(圖)