梅亞尼

自2012年歐洲核子研究中心（CERN）發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子以來，一批中國科學家就開始努力說服中國政府與公眾在中國建造下一代高能對撞機。這批科學家由中國科學院高能物理研究所所長王貽芳領(lǐng)導，并得到菲爾茲獎得主丘成桐的支持。

丘成桐與納迪斯（Steve Nadis）詳盡闡述了：這些科學家怎樣下定決心，他們現(xiàn)有的基礎(chǔ)如何，以及他們?nèi)〉谜С植⒃谌f里長城東端與太平洋海岸毗鄰區(qū)域?qū)崿F(xiàn)這一夢想的機會如何。

希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)是粒子物理學的轉(zhuǎn)折點。它一方面完成了對標準理論的粒子譜的發(fā)現(xiàn)，使之成為迄今為止描述自然現(xiàn)象最為成功的理論；另一方面，它留下了一些有待回答的問題，比如中微子質(zhì)量的起源、在引力作用下聚集在星系周圍的不發(fā)光物質(zhì)（即“暗物質(zhì)”），還有希格斯玻色子質(zhì)量與量子引力尺度（即所謂普朗克質(zhì)量）之間17個數(shù)量級的懸殊差異。本書詳細闡述了我們緣何確信標準理論只是一個更為完整結(jié)構(gòu)的近似。這一結(jié)構(gòu)將在更高的能量尺度以新粒子與新相互作用的形式展現(xiàn)出來，正如標準模型是法拉第與麥克斯韋的電動力學在更高能量尺度的完備實現(xiàn)。因此，我們需要將CERN的機器推向其高能極限，同時開始規(guī)劃新機器和探索新的能量區(qū)域。

迄今所有討論過的方案都基于一種“原子粉碎機”的現(xiàn)代版，即由奧地利物理學家圖舍克（BrunoTouschek）于1960年代在意大利首先研發(fā)的“對撞機”。兩束粒子在一根高度真空的管道中被加速到很高能量然后對頭碰撞。這些粒子束可以是正負電子，如同圖舍克最初的設(shè)計；也可以是正反質(zhì)子，這種方案由CERN最先設(shè)計出來，并被應(yīng)用于費米國家加速器實驗室的Tevatron；還可以完全是質(zhì)子，就像CERN的大型強子對撞機那樣。根據(jù)愛因斯坦的公式M=E/c²，我們給予粒子束的所有能量在對撞過程中都可用來產(chǎn)生新粒子，從而使對撞機比老式的原子粉碎機強大得多。因為后者僅僅將高能粒子束射向固定靶，故而所產(chǎn)生粒子的質(zhì)量僅僅正比于束流能量的平方根。

《從萬里長城到巨型對撞機》一書展望了建造一條大型環(huán)形隧道的設(shè)想。這條隧道將安裝一臺正負電子對撞機，爾后再置入一臺質(zhì)子對撞機。至于其他項目，在日本建造一臺正負電子直線對撞機（國際直線對撞機，ILC）的計劃已經(jīng)拿上臺面。大約在高能所提出方案的同一時期，CERN也開始研究未來環(huán)形對撞機（FCC）的可能性，其隧道將在日內(nèi)瓦湖下面穿過，并延伸到日內(nèi)瓦與阿爾卑斯山之間的區(qū)域。

巨型對撞機的計劃并非無中生有。過去50年里，在杰出華人物理學家、諾貝爾獎得主李政道、楊振寧和丁肇中的激勵下，中國物理學取得巨大進步。本書對此做了引人入勝的記述。如今，中國粒子物理的中心位于北京的高能物理研究所。它最初由張文裕創(chuàng)建于1973年，目前由王貽芳領(lǐng)導，而且實現(xiàn)了與國際接軌。一支茁壯成長的團隊已經(jīng)形成。過去十年中，在中國開展的粒子物理實驗在中微子振蕩和強作用介子物理方面做出了世界一流的結(jié)果。高能所也參與了大科學裝置的建造。其中，高能所前所長陳和生領(lǐng)導了北京正負電子對撞機的升級、散裂中子源以及隨后的基于加速器的核裂變等雄心勃勃的項目。

本書有力論證了，中國物理學家與工程師已做好建造大型科學裝置的準備，并與歐洲和美國一同參與高能競賽。高能所創(chuàng)始人張文裕在1970年代就提議建造一臺可與SLAC和CERN的機器相競爭的50吉電子伏質(zhì)子加速器，而這條道路如今對于中國愈加光明。

高能物理的大事業(yè)需要國際合作（不過天文學、宇宙學以及如今的生物科學都莫不如此），本書很好地闡明了其中的理由。我想在此以我個人的觀點作小結(jié)，它們來自我關(guān)于CERN大型強子對撞機（LHC）以及相關(guān)探測器的工作經(jīng)驗。

我們需要國際合作，至少有兩個原因：其一是財政資源，其二是人力資源，或者更一般地說，實踐經(jīng)驗。當然，這兩者關(guān)系密切。對于對撞機的非東道主國家，他們的財政貢獻決定了該國有多少科學家與工程師參與該項目，也決定了在多大程度上可以將其認為是屬于他們、讓他們投入精力和職業(yè)生涯從事研究的項目。

由于此類項目的規(guī)模巨大，即使像中國這樣的大國也很難獨立資助，因此整合國外資源實際上是必須的。此外，資源共享也有助于降低建造這樣一臺高級復雜設(shè)備的風險，同時也保證了，在建設(shè)過程遇到困難時可以得到國際支持（在此進程中肯定會遇到困難）。國際資源也將幫助解決另一個問題，即其他科學領(lǐng)域會感到政府將注意力完全集中于一個項目而產(chǎn)生反對意見。如丘成桐和納迪斯所言，“水漲船高”，政府對科學的關(guān)注從長遠來看對所有領(lǐng)域都有好處。不過，科學界內(nèi)部的反對意見對這一事業(yè)可能會是致命的，如同美國取消超導超級對撞機（SSC）那樣。

僅從建設(shè)、操作該設(shè)備與探測器所需的勞動力來看，人力資源的共享不可或缺。因為所需人力顯然超過了即使是中國這樣一個大國的召集能力，不僅從人數(shù)上，更重要地，從該事業(yè)所需的人才、技能和創(chuàng)新能力來看，都是如此。

而該事業(yè)所需的實踐經(jīng)驗和尖端技術(shù)則是人力資源共享的另一個方面。這一項目在其所有方面都需要配備最好的技術(shù)，單獨一個國家無法完全勝任。特別是在巨型對撞機的質(zhì)子對撞階段，高場強超導磁鐵、質(zhì)子束流動力學和控制等技術(shù)目前都集中在世界上兩大實驗室，即歐洲的CERN和美國的費米國家加速器實驗室。如果沒有與這兩個已有實驗室的緊密聯(lián)系，在一個全新的實驗室里重復這些技術(shù)將是相當困難的。

丘成桐與納迪斯描繪出了未來數(shù)十年內(nèi)將會出現(xiàn)的情景。中國一旦能夠進入高能量前沿的國際競賽，必將帶給世界絕對的、最受歡迎的新鮮事物。