文小剛

近幾年來，由于普林斯頓高等研究院的理論物理學(xué)家尼瑪·阿卡尼-哈米德、哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)家丘成桐和高能物理研究所所長王貽芳等國內(nèi)外一些高能物理工作者的大力推動，中國開始考慮建造世界上最大的對撞機。這是一個重要的大科學(xué)項目。中國應(yīng)不應(yīng)該上？近兩三年，這一直是中國物理工作者討論思考的話題。我們以為，這個問題應(yīng)該由一個跨領(lǐng)域的科學(xué)家委員會來認真討論、研究論證。像《賽先生》這樣的科普媒體，所能做的也就是科普這方面的背景知識，使大眾能夠理解科學(xué)家委員會的建議。

從去年12月開始，《賽先生》發(fā)表轉(zhuǎn)載了一系列文章，比較系統(tǒng)地介紹了和高能加速器相關(guān)的一些背景知識，展示了各種不同的觀點和這些觀點之間爭論，這正是《賽先生》所想要促成的一個理性討論的平臺。

在這里，我們把《賽先生》和高能加速器相關(guān)的文章匯總了一下，希望讀者對有關(guān)巨型對撞機的爭論能有一個比較全面理性的了解。

我們?yōu)槭裁匆ㄔ煲粋€大到70公里的巨型對撞機來研究微觀粒子？這是因為要研究新的微觀粒子，如希格斯粒子，我們需要產(chǎn)生極高能的粒子束，通過其對撞來產(chǎn)生這些新粒子。根據(jù)傳統(tǒng)的加速器設(shè)計理念，為了產(chǎn)生能量越來越高的粒子束，我們必須把加速器做得越來越大。但也有一些人考慮非傳統(tǒng)的加速器設(shè)計理念，希望這些新思路能有所突破，做出新類型的高能加速器，花小錢辦大事兒?！赌X洞大開的科技創(chuàng)新：桌面上的粒子加速器》（2015-12-1）、《激光等離子體加速器刷新紀(jì)錄》（2016-2-4）這兩篇文章就是這方面的一個探索。

在下面的幾篇文章中，《丘成桐：我為什么期望中國建設(shè)巨型對撞機》（2015-12-24）、《丘成桐新書對建造巨型對撞機決策前景表示樂觀》（2016-3-23）、《專訪丘成桐：巨型對撞機探索宇宙最深層奧秘的前景》（2016-5-10），丘先生系統(tǒng)地闡述了他支持建巨型對撞機的觀點。他說“假如在加速器里面能夠發(fā)現(xiàn)超對稱的話，整個世界的物理前沿跟數(shù)學(xué)前沿都會改變。所以我期望能夠在中國建加速器?！彼€認為，在中國建巨型對撞機，能使世界高能物理研究的重心移到中國來。這對中國科學(xué)的發(fā)展會是一個本質(zhì)上的促進。

《高能所專家：巨型加速器“兩步走”方案未寄望于偶然發(fā)現(xiàn)》（2016.1.6）這篇文章介紹了中國建巨型加速器的“兩步走”方案。第一步是建一個70公里的正負電子對撞機，其對撞能量是0.25 TeV。此前最大的正負電子對撞機是CERN（歐洲核子研究中心）的LEP，其隧道周長27公里，對撞能量0.21 TeV（只差0.01TeV沒能發(fā)現(xiàn)希格斯粒子）。該文強調(diào)建設(shè)大型正負電子對撞機是一個很可行的方案。第二步是在同一個隧道中建設(shè)比現(xiàn)有的LHC能量高幾倍的超級質(zhì)子對撞機，以進行新物理的探索。（目前CERN的質(zhì)子對撞機LHC的對撞能量是13 TeV）

CERN的質(zhì)子對撞機LHC

需要指出的是，現(xiàn)在大家在爭論要不要建的，是能量只有0.25 TeV的正負電子對撞機。新的正負電子對撞機很適合于精細研究希格斯粒子的物理性質(zhì)，但在0.2 TeV-0.25 TeV這一已被現(xiàn)有的LHC探索過的能區(qū)，能不能發(fā)現(xiàn)新的物理現(xiàn)象很難說。大家希望通過在低能區(qū)的精密測量，能看到高能區(qū)可能有的新的物理現(xiàn)象的一些影子。

鑒于正負電子對撞機的能量太低，而質(zhì)子對撞機的結(jié)果太“臟”，有人提出也許我們應(yīng)該建又干凈而能量又高（達10 TeV）的μ子對撞機。建加速器有新思路？《CERN前任所長北京推銷μ子對撞機》（2016-1-7）和《中國應(yīng)該選擇μ子對撞機嗎？》（2016-1-13）兩篇文章從正反兩個方面探索了這一思路。應(yīng)該說，μ子對撞機是一個好思路，但現(xiàn)在μ子源的技術(shù)還不成熟，這需要專家做一個判斷：現(xiàn)在是發(fā)展μ子源的技術(shù)更合適呢，還是建一個能量不高的正負電子對撞機更合適？

下面兩篇文章介紹了國際上對中國建大型加速器的一些討論：《美國物理學(xué)家爭論中國巨型加速器計劃》（2016-2-4）和《歐洲核子研究中心前總干事：中國建造巨型對撞機需要國際合作》（2016-3-23）。支持方指出：成立于1954年的CERN吸引了來自全球的科學(xué)家，并在“二戰(zhàn)”后建立歐洲新秩序的過程中起了重要作用。來自美國和前蘇聯(lián)的物理學(xué)家之間的往來緩和了兩個超級大國之間的緊張局勢。在中國逐漸興起成為一個超級大國之時，中美之間在巨型對撞機上的合作也將扮演同樣的角色。反對方指出：物理學(xué)的未來在于原子物理及凝聚態(tài)物理學(xué)。在這些領(lǐng)域，只需要數(shù)十萬而非數(shù)百億美元的預(yù)算，建立在光學(xué)平臺上的精密實驗研究系統(tǒng)就有可能（并已實現(xiàn)）幫助人們進一步深入理解包括對量子力學(xué)基本原理在內(nèi)的基本物理概念，并能在諸如量子計算等領(lǐng)域取得扎實的技術(shù)突破。

這兩篇文章《LIGO是怎樣煉成的，MIT校長闡述基礎(chǔ)科學(xué)創(chuàng)新理念》（2016-2-13）和《王貽芳：引力波的發(fā)現(xiàn)為什么缺少中國科學(xué)家的身影？》（2016-2-16）沒有講巨型加速器，但詳細講了同樣作為大科學(xué)項目，探測引力波的LIGO是如何立項論證的。LIGO發(fā)展大科學(xué)項目的經(jīng)驗很值得中國借鑒。另外，日本的經(jīng)驗也值得中國借鑒：日本曾經(jīng)建過一個加速器，叫“TRISTAN”（Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon），建成于1986年。這個加速器的目標(biāo)是尋找當(dāng)時尚未發(fā)現(xiàn)的頂夸克（Top quark）。但由于TRISTAN的設(shè)計基于不夠可靠的估計，導(dǎo)致日本在TRISTAN上沒有任何重要發(fā)現(xiàn)。頂夸克最終還是在美國的費米實驗室被發(fā)現(xiàn)的。所以我們應(yīng)該在加速器的設(shè)計階段，對其發(fā)現(xiàn)新物理現(xiàn)象的可能性作出嚴(yán)肅的評估。

粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型

雖然LHC發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，但這也許不算是“新發(fā)現(xiàn)”，因為理論早就預(yù)言了這個粒子。除了希格斯粒子之外，LHC沒有給我們帶來任何驚奇的東西。正如很多人說的“目前LHC最大的驚奇是沒有驚奇”，這是目前高能粒子物理的困境（2016-9-5）。

研究高能粒子物理不一定非要用巨型加速器。有些人探索用極高精密測量來研究粒子物理最深奧的問題。這不是主流想法，但是一個新思路?！毒茏烂嫘嶒灒剿饔钪娲髪W秘》（2016-7-28）這篇文章就介紹了這方面的一些探索。

我們看到過去一年里，《賽先生》針對巨型對撞機，從各個角度多個方面做了介紹，對一些新想法新思路也做了介紹。通過這些回顧，希望讀者能對對撞機的爭論有一個實在深入的了解，而不限于表面的爭吵和口水仗。最后我們想指出，物理學(xué)的多數(shù)新發(fā)現(xiàn)，都不是計劃出來的。