专题:  对撞机
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为什么科学家期待在中国建巨型对撞机?

来源:中国科学报 作者:中国科学报 2016年09月08日 16:47

  ●这台机器周长可达100 千米,足以将物理学带入一片前所未及的高能领域,在这里将有可能发现大量新粒子及新的重要对称性。

  ●巨型对撞机建成后,会吸引1万名左右的顶尖科学家来中国工作,这些科学家就好像游牧民族一样,需要寻找到有草的地方才能放牧牛羊,发展他们的事业。而巨型对撞机全世界只有一台。

  3月13日,丘成桐在清华大学作了一次题为“物理、数学与对撞机”的大型演讲,在这次讲演中,他再次提到他将在中国推动巨型对撞机的建设。十余天后,他的新书《从万里长城到巨型对撞机》中文版在国内上市发行。

  一览物理界新近大事件

  通读《从万里长城到巨型对撞机》是一次愉快的经历,表面上看这本书是要在中国“推销”巨型对撞机,实际上这本书讲述巨型对撞机的部分并不多,除了有4个推荐序文以及最后一章是谈论巨型对撞机的,其余部分都在谈论最新近的物理学发展,因此这是一本很时髦的物理类科普书。

  这本书基本涵盖了最近几年物理界大新闻,包括中科院高能物理研究所所长王贻芳得科学突破奖的工作(关于中微子振荡的参数测量)和希格斯得诺奖的理论工作,以及欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC发现希格斯粒子的事件。这些都成为本书的背景知识,可以说,这些也是我们现在所处的时代的科学背景底色。

  书中提到了中国正在贵州做的500米口径射电望远镜FAST以及四川锦屏的pandax地下暗物质实验项目。书中还提到正计划在西藏阿里地区实施的原初引力波探测项目“阿里计划”。因此,这是一本很及时百科全书式的物理类新闻导读。读了它,至少可以知道中国物理界正在发生什么大的变革。

  中国高能物理需要一个突破

  该书作者之一丘成桐是哈佛大学数学系和物理系的教授。三年前,哈佛大学物理系请他做教授,主要因为数学和现代物理都与他有很密切的关系。很多高能物理学家认为巨型对撞机是整个理论问题的最重要支柱,对在中国建一个巨型对撞机有很大兴趣与希冀。

  丘成桐的“卡拉比—丘”空间被用到极高能物理的超弦理论之中,因此,他也热望有一台极高能量的对撞机可以验证超弦理论中关于超对称的部分。

  丘成桐和诺贝尔物理学奖得主戴维·格罗斯(David Gross)在北京开会的时候,后者建议他把书的名字取为“From the Great wall to the Great Collider”,因为伟大的实验要跟万里长城一样,万里长城是经过两千年慢慢构造完成的伟大建筑,巨型对撞机也要花很多时间。他们希望大概花20年能够建成它,地点则选择在中国的秦皇岛山海关附近。

  在书中,丘成桐指出,中国建造巨型对撞机有其历史的原因。

  中国物理学发展五六十年来做了很多工作。1957年,物理学家李政道和杨振宁提出宇称不守恒思想,很快被实验验证,他们得到了诺贝尔物理学奖。1976年,物理学家丁肇中找到新的基本粒子,从而部分证实了当时最前沿的夸克模型的正确性,也得到了诺贝尔物理学奖。在这些人成功经验的激励下,上世纪80年代,国家领导人支持在北京郊区建造正负电子对撞机,中国物理学家在“陶—粲”物理上一直保持着国际领先的纪录。然而,差不多30年过去了,北京正负电子对撞机已经穷尽了该能区的物理学,未来的出路在哪里,也是中国在高能物理领域必须面对的现实问题。

  虽然有大亚湾中微子实验中取得历史性的新的突破,但是,欧洲核子中心的大型强子对撞机LHC发现希格斯粒子的事件无疑更为轰动。对希格斯粒子的研究目前已经处于一个瓶颈之中,为了寻找更多的希格斯粒子,需要一个希格斯工厂,而这是目前欧洲核子中心的大型强子对撞机做不到的事情。

  在书中,丘成桐指出,对粒子物理标准模型中最后要素长达48 年的搜寻,终以2012 年希格斯玻色子的发现而告登峰造极。当人们还在欢庆这一巨大胜利时,中国科学家已经开始了新的征程,他们将继续人类对自然界基本组元长达几个世纪的探索。具体而言,他们开始为建造一台巨型加速器作基本准备。这台机器周长可达100 千米,足以将物理学带入一片前所未及的高能领域,在这里将有可能发现大量新粒子及新的物理学对称性。

  在书中谈到建造这样一台巨型对撞机势在必行:即使标准模型能以惊人的精度描写基本粒子的行为,也仍然不完整,因为该理论无法解释宇宙大爆炸、万有引力、暗物质、暗能量等影响深远的现象。

  巨型对撞机的效应

  关于此书,笔者曾经在清华大学丘成桐数学科学中心与丘成桐先生有过一次面对面交流。丘成桐认为,巨型对撞机建成后,会吸引1万名左右的顶尖科学家来中国工作,这些科学家就好像游牧民族一样,需要寻找有草的地方放牧,发展事业。而巨型对撞机全世界只有一台,他们一定会到中国来进行合作研究。他们的工资由所在国的大学与研究所支付,而他们的到来相当于中国把哈佛大学等美国名校带到了中国,毕竟目前中国还没有那么多长期在中国工作的哈佛、普林斯顿等顶尖名校的教授。

  从某种意义上讲,在中国建设大型对撞机就好像在中国建成了一个“科学的联合国”,这对中国科研体制改革的推动力量也是巨大的。

  虽然有一部分科学家担心,在中国建设巨型对撞机可能导致大量的科研经费流向高能物理领域,而持反对态度。还有一种观点认为,超越粒子物理标准模型的理论还没有完全建立起来,目前造巨型对撞机就好像盲人摸象,瞎猫去碰死耗子,万一最后没有发现新物理呢。

  对于这种看法,丘成桐对笔者如是说:“无论对物理本身,还是对整个中国的科研,巨型对撞机都有重要的好处。做科学应该有大局观念,不能只看到个人的利益。如果找不到新物理,也不是一个坏消息。这就好像以前麦克尔逊—莫雷实验为了测量以太漂移,最后测到零结果——但这最终导致了爱因斯坦提出狭义相对论。所以,没有发现新物理并不一定是坏消息。”

  总之,丘成桐认为,在中国搞巨型对撞机需要花的400亿元是分20年投入的,资金压力不会太大,而这个项目的科学价值无与伦比,是中国成为世界一流的负责任的科学大国应该做的事。

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[责任编辑:马嘉悦]
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