210億歐元建更強粒子對撞機，為何楊振寧極力反對中國建對撞機？

在探尋「上帝粒子」和暗物質的路上，歐洲又往前走了一步。

6月19日，歐洲核子研究組織全票通過《2020歐洲粒子物理戰略》，決定最高優先等級就是研究希格斯玻色子（即「上帝粒子」）和推動高能物理學。

故歐洲核子研究中心通過決策，計劃建造耗資210億歐元的高能物理實驗機──未來環形對撞機（Future Circular Collider，FCC）。這是一項長期計劃。2013年《歐洲粒子物理戰略》更新時，就開始進行概念設計研究，打算建造一臺比LHC能量更高的環狀對撞機。

LHC全稱「大型強子對撞機」（Large Hadron Collider），是目前規模最大的粒子物理實驗機器，FCC正是LHC的繼任者。2012年，科學家通過LHC對撞實驗，證實希格斯玻色子存在，補上粒子物理學「標準模型」最後一塊也最重要的拼圖。「標準模型」是微觀現象的物理學基本理論，用於解釋物質世界的基本構成及相互作用。理論認為，希格斯玻色子是「質量之源」。其他粒子通過和希格斯玻色子相互作用，才能產生質量，接著有引力，最終形成宇宙和生命。因此，希格斯玻色子有另外一個廣為人知的稱號：上帝粒子。

從1960年 「標準模型」提出，到2012年證實希格斯玻色子，花了50年。這半世紀裡，立下汗馬功勞的除了粒子科學家，還有造價動輒十億百億的高能粒子加速器。

能量更高的對撞機，意味著什麼？

大型對撞機其實可視為特殊的粒子加速器。加速器並不是什麼稀奇的東西，電視和電腦顯示器的顯像管，從原理來說，就是小型電子加速器。但像LHC這類高能粒子加速器，世界僅此一臺。在加速器裡，科學家將（帶電）粒子加速到非常快（最快可接近光速，但無法超越光速），使其具有非常高的能量，然後轟擊到目標粒子。

兩顆粒子碰撞後，會碰出新粒子，就是科學家要觀察的對象。過程好比把兩個核桃相撞，外殼破掉後，得到裡面的核桃仁。自1931年第一臺圓形回旋加速器發明出來，這種裝置已發生翻天覆地的變化。第一臺圓形回旋加速器只有巴掌大，直徑約11公分，造價25美元，從設計到建成不到一年。而LHC長27公裡，造價超過50億瑞士法郎，從提出設想到成功實驗，歷時25年。

變化如此大的背後，都是為了更高的碰撞能量。對粒子物理實驗而言，如果想看到更小的物質，就必須用更快速度碰撞，以產生更高的能量。第一臺圓形回旋加速器的能量只有8萬電子伏特，LHC的碰撞能量是以兆計算，且還經過多次升級，讓粒子物理實驗不斷突破。011年底，科學家發現希格斯玻色子存在的跡象，但還無法完全確定。2012年4月，為了精準擷取希格斯玻色子，歐洲核子研究中心把LHC的最高能量，從7兆電子伏特升到8兆電子伏特。

擷取「上帝粒子」後，歐洲核子研究中心又多次升級LHC。2015年5月，將LHC對撞能量升到13兆電子伏特。2018年12月再次停機升級，2021年5月重啟後，對撞能量將達14兆電子伏特。2025年最後一次停機，直至2027年升級為「高亮度LHC」。雖然對撞能量沒有提升，但能產生更多碰撞，積累資料將超過LHC的10倍。儘管LHC多次升級，但對粒子物理來說，想更上一層樓，就得建造更大的實驗機器。

擷取「上帝粒子」後

擷取希格斯玻色子後，「標準模型」完整了，但科學家的工作沒有停止。不管理論還是實驗結果，都表明這不是物質原理的終點。「標準模型」能涵蓋宇宙大爆炸後許多物理過程和現象，但卻無法解釋暗物質、暗能量及物質和反物質不平衡的問題。補充「標準模型」漏洞的「超對稱理論」可解釋暗物質、暗能量，但預言的超對稱粒子，至今還沒有找到。

諸多還沒解開的物理謎團，需要新物理來解釋。而精準測量「標準模型」的核心──希格斯玻色子，被認為是搜尋新物理的最好破口。LHC多次升級的情況下，最大對撞能量也只到14兆電子伏特，無法滿足精確測量希格斯玻色子的需求。想把希格斯玻色子性質測量至1%精確度，需要能產生100兆電子伏特能量的裝置。因此，就誕生了FCC對撞機計劃。FCC全長100公裡，安置在環形隧道裡，約6倍於正在運行的LHC。按CERN的規劃，FCC將坐落在瑞士和法國交界處。

下圖白色圓圈即FCC佔地，左上角藍色為LHC現址，長27公裡，是目前碰撞能量最大的粒子對撞機。FCC計劃分成兩步，第一步是建造高亮度的正負電子對撞機，碰撞能量與LHC類似。第二步是終極目標，打造碰撞能量為100兆電子伏特的質子─質子對撞機。

正負電子對撞機擁有極高信噪比，可在極高精準度下測量希格斯玻色子，因此又稱為「希格斯工廠」，專門產生大量「上帝粒子」探究性質。中國提倡的環形正負電子對撞機（CEPC），也是和FCC第一步大同小異的希格斯工廠。

不管歐洲FCC還是中國CEPC，都有個核心爭議：投入產出比

歐洲FCC預估造價210億歐元，中國CEPC造價400億人民幣，之後的質子對撞機（SppC）更造價1000億人民幣。這些費用通常由國際社會共同承擔，以中國CEPC和SppC為例，國際貢獻30%，中國出資70%。如此巨額投入，卻面臨極大不確定性。建造更大對撞機的長遠目標，是為了探尋「標準模型」外的新物理，但沒有證據表明，暗物質粒子和超對稱粒子會出現在新裝置的能量範圍。

理論物理學家楊振寧一直反對中國建設CEPC，「超對稱粒子只是猜想，沒有任何實驗根據，期望用極大對撞機發現猜想粒子，只是猜想加猜想。」美國曾也有類似計劃，名叫「超導超大型加速器」（Superconducting Super Collider，SSC），因造價飆升而中途放棄，浪費了20億美元。

不過大型對撞機計劃有時候會產生技術外溢效應，出現粒子物理領域外的收益。如要供全球科學家交流資訊，歐洲核子研究中心誕生了Web時代的基礎──全球資訊網；因要計算大量實驗資料，又發展出世界最大網格計算環境。