高能粒子對撞機,美國停建日本下馬,中國為什麼要建?

2021-01-12 老粥科普

現代基礎科學研究大多需要巨額投資支持。與牛頓靠蘋果發現萬有引力、愛因斯坦用筆和望遠鏡創立"相對論"不同,現在的物理學家們似乎越來越需要依賴極其複雜且高大上的科學裝置才能在理上取得突破。更多的時候,即便是花了無數的金錢和時間,科學家們很可能最終一無所獲,這已經成為現代物理學研究的常態。

(歐洲大型強子對撞機)

你並不能怪罪物理學家們,因為今天的物理學越來越走向極端:要麼你研究極遠宇宙中的恆星,要麼你需要研究極小的微觀粒子,這些東西都需要使用越來越昂貴的設備才能發現和測量。在今天的基礎物理學研究領域裡,錢或許不是萬能,但沒有錢卻是萬萬不能的。

日本雄心受挫。這不,日本就遇到了缺錢的煩惱。在經過長達數十年的漫長設計和論證之後,38節前一天,日本宣布「推遲」支持一項耗資70億美元的直線粒子加速器計劃。其實誰都明白,他們放棄了。

雄心勃勃的日本人為什麼會放棄?

(LHC)

2012年,歐洲的科學家通過位於瑞士日內瓦附近的大型強子對撞機第一次發現了傳說中的「上帝粒子」希格斯玻色子,這一發現轟動了世界物理學界。2013年,希格斯玻色子的發現者Fran?oisEnglert和Peter Higgs 被授予諾貝爾物理學獎,因為他們「理論上發現了一種機制,有助於我們理解亞原子粒子的質量來源「。

希格斯玻色子是怎麼被發現的?其實說簡單也簡單,科學家用歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)將原子核中的質子加速到一個極高的速度,然後讓兩束射流迎頭相撞,如果這兩股射流中碰巧有兩顆粒子互相懟上了,這強大的速度有可能將粒子撞碎,從而釋放出更小的粒子。由於撞擊釋放的能量很大,這些小粒子會在預設撞擊點旁邊的膠片上留下痕跡,科學家在通過分析這些痕跡來判斷這些粒子到底有可能是些啥東西。

(發現希格斯玻色子)

自從歐洲的物理學家們發現希格斯玻色子之後,日本的科學家倍受鼓舞,決定強力推進在日本建設一個大型對撞機,以對這種新的「上帝粒子」進行進一步研究。事實上這個對撞機日本人已經設計了幾十年,他們計劃建設一個長度達到20公裡的直線粒子加速器(ILC),這個新的對撞機原本是歐洲核子研究所打算設在日內瓦LHC加速器附近的,但日本人說,70億美元我們日本出一半,你們歐洲還有其他國家出另一半,對撞機就建在日本。歐洲人當然希望有人出錢啊,於是就答應了,天天盼著日本政府批准撥錢,反正在哪兒研究都是研究,有人出大頭,歐洲各國壓力小,融資也能快一些。這一等就又等了6年。

在這6年中,歐洲核子研究中心的科學家們始終沒有新的進展,日本政府對對撞機的興趣一天天地減退,然後就沒有然後了。

日本止步,科學還將繼續前行。其實這些年歐洲的科學家們也並沒有閒著,日本的ILC本來是個很好的選擇,因為它是通過將正負電子來進行加速對撞,研究其撞擊之後的產物。從理論上看直線粒子加速器ILC正-負電子對撞比此前歐洲的LHC質子-質子對撞要更「乾淨」,更容易研究,但歐洲的科學家們希望有一個更加緊湊的版本,所以他們也同時在研究一款新的對撞機(CLIC),它可以達到比日本未來的ILC更高的能量。

(歐洲人的新對撞機「地平線2020」將設在綠圈的位置)

歐洲科學家在拿到諾貝爾獎之後再也沒能發現新的「上帝粒子」,所以有人認為日本人準備要建的直線對撞機ILC也可能能量不夠大,它是個落後的東西,以後建成了也是浪費。

像對撞機這種大科學裝置建成之後浪費錢的說法,不只是在民間流傳甚廣,在科學界也始終有兩種相互對立的觀點。楊振寧就認為對撞機這種東西歐洲人都只搞出一次「上帝粒子」,美國人都不搞,我們本來錢就不多更不應該搞它,應該把有限的資金花到更需要的領域。而以王貽芳為代表的高能物理學家則認為這是大國重器,基礎物理研究必備利器,我們應該要搞。

(楊振寧反對現在建設對撞機)

其實有些大科學裝置並不只是用來找「上帝粒子」,它們在其它的應用物理研究領域也有不錯的表現。比如說在東莞投資3.31億美元建設的散裂中子源現在正在運作,雖規模有點小但有很多用處。另一臺計劃耗資48億元RMB在懷柔建造的同步輻射加速器,它所產生的極高強度的X射線對幾乎所有研究學科都很有用,包括材料科學、化學、生物學、環境科學、地質學和醫學。

(工程師正在東莞散裂中子源工作)

現在歐洲人又在搞一項「地平線2020研究資助計劃」,打算投資50億歐元在LHC的旁邊挖一條100公裡長的環形隧道,建設一個能量高達365千兆電子伏特的正負電子對撞機;而在北京高能物理研究所(IHEP),以王貽芳為首的物理學家們也在設計世界上最大的粒子對撞機(CEPC),如果投資總額為43億美元的CEPC如期在2030年建成,日本人畫在稿紙上的ILC將變得一文不值。

(王貽芳)

所以日本現在宣布洗手不幹,也是預料之中的事。無論日本做什麼樣的決定,科學家們都不會停止他們探索未知世界的腳步。

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