元素、基本粒子和物质“标准模型”
现代科学认为，宇宙是由四种力（电磁作用、引力、弱相互作用、强相互作用）结合与相互作用而形成的。地球（包括我们自身）是由90多种自然元素组成的，还存在20多种人工核反应合成的元素。物质“标准模型”中元素的原子是由原子核、电子组成，原子核由质子和中子组成。而质子、中子是由夸克等62种基本粒子组成，由非常强大的能量（主要为强相互作用）所束缚禁锢在一起，存在着非常难以突破的“能量势垒”， 无法被独立观察到。
为了探索这些基本粒子的性质与状态，就需要用非常巨大的能量去攻破这种“能量势垒”，用基本粒子象“炮弹” 一样高速高能量去轰击基本粒子，产生一些转瞬即逝的迹象，由科学家来进行观测记录数据，分析与验证物质的微观结构。
图：物理学中的能量标度和对应的距离尺度
图：自然界中四种力的作用范围与属性
1919年，英国科学家厄内斯特·卢瑟福用天然放射源中的高速α粒子速作为“炮弹”轰击金属箔，实现了人类科学史上第一次人工核反应，发现了质子的存在，从此之后，人们寻求更高能量粒子作为“炮弹”，以求搞清原子内部复杂结构的决心便一发不可收拾。
面对微观世界的“基本粒子”，人类不断寻找揭示其真实面目的手段，高能物理学就是为此而发展起来。高能物理学又称粒子物理学或基本粒子物理学，它研究比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质，和在很高的能量下这些物质相互转化的现象，以及产生这些现象的原因和规律。科学家通过一系列实验手段，就能了解许多物质微观结构的奥秘。
高能物理实验的两个重要部分是粒子源和探测器。人工制造粒子源的装置就是粒子加速器。
粒子加速器
自卢瑟福轰开氮核以来，世界诞生了一门新学科：原子物理。它的出现是为了向人们揭示宇宙间所有物质与能量的基本要素，粒子物理科学家们都深深地执着于用某种方式把原子打碎再打碎，以求向微观再微观挺进。要达到这个目的，就非得借助高能量加速器不可。
粒子加速器是利用一定形态的电磁场将电子、质子或重离子等带电粒子加速，能提供速度甚至接近光速的各种高能量的带电粒子流，带电粒子流在电场中受到电力的作用会越飞越快；在磁场中受到磁力的作用会拐弯而保持速度大小不变。利用带电粒子在电磁场中运动的这个特点，使其在抽成真空的管道中加速成高能粒子，最后再引出去轰击所要研究的基本粒子，这种装置就是加速器。按照能量大小加速器可分为低能 (几十兆电子伏特以下) 、中能 (百电子伏特到十亿电子伏特) 和高能 (几十亿电子伏特以上) 三种 。按照加速的原理来分，可分为高压加速器、电子感应加速器、直线加速器和环形加速器等 。
现代生活中的电视、计算机显示器所用的显像管就是一台小小的电子加速器。显像管有玻璃密封外壳，内部抽成真空。由一端的电子枪产生的电子束，经过聚焦线圈聚焦后在高压电极的作用下加速向前运动。与此同时，电子束在偏转电极的作用下，自上而下做水平方向的扫描。这样，在显像管另一端的荧光屏上就形成了明暗程度不同的亮点。
图：电子管显示器的示意图
加速器可以用来研究各种核反应 ，产生基本粒子，制造放射性同位素等。目前，加速器的应用已经远远超出了粒子物理学的领域，在诸如材料科学、分子生物学、医学、工业、农业等领域都有广泛且重要的应用。
简而言之，粒子加速器是人类认识微观世界的显微镜。是人们变革原子核和基本粒子、认识物质深层结构的重要工具。时至今日，在粒子加速器这把金钥匙的帮助下，人类已经越来越接近物质构成之谜的最后谜底。
对撞机
对撞，指的是让高速的带电粒子迎头碰撞。早期的物理学家都未曾意识到“对撞”概念的高妙所在，他们在很长一段时间内延续了卢瑟福的做法——用高速粒子去轰击一块静止的“靶”，然后研究所产生次级粒子的动量、方向、电荷、数量等。
对撞机是利用一种圆形粒子加速器，实现沿相反方向作相对运动的粒子对头碰撞的装置。对撞机中粒子的加速原理和一般的加速器相同 ，但由于实行对头碰撞，使粒子碰撞时的相互作用能大大提高 。例如，两束 300 亿电子伏特的质子对头碰撞 ，其作用相当于用 20，000 亿电子伏特的质子去轰击静止的质子 。所以，对撞机是以较低的造价实现“超高能”实验的主要装置之一 。粒子在进入对撞机以前 ，先在同步加速器或直线加速器里加速到较高能量 ，再入射到对撞机里；对撞机里要引入两束运动方向相反的粒子，它们在对撞机里作反方向的回旋运动，而在轨道的交叉处发生对头碰撞。按照对撞粒子的种类分，可分为电子对撞机、质子－质子对撞机、电子－质子对撞机和重离子对撞机等；按照对撞机的形状分，可分为环形对撞机和直线对撞机。
图：对撞机示意图
世界上主要的大型对撞机
目前世界各国研究机构有许多大型粒子对撞机。但能量极高、体积庞大、设备复杂的巨型粒子对撞机只有几台，包括位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机、美国斯坦福直线加速器中心的斯坦福直线对撞机、美国芝加哥费米国家实验室的质子-反质子对撞机、德国汉堡电子同步加速器研究所的电子-质子对撞机、美国能源部所属布鲁克海文国家实验室的相对论重粒子对撞机，以及日本高能加速器研究组织
的强流质子加速器等。LHC
欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC(Large Hadron Collider)。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下175米深处，周长为7公里（含环形隧道）的隧道内。
图：LHC大型强子对撞机示意图
CMS（LHC的紧凑型μ子螺旋磁场探测器）用于寻找希格斯玻色子（这种粒子能够解释为什么宇宙中的所有物质都有质量，现已宣布找到）、额外维度以及暗物质粒子；ALICE（环型LHC实验探测器）是一个有望观察到类似于大爆炸后宇宙初期形态的部分；ATLAS（超环面仪器），实验目的与CMS一样，但两者磁铁系统采用了完全不同的技术和设计；LHCb（LHC底夸克探测器）目标是探索物质和反物质之间微小差别，主要研究CP破坏，探测高能区的新物理现象，将有助于我们理解为何自己生活在一个几乎完全由物质而非反物质构成的宇宙。
图：（LHC简略示意图）
如上图所示，在LHC的隧道中，两束高能的质子（p）或铅核（Pb208）分别以顺时针和逆时针方向旋转。然后，在适当的时候安排它们在各个实验点（ALICE，ATLAS，LHCb，CMS）对撞，通过那里的探测器纪录对撞后产生的粒子。这里，质子（将最高）被加速到7TeV，也就是它的动能是自己质量的10^12倍。铅核将被加速到574TeV。也就是说，所有的粒子都是以（非常接近）光速飞行的，以这个速度我们可以算出，它们一秒中要在隧道中转1万转以上。
2008年9月10日，花费20年耗资54.6亿美元的大型强子对撞机（LHC）在著名的欧洲核子中心正式启动。这个有80个国家和地区7000多名科学家和工程师参加的项目，首要任务就是为了检验粒子物理的标准模型中，被喻为“上帝的粒子”的“希格斯玻色子”是否存在。（中国也有几百个工程师和科学家参与了LHC对撞机和探测器的设计建造，并将参加物理数据的获取、分析和研究。）
2013年3月“希格斯玻色子”被LHC验证存在，至此，标准模型预言的62种基本粒子已被实验证实。
LHC特点：
这个机器创造了多项世界之最。
世界上最大的机器－周长2.6659万米,内部共有9300个磁体；其制冷分配系统的八分之一堪称世界上最大的制冷机。其中一些科研仪器体积非常庞大，比7层楼还高。
世界上最快的跑道－质子穿行速度可达光速99.99%，每秒总共能发生约6亿次撞击。
太阳系中最空的空间－大型强子对撞机的内压是10负13次方个大气压，比月球上的压力小10倍。
银河系中最热的热点－当两束质子束相撞时，它们将在一个极小的空间内产生比太阳中心热10万倍的高温。
制造宇宙最低温－制冷系统将对撞机保持在零下271.3摄氏度(1.9开氏度)的超低温环境下，比外太空温度还低。
世界最强大的超级计算机系统 产生数据每年可刻10亿张双面DVD，将利用分布在全球的数万台电脑构成的网格进行分析。
我国的加速器和对撞机
北京正负电子对撞机
北京正负电子对撞机（BEPC）是世界八大高能加速器中心之一， 是我国第一台高能加速器，由长202米的直线加速器、输运线、周长240米的圆型加速器（也称储存环）、高6米重500吨的北京谱仪和围绕储存环的同步辐射实验装置等几部分组成。
图：（北京正负电子对撞机）
兰州重离子加速器国家实验室
兰州重离子加速器是中国科学院近代物理研究所负责设计和建造的我国第一台大型重离子加速器系统，经过多次建设，兰州重离子加速器现已经发展成为我国能量最高、规模最大的重离子研究设备 。兰州重离子加速器国家实验室成为国际上重要的重离子研究中心。
拟建设的下一代对撞机
图：（LHC与拟建中的下一代对撞机对比图）
日本和中国都正在各自筹办由本国主持的下一代大型强子对撞机，寄希望于通过大科学装置来探索世界起源与物质结构的亘古秘密。
中国的大型强子对撞机计划也在紧锣密鼓进行中，中科院高能物理研究所打算与国际合作，在50-100公里的底下环形通道内，利用相同的隧道，建造两座超级对撞机：正负电子对撞机和质子-质子对撞机。虽然正负电子对撞机的对撞能级将只有0.24-0.35TeV。但它的存在可以为建造质子-质子对撞机削减大量成本。该质子-质子对撞机和LHC相似，都在环形通道内使用质子进行对撞。但该对撞机的通道长度将是LHC的2-4倍，对撞能级可达70-100TeV或100-140TeV，远超LHC的14TeV。
日本近年也对下一代的大型对撞机的产生了浓厚的兴趣。有可能主持建造国际直线对撞机（ILC）。国际科学家团队对ILC的设计，是将正负电子沿着一个31公里长的直线通道进行对撞。这和LHC是在27公里的环形通道内进行质子对撞有所区别。
除了中国和日本争先恐后地想在大型强子对撞机上占据主持国之位，主持LHC的欧洲核子研究组织也在考虑建立新一代超导磁体，将LHC的能级极限从14TeV提升至20TeV，抑或是另建一座“超级LHC”。
著名的意大利物理学家恩里科·费米（Enrico Fermi，1901－1954）在去世那年提出了一个质心系能量为3万亿电子伏的加速器的梦想，根据计算，倘若采用束流与静止靶中的质子相互作用的方式，这台同步加速器的偏转半径约为 8千公里，比地球半径还要大，当时估出造价为1700亿美元，需40年建成。而科幻作家刘慈欣在小说《爱因斯坦赤道》中描绘了人类为了建立宇宙大统一模型的实验建造的最大的粒子加速器， 环绕地球赤道一周，起名为爱因斯坦赤道。都是让人脑洞大开的天才设想。
当前社会的争论
对于中国是否建设下一代超大强子对撞机，科学家们一直有不同的意见，近日华人诺贝尔物理学奖得主、现年94岁的杨振宁，撰文《中国今天不宜建造超大对撞机》，回应华裔数学家丘成桐赞成中国建造超大对撞机的文章后，遭中国科学院高能物理研究所所长王贻芳反驳，后者称“建大型对撞机正当其时”。这场科学家们的公开争论，不仅在科学界闹得沸沸扬扬，也引发了社会各界的关注，逐渐演变成公共话题。
这个原本在科学界讨论的问题，连日来也引起普通公众的热情关注和讨论。无论是支持的一方还是反对方，都能在网络尤其是是社交媒体上找到普通民众的回应。在一向高深的基础研究领域，这种学界、舆论与大众的频繁互动在中国并不常见。
基础科学与理论的研究，也许几十年上百年都不会看到实际用途。但需要我们当中最聪明的一些人去“仰望星空”，进行科学探索与发现。即使不建大型强子对撞机，也要加大对基础学科的资金和设备的投入，这样中国才能成为真正的科学强国。
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