歐洲大型粒子對撞機每年竟需10億美元維護,壽命週期僅15年

中國是否應該製造與歐洲核子中心(CERN)正規劃建造升級的粒子對撞機(LHC項目)相同亮度和頻率的大型科研工程,說到底,還應該觀測一下歐洲這臺設備的基本情況和運行狀況,為此我今天根據要點簡單的解剖一下LHC的情況。

正在中國舉國之力迎接奧運會之時,2008年9月10日上午9時36分左右(北京時間15時36分),被稱為世界規模最龐大的科學工程的歐洲大型粒子對撞機(Large Hadron Collider,簡稱LHC),在位於瑞士-法國邊界的對撞機控制室正式啟動。隨著第一束質子束被注入,安裝在地下100米深的27公里長環形隧道內的世界上最大的粒子對撞機開始運行。

歐洲大型粒子對撞機每年竟需10億美元維護,壽命週期僅15年

這是一個國際合作的項目,最初構想從1980年出現,1994年開始設計建造,因數次超過預算磕磕絆絆的持續建設至2008年完成。它由歐洲20個國家聯手發起,21個歐盟國家和以色列是CERN的主要出資人,總投資達超過100億美元。光是建設LHC相關的儀器設備一期投入就花費了數十億美元,每年的維護費用超過10億美元。據估計,大型強子對撞機的壽命週期僅為15年,

來自80多個國家和地區的約7000名科學家和工程師參與了建設,其中作為觀察國的中國有60餘名科學家(其中近40人為臺灣科學家)參與強子對撞機實驗。參與了4個大試驗的設備建造,中國科學院高能物理研究所、北京大學、清華大學、中國原子能科學研究院、中國科技大學、南京大學、山東大學、華中師範大學和華中科技大學等科研院所和高校的科研人員參加了部分實驗。中國科學家可以平等地享用對撞試驗產生的100%的數據。

歐洲大型粒子對撞機建於瑞士和法國邊境地區地下100米深處的環形隧道中,隧道全長26.659公里。隧道本身直徑三米,位於同一平面上,並貫穿瑞士與法國邊境,主要的部份大半位於法國,走完全程要花4個多小時。你可以將百慕大、摩納哥和4個梵蒂岡塞進它所佔的區域內。隧道內將維持在-271℃的極低溫。這一溫度將會出現超導現象,使得粒子在管道中幾乎不受任何阻力,以至接近光速。

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在一項長達10小時的實驗中,粒子束的運行距離可能超過100億公里(60億英里),足以在地球與海王星之間做個往返。在達到最大強度時,每一個粒子束擁有的能量相當於一輛以每小時1600公里(1000英里)行進的汽車。大型強子對撞機將消耗120兆瓦電量,相當於日內瓦所有家庭的用電量。

LHC可以將兩束質子分別加速到7TeV(7萬億電子伏特)的極高能量狀態,並使之對撞。其能量狀態可與宇宙大爆炸後不久的狀態相比。科學家希望,能夠在對撞機前所未有的對撞能量幫助下,製造“迷你版”宇宙大爆炸之後的瞬間狀況,探秘“希格斯玻色子”(Higgs boson),“暗物質”,“暗能量”等其他未解之謎,探索超對稱、額外維等超出標準模型的新物理領域。

歐洲大型粒子對撞機每年竟需10億美元維護,壽命週期僅15年

有些科學家為了使用大型強子對撞機等待了20年,比如當時還在世的霍金。英國《泰晤士報》網站當年9月9日發表文章,題目是“霍金用50英鎊就世界、宇宙和上帝粒子打賭”,文章寫道:當世界上最大的原子粉碎機開始進行粒子撞擊的時候,有一種可能性是,它會產生一個微型黑洞。如果這種微型黑洞出現,地球不會如某些杞人憂天者所說的那樣被摧毀———但它會為斯蒂芬·霍金教授贏得諾貝爾獎。

這也是霍金的原話,他說,雖然幾率很低,但如果這臺對撞機制造出一個黑洞,從而證實了自己的理論,毫無疑問他會獲得諾貝爾獎。

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這也是很多科學家的擔心,他們認為越來越高的頻率和亮度的對撞機遲早會造成微型黑洞,並對地球本身造成嚴重的影響,本身人類的現代物理學就只是一個推測出來的理論而已,科學家們現在甚至對某些現象的原理都無法解釋清楚,甚至可以說有相當一部分人都不知道自己到底在幹什麼。在這種情況下冒然進行實驗,用一種“捨不得孩子套不著狼”的精神著實有些作死的意思。

更要命的是,雖然CERN和LHC發現了“上帝粒子”希格斯玻色子,也難以將其轉化成可利用的技術造福於人類,而其他的發現則微乎其微,這很大程度上是因為目前的投入以及強度不夠,為了有更重要的發現,這迫使它不得不在2019年年初提出了一項野心勃勃的計劃,未來將建造一臺新的加速器,長度將會是現在世界上功能最強大的大型強子對撞機的4倍,也就是27公里的4倍。功率是大型強子對撞機的10倍,是一個巨大的管狀迴路結構。最多可能耗資210億歐元,摺合成人民幣大概是1617億元。只要最後建成,未來環形對撞機將會成為有史以來功能最強大的粒子對撞機。歐洲核子研究中心希望,新加速器的建設能發現新粒子,開拓物理學的新領域,而歐洲規劃的升級版加速器這與王怡芳院士團隊要在中國建設的粒子對撞機的規劃相當。

這不由得讓我想起在上個月王怡芳院士在接受採訪時候說的話:中國是時候建設下一代大型粒子對撞機了,“我們跟歐洲是有競爭的,我們建了它們就建不了,它們建了我們就建不了。他們的規劃方案跟我們一樣,在世界範圍內建設兩臺同樣的大型對撞機顯然沒意義。

歐洲大型粒子對撞機每年竟需10億美元維護,壽命週期僅15年

誰能夠建、誰先建成,誰就將成為這個領域的領跑者。中國大型粒子對撞機首期投入僅需要360億即可。目前,世界上百億級專用裝置有幾十個,中國一個都沒有,這是不合適的。這將是中國引領世界基礎物理研究和成為粒子物理世界中心的最好機會。

在未來科學大獎的頒獎典禮上,他特別將自己獲得的50萬美元獎金全部捐出設立基金用於大型粒子對撞機建設,並擲地有聲的說出了:我們應該對人類有較大貢獻,應該在文學、藝術和純粹科學方面對人類有較大貢獻,要有媲美我們的祖先、能載入人類史冊的貢獻。

這凌雲的氣勢,萬眾的豪情當時讓我虎軀一震,不由感動的痛哭失聲,好幾個晚上都心潮澎湃,甚至想起了霍金,深深為我們國家擁有這樣一位應該會主導中國大型粒子對撞機建設,看起來好像不求名不求利(也不知道是不是真的),著眼於全球領先的基礎科學以及中國人對全世界貢獻的偉大科學家感到由衷的敬佩和自豪。


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