著名院士:360億建世界最大粒子對撞機,楊振寧:不宜建造

首先,在這裡先解釋一下什麼是大型粒子對撞機。

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大型粒子對撞機

解釋這個問題,就需要了解一下什麼是粒子。對於粒子的探討其實就是對宇宙、對物質構成的研究,早在2000多年前古希臘,就有很多哲學家對宇宙萬物的構成進行了思考,亞里士多德認為物質是由水氣火土四種元素組成。德謨克利特認為世界是由空虛的空間和無數不可分的微粒子組成。這也是粒子最早的來源。在我國古代哲學中,也有類似的探討,比如老子說,道生一,一生二,二生三,三生萬物。左丘明說,以土與金木水火雜以成百物。這些言論都是樸素的唯物主義世界觀,本質上是人們對物質構成的一種猜測。

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亞里士多德

但隨著科學的發展,人們對物質的認識越來越深,尤其是近300來,人們對物質的構成,從原子到分子,再到原子核、夸克,對物質構成的研究越來越接近於物質的本質。

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為了研究物質的本質,人們就需要更加先進的工具,一開始我們是用眼睛看,這裡面用的是光波。如果我們看到的東西比光的波長還要小,這時候,我們的眼睛就不夠用了,顯微鏡因此誕生,後來顯微鏡也不夠用了,電子顯微鏡誕生,因為電子的波長比光子的波長小很多。可以,如果再小怎麼辦,這時候就需要我們的粒子加速器了,因為加速器可以把電子或質子的能量加速到最高,而能量越高,我們看到的物質結構就越小。

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物理上對粒子領域的研究,屬於高能物理。現在高能物理領域對物質的研究都是通過粒子加速器把電子和質子加速到非常非常高的能量,以探究物質的本源。

經過現代高能物理領域最新研究,我們對整個物質世界已經有了一張比較清晰的圖像。目前,能夠掌握到的最小層次的物質,是16個粒子,其中,6個是夸克(Quarks),6個是輕子(Leptons);4個是相互作用粒子(Forces)

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這16個粒子裡面,有一個粒子絕對是一個異類。我們描述基本粒子相互作用的方程式,有一個基本的要求:所有的這些粒子必須是沒有質量的。但我們實驗卻證明,電子、夸克、相互作用粒子等等都是有質量的。這裡面的矛盾,一直困擾了物理學家很多年。後來,他們進行了一個大膽的假設,就是有一個粒子和其他粒子作用,後天獲得了質量,這就是整個基本粒子的標準模型(SM)。而這個給其他粒子賦重的粒子就是

Higgs粒子,中文名為希格斯玻色子,又稱為“上帝粒子”

Higgs粒子被提出後,遭到了很多人的質疑,他們認為根本就不存在這樣一個奇葩粒子,直到2012年歐洲核子研究中心(CERN)的加速器和探測器裡看到了這個粒子,發現Higgs粒子機制的科學家彼得·希格斯(Peter Higgs)先生因此獲得了2013年的諾貝爾物理學獎。這就是大型加速器的魅力所在。

而發現Higgs粒子的歐洲核子中心的大型強子對撞機(LHC)擁有27公里周長的加速器,正因為這個對撞機如此厲害,所以,我們國內很多專家提出我國也要修建一個大型的對撞機,其中就有我國著名的院士,中科院高能物理研究所專家王貽芳

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紅線的輪廓是歐洲核子中心的大型對撞機27公里周長的加速器

王貽芳主張,我國需要建設一個世界上最先進、周長達100公里的加速器,而對這個世界上最先進的大型加速器,王貽芳給出的造價是360億元,建設週期是20年。

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為什麼王貽芳主張建一個世界第一,但卻如此昂貴的大型加速器呢?據他介紹,現在高能物理學,雖然已經發現了Higgs粒子,但並不代表高能物理學已經解決了所有問題,相反,Higgs粒子性質的研究還有很長的一段路要走,而現在的大型粒子對撞機,研究Higgs粒子的性質只能到大約10%的精度。所以我們需要一臺能產生足夠量Higgs粒子的新機器,使測量能夠達到1%的精度,從而摸到上限、把新物理給找出來,如果真能做到這一點,我國的物理將站在世界物理這座高山的巔峰。

應該講,王貽芳的初衷還是好的,但對於這樣一個有著美好願景的高大上和高精尖的大型加速器,卻遭到了我國著名物理學家楊振寧的反對,楊振寧在2016年9月4日公開發表了《中國今天不宜建造超大對撞機》的文章,公開反對建設超大對撞機。

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楊振寧是高能物理領域的頂級科學家,他之所以這樣說,自然是有他的道理,在他看來,不宜建設超大對撞機的理由有兩點:

一是價格昂貴,這是最主要的原因。如果建設大型對撞機跟蓋房子似的,花不了多少錢,楊振寧肯定不會阻攔,因為粒子對撞機是我們研究粒子的最先進工具。他反對的最大的原因就是因為建設超大對撞機耗資巨大。美國當年搞大型對撞機的預算是30億美元,最終結算卻發現超支50億美元,所以這個粒子對撞機,就是個燒錢的無底洞,現在美國和俄羅斯等國家已經棄坑,不再投入。因此,我們如果建設這個東西,雖然預算是360億,但因為建設這個東西需要極高的技術標準,對材料的要求也極為苛刻,很容易超預算,最後就怕是弄出一個爛尾樓來,既耗費了巨資,又沒有建成,而在這方面美國的教訓就擺在面前,而美國的經濟和技術都比我們要強很多。與其斥巨資建設一個無法預知的東西,不如把錢花在民生領域,而我國還是發展中國家,在民生領域的投資還需要持續加大。

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二是因為建設超大對撞機已經落伍了,在上個世紀後半葉,西方已經用對撞機把高能物理探索完了,他用“盛宴已過”表達了高能物理的基礎研究進度。高能物理目前面臨最大的問題就是尋找理論預測的新粒子,比如引力子。而這些粒子的探尋並不是建個更好的對撞機就可以解決,更重要地是運氣。而這些理論預言正確與否還是個問題。

因此,楊振寧主張用更好的辦法的研究高能物理:1.尋找新加速器原理;2.尋找美妙的幾何結構,如弦理論所研究的(也就是使用數學來研究物理)。

在物理屆,楊振寧是少有的大量運用數學的科學家。他曾經說過這樣的話:

我的物理學界同事們大多對數學採取功利主義的態度。也許因為受我父親的影響,我較為欣賞數學。我欣賞數學家的價值觀,我讚美數學的優美和力量:它有戰術上的技巧與靈活,又有戰略上的雄才遠慮。而且,堪稱奇蹟中的奇蹟的是,它的一些美妙概念竟是支配物理世界的基本結構。

目前來看,楊振寧的這種理念無疑是經濟的,也是先進的,更重要的是還是實用的,更加適合我國的國情。

楊振寧多次強調,他能有今天這樣的成就,離不開他紮實的數學功底。而對於數學,他有一個很尊敬的數學老師,這個數學老師就是劉薰宇。

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楊振寧說,他在很小的時候,偶然接觸到了一位叫劉薰宇寫的書,看了後他愛不釋手,書非常有趣,通俗易懂,看了他寫的一個智力測驗的文章,我才知道什麼是奇偶排列。

這位被楊振寧推崇的數學老師到底是何方神聖?

這個人就是劉薰宇。

劉薰宇是我國著名的數學家和教育家,曾在暨南大學、同濟大學、西南聯大任教,還當過人民教育出版社的總編輯。而劉薰宇與普通教育者最大的不同就是他會講故事,比如他講的這個故事。

某個書生娶了一個富家千金,經常被老婆訓。後來這個書生中了狀元當了官,但他的老婆還是經常訓他。他就跟他老婆說,我現在當了官,你怎麼還訓我。他的老婆機智的回答到:“虧你還是狀元,連水漲船高的道理都不懂。你看,如果男人是當官的,生下來的女兒就是千金小姐,男人要是挑大糞的,生下來的女兒就是丫頭。等她嫁人後,如果嫁的男人是大官,她就變成了官太太,如果嫁的是農戶,那麼她就變成了一個農婦。這就是數學上的函數,男人是x,女人是y,y總隨x改變。

一個故事把函數講得生動有趣,這樣的例子在他的書中比比皆是。他一生論著頗豐,深受人們喜愛,很多人正是讀了他的書才喜歡上了數學,這其中除了我國著名物理學家楊振寧外,還有我國著名數學家齊民友。

齊民友也非常崇拜劉薰宇,他說他初一時學數學,那時的數學非常難,有很多的四則應用題,後來他看了劉薰宇的作品後,用他書中教得方法做題,非常容易,受到了老師的表揚,從此以後,才逐漸增加了對數學的興趣。

我國著名的畫家豐子愷也很喜歡數學,但他就沒有那麼幸運了,他直到中年後才接觸到的劉薰宇的著作,他說劉薰宇寫一篇,我就讀一篇,他的文章非常有誘惑力,而誘惑我的就是他裡面講得故事,如果我能早點接觸到劉薰宇的作品,我小時候絕對不會忽視這樣一門非常有用的基礎學科,為此,他懊悔不已。後來,他還專門為劉薰宇的著作寫了一個序。

他的著作主要集中在三本書《馬先生談算學》《數學趣味》《數學的園地》,這三本書都非常的有趣,非常適合五、六年級的小學生和中學生來讀。很多學生讀了後都會愛不釋手,甚至像讀小說一樣讀得津津有味,把數學書語文化,在學語文中讀懂數學,這就是這套書最大的魅力。

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