12.16 中国要不要建大型对撞机,我支持杨振宁,你呢?

自2012年中国科学院士王贻芳提出一个建造费用可能超千亿的超级对撞机项目以来,就引起了激烈的争议,支持与反对的正反两方均为华人中的科学巨头。正方以中国科学院高能物理研究所

王贻芳和美国国家科学院院士丘成桐为代表,反方以大家很熟悉的杨振宁和中国科学院院士何祚庥(zuòxiū)为代表。

中国要不要建大型对撞机,我支持杨振宁,你呢?

从左到右:王贻芳、杨振宁、丘成桐

吃瓜群众虽无决策权,但是毕竟花的钱里面也有我们的一小份,有必要了解一下到底这个项目是干什么的,不过首先我们得清楚什么是对撞机,它有什么作用?

对撞机是在高能同步加速器基础上发展起来的一种物理实验装置,简单说就是在这个装置中注入两束粒子流,通过电场进行加速之后,使得粒子流达到非常高的速度,然后让这两束粒子流迎头相撞,使得相互碰撞的粒子产生相互作用,从而可能产生从末发现过的粒子,或者测定生成粒子的性质。

早期的加速器是在高压电场中加速一次的直线装置,因而受到高压技术的限制,后来发展出了加速二次的直线装置,不过受到狭义相对论的影响这种加速器只能将粒子加速到25-30MeV。eV学名是电子伏特,是一个很小的能量单位,级数是10的-19次方,即使G或T级电子伏特也与1焦耳相差巨大。但是,要将粒子加速到G或T级所需的能量则是一个巨大的开销。

1930年欧内斯特·劳伦斯提出

回旋加速器的理论,1932年研制成功。它的原理很简单,就是在一个垂直于平面的圆形装置当中,中间的隔断处是一个平行于平面的电场,当下图箭头处注入一束粒子,这束粒子经过中间电场的加速后射入磁场,然后在磁场中受到洛仑兹力发生偏转,做圆周运动,它绕半圈后又通过中间的隔断处,再次经过电场加速一次,因为入射速度变大了,其回转半径变大,这样一直循环加速,最后从最边上高速射出。

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当然,实际上真正的加速器是一个环形,它通过改变垂直磁场的强度来使粒子的回旋半径一直保持一定的大小,这样可以大大缩减回旋加速器的面积,减少材料用量和占大面积,但这样也使得装置的建造和控制都变得非常复杂。

现在的回旋加速器(对撞机,加速的目的就是要它们对撞)主要分为:

1.电子-正电子对撞机,由于正负电子的电荷相反,所以这种对撞机只要建立一个环就可以了,相应的造价就比较低。但是,由于电子回旋时引起的同步辐射损失,使这种对撞机能量的进一步提高发生了困难。

2.质子-质子对撞机,由于质子作回旋运动时,其同步辐射要比电子小得多,在目前质子达到的能量范围内,可以略去不计,为缩小这类对撞机的规模,尽量采用强磁场,需要采用超导磁体。

3.质子-反质子对撞机,质子与反质子的质量相同,电荷相反,也只需要造一个环就能进行对撞。这种对撞机发展得较晚,主要原因在于由高能质子束打靶产生的反质子束强度既弱,性能又差,无法积累到足够的强度与质子对撞。70年代后期,“冷却”技术的成功,给予这种对撞机巨大的生命力。

4.电子-质子对撞机,这种对撞机的主要困难在于电子束的横截面很小,线度约为几分之一毫米,而质子的横截面较大,线度约为一厘米左右。前者束流较密集,后者较疏松,两者相撞时作用几率很小,目前正在研究中,实现这种对撞需建立两个环,一个是低磁场的常规磁铁环,以储存及加速电子;另一个是高场的超导磁体环,以储存并加速质子,两个环的半径相同并放在同一隧道中,所以电子的能量通常是几十吉电子伏,质子的能量为几百吉电子伏。

不过,随着加速器技术的发展,为了节约投资,往往会在一个隧道中建造多个环,以便可以进行多种粒子的对拉撞,包括质子-质子、质子-反质子,电子-正电子、质子-电子对撞。

位于瑞士日内瓦近郊欧洲核子研究组织CERN的粒子加速器与对撞机就是这种类型,它是一个大型的强子对撞机(Large Hadron Collider,LHC),圆周达到27公里,位于地下50~150米之间,隧道直径3米,贯穿瑞士与法国边境。

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欧洲LHC占地面积非常大

LHC一旦运行起来,整个磁铁中的总能量高达100亿焦耳(相当于1小时要耗2700多度电,大约2.5吨TNT炸药的能量),而隧道内的粒子束的总能量达到725百万焦耳,如果总粒子数量控制不好,总量超出范围,其能量可以使超导磁铁脱离超导态,而没有超导磁铁的约整,泄露的加速粒子束就相当于一个小型的爆炸。因此说在加速器上生活的人们就像坐在一个炸药桶上,不过,并非如有些媒体所说的对撞可能产生微型黑洞而干掉地球那么夸张。

如今王贻芳提出的超级对撞机,其规模达到周长100公里,是欧洲对撞机的3倍多。不说王贻芳的提出理由,我们看看丘成桐赞同的原因:(以下内容整理自2016-08-29 丘成桐《关于中国建设高能对撞机的几点意见并回答媒体的问题》)

1.一个叫五孟源的反对者是一个没有听说过的无名小卒,他的导师是一个没有在系中升职的助理教授,对于他的指责丘教授不在乎。

2.古希腊哲学家说:吾爱吾师,吾更爱真理。要发掘宇宙间最基本的真理,更要有这种勇气,这种毅力,才能完成。西方国家,无论是科学家,或是政府,为了

了解大自然的奥祕,都愿意无条件的付出大量的精力!(这是原话)

3.今日的中国,已非吴下阿蒙,难道不需要为这个人类最崇高的理想做点贡献?(这是原话)

在另一篇专访中,丘教授和王贻芳提到一个共同的理由:这个项目将会和欧洲对撞机一样,吸引各国高端人才,他预计会有五六千一流科学家会举家迁往中国,这些人聚在一起长期居住,指不定会产生点什么来,这会对中国基础科研产生深远影响。

虽说上面所列的理由比较空洞,但是王贻芳指出,这个大型对撞机可以精确测量希格斯玻色子的性质以及探索标准模型背后更基本的物理规律,并且寻找“超对称粒子”。

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标准模型

杨振宁明确坚定的反对这个项目,他的理由说得比委婉:

1.建造大对撞机美国有痛苦的经验,当年美国在投入30亿美元只挖了一个用于建遂道的坑之后,就止损终止了项目。欧洲LHC从预算26亿美元,到不少于100亿美元的建设费用,中国建造大型对撞机也可能和它一样预算失控,并且进入天量运行费用的大坑。

2.(中国)高能所虽然提出费用和参与国分摊,但是中国必定要出大头,而我国还是一个发展中国家,还有更需要解决的问题要花钱。

3.建造超大对撞机必将大大挤压其他基础科学的经费,包括生命科学,凝聚态物理,天文物理,等等。

4.高能物理学家积极赞成建造的原因:1)二战后高能物理学验证了“标准模型”,但还两个大问题没有解决。包括引力的本质与如何统一力和质量。2)希望用超大对撞机发现“超对称粒子”,从而指出解决上面两个问题的方向。但杨振宁认为,“超对称理论”还是一个猜想,用对撞机去解决上面的问题更是用猜想去解决猜想的问题。

5.七十年来高能物理的大成就对人类生活有没有实在好处呢? 没有

6.中国建立高能所到今天已有三十多年。如何评价这三十多年的成就?今天世界重要高能物理学家中,中国占有率不到百分之一、二。建造超大对撞机,其设计,以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人来主导。如果能得到诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?(这是原话,我认为这句话最委婉了,言下之意,你们干了30年,研究出什么成果来没有?)

7.不建超大对撞机,高能物理也有其他方向可探索,比如寻找新加速器的原理,或新的几何结构(如弦论等 )。(我认为他是希望我们能有新的理论创新,而不是想尽办法去验证别人的理论对错)

就如欧洲LHC一样,它发现了“标准模型”最后一块拼图的“上帝粒子”——希格斯玻色子,然后获得诺贝奖的是预测了希格斯玻色子的希格斯。当然就如网友所说的,建对撞机不是仅仅为了得诺贝奖,否则还不如大家把几百亿分了,那比诺奖钱还多得多。但是,很难将实验结果转化为技术力量的情况下,在还是发展中的中国现有没有必要立即就建呢?

中国要不要建大型对撞机,我支持杨振宁,你呢?

超对称理论

即使我们找到了“超对称粒子”,那也是验证了日本粒子物理学家宫沢弘成在1966年提出的超对称理论而已。但是“超对称理论”并不能像激光理论一样,从证实到应用,只花了一年的时间。也不能像量子力学的研究可以在量子通讯、量子计算机和芯片上给我们带来可见的科技转化。

因此,中国要不要建超级对撞机,我支持杨振宁的观点,至少20年之后,我们再来提这事!


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