圖為發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC

目前的世界大型粒子對(duì)撞機(jī)尺寸對(duì)比（中國(guó)的BEPC正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)最小，但未來建立的CEPC環(huán)形虛線區(qū)域則最大）

9月4日和5日，網(wǎng)絡(luò)上掀起一場(chǎng)關(guān)于中國(guó)是否應(yīng)該建造大對(duì)撞機(jī)的爭(zhēng)論，丘成桐和高能物理學(xué)家王貽芳發(fā)文力挺大對(duì)撞機(jī)，而楊振寧和評(píng)論家王孟源則明確反對(duì)。為什么對(duì)撞機(jī)越建越大？高能物理學(xué)家期待的大對(duì)撞機(jī)又能做些什么？

對(duì)撞兩粒橙子籽兒，不那么容易

你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什么，但你得用兩個(gè)橙子去撞，結(jié)果是汁液四濺，碎屑橫飛，亂七八糟啥也看不清。

對(duì)撞機(jī)，顧名思義，專門制造“天雷地火大碰車”。兩輛大貨車全速撞在一起必然是火星四濺零件兒亂飛?？茖W(xué)家驅(qū)趕基本粒子使之迎面對(duì)撞，能量比大貨車還高得多?？茖W(xué)家制造車禍現(xiàn)場(chǎng)，越慘烈他們?cè)礁吲d——?dú)埰Τ鰜?，趁機(jī)測(cè)一測(cè)有什么新奇的零件兒沒有。

之所以基本粒子能夠具備比大貨車還高的能量，是人們“加速”出來的，所以對(duì)撞機(jī)也叫加速器。運(yùn)動(dòng)的粒子帶電荷，人類可以用強(qiáng)大的電磁場(chǎng)（為此得研發(fā)先進(jìn)的超導(dǎo)技術(shù)）讓它們改變速度，跑得更快。就好像一匹馬被放進(jìn)跑道，有個(gè)馴馬員不停抽它，就越跑越快。反方向的兩束粒子，最終迎面碰頭撞出世間萬象。

當(dāng)初歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）還沒運(yùn)行的時(shí)候，有傳言說它弄不好會(huì)撞出一個(gè)黑洞來毀滅地球。這說法也不是沒邊兒沒沿兒，因?yàn)榫扌蛯?duì)撞機(jī)的確志在制造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

為了用電磁場(chǎng)加速，對(duì)撞機(jī)用的都是有電荷的粒子：質(zhì)子和反質(zhì)子，電子和反電子。如果要用質(zhì)子，用強(qiáng)電場(chǎng)加在氫氣上，質(zhì)子和電子就剝開了。如果要用電子，則是利用電子管的原理：加熱一些材料，讓電子跑出來。而反質(zhì)子和反電子的獲取就麻煩一點(diǎn)，可能要用到激光。這些粒子被制造出來后，會(huì)在一個(gè)磁場(chǎng)圈兒里慢慢跑著，等要撞了，再放進(jìn)“賽道”。

對(duì)撞機(jī)原理雖然簡(jiǎn)單，但想要監(jiān)測(cè)撞出的粒子卻很麻煩。有個(gè)物理學(xué)家比喻說：你真正感興趣的是兩粒橙子的籽兒能撞出來什么，但你得用兩個(gè)橙子去撞，于是汁液四濺，果肉果皮的碎屑橫飛，亂七八糟啥也看不清。

所以LHC這樣的大家伙，成為了史上生產(chǎn)最多數(shù)據(jù)的機(jī)器。絕大多數(shù)數(shù)據(jù)是無用的，找出精華就像稻草堆里找銀針。

超越一個(gè)大獲成功的模型，路在何方？

為了超越標(biāo)準(zhǔn)模型，一些學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向和弦理論有緊密聯(lián)系的超對(duì)稱粒子，希望建造更大的對(duì)撞機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微觀世界秩序的，就是“標(biāo)準(zhǔn)模型”了。自然界有四種基本力，強(qiáng)力、弱力、電磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和電磁力統(tǒng)一的模型；1967年，溫伯格和薩拉姆在格拉肖模型的基礎(chǔ)上，借鑒希格斯的方法，提出了弱電統(tǒng)一規(guī)范理論；他們幾位也是標(biāo)準(zhǔn)模型的奠基人。

標(biāo)準(zhǔn)模型描述了電磁、強(qiáng)作用、弱作用相關(guān)所有現(xiàn)象，也給組成物質(zhì)的基本粒子分了類，將粒子分成費(fèi)米子和玻色子。費(fèi)米子是組成物質(zhì)的，包括電子、夸克和中微子等等，玻色子則傳遞力，包括光子、介子和膠子等等。

當(dāng)希格斯粒子被LHC發(fā)現(xiàn)后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的61個(gè)粒子都被證實(shí)了。而甚至在希格斯粒子被發(fā)現(xiàn)之前，已經(jīng)沒人挑戰(zhàn)這個(gè)極為符合現(xiàn)實(shí)的理論框架了。然而，物理學(xué)家仍然覺得有缺憾。因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)模型中沒有引力的位置，它不是描述萬事萬物的“大統(tǒng)一理論”。標(biāo)準(zhǔn)模型也不能解釋暗物質(zhì)，它不能解釋我們觀察的宇宙中的物質(zhì)和反物質(zhì)為何不對(duì)等，它也不能解釋宇宙為什么暴脹。

為了超越標(biāo)準(zhǔn)模型，高能物理界的希望之星是弦理論。丘成桐和威滕等數(shù)學(xué)界菲爾茲獎(jiǎng)的獲得者，都對(duì)弦理論做過貢獻(xiàn)。弦理論把各種粒子看作是弦的表現(xiàn)形式，這種理論看起來是一種包羅萬象的、有潛力的更高框架。但目前弦理論還沒有做出具體的預(yù)測(cè)，不能被實(shí)驗(yàn)證實(shí)或證偽，因此它想成為相對(duì)論、量子力學(xué)一樣的成功理論還需時(shí)日。而弦理論與被廣為接受的物理學(xué)相同的是，它在數(shù)學(xué)上別具魅力，不論它是否描述我們身處的宇宙。目前，弦理論的大本營(yíng)是在高能物理的傳統(tǒng)中心美國(guó)。

理論的曙光一般來自實(shí)驗(yàn)，很多高能物理學(xué)家希望建造更大的對(duì)撞機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高能量的碰撞。其中一些學(xué)者就矚目于標(biāo)準(zhǔn)模型之外的超對(duì)稱粒子，這種超對(duì)稱粒子和弦理論有相當(dāng)緊密的聯(lián)系。

美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望，但這臺(tái)2TeV能量的機(jī)器并未發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱粒子；能量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)的LHC，目前也沒有找到超對(duì)稱粒子存在的證據(jù)。

LHC之后還有誰？各想主意

大對(duì)撞機(jī)因?yàn)楹馁Y巨大，在任何地方開建都會(huì)引起財(cái)政爭(zhēng)論。目前中、日兩個(gè)項(xiàng)目都還在研究籌備中。ILC升級(jí)版似乎頗有希望通過，但也需要海量投錢，前途未卜。

對(duì)撞機(jī)大概分兩種：一種用電子去對(duì)撞，優(yōu)點(diǎn)是電子結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單個(gè)頭兒小，撞出來碎片兒比較少，方便科學(xué)家看清楚，缺點(diǎn)是它喜歡一邊兒跑一邊兒輻射能量，老泄氣兒跑不快；另一種質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，長(zhǎng)處和短處與電子對(duì)撞機(jī)相反。美國(guó)費(fèi)米研究室還提出一種想法，用μ子去撞，但大量制造μ子有困難，現(xiàn)在還沒實(shí)現(xiàn)。

目前，歐洲核子研究組織正探討升級(jí)LHC的超導(dǎo)磁體，將LHC的能量上限從14TeV提至20TeV。但高能物理學(xué)家已將目光投在LHC之后：一個(gè)方案是日本的國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)(ILC)，另一個(gè)是中國(guó)的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）以及預(yù)想中的質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC）。

目前兩個(gè)項(xiàng)目都還在研究籌備中。升級(jí)ILC似乎頗有希望通過。當(dāng)然它也需要海量投錢，前途未卜。日本將在今年做出決定。如果要建，2030年開始運(yùn)行。預(yù)算是100億美元。根據(jù)設(shè)計(jì)，正負(fù)電子沿著31公里長(zhǎng)的直線通道對(duì)撞（LHC則是在27公里的環(huán)形通道內(nèi)用質(zhì)子對(duì)撞）。

中國(guó)提出的方案，是在50—100公里的地下環(huán)形通道內(nèi)建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)。正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)只有0.24—0.35TeV，但如果用它的隧道來增建質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，能建成比LHC高一個(gè)數(shù)量級(jí)的大對(duì)撞機(jī)。這臺(tái)質(zhì)子對(duì)撞機(jī)的預(yù)算應(yīng)該不亞于ILC。

高能物理學(xué)家想依靠下一代對(duì)撞機(jī)首先解決希格斯粒子的謎團(tuán)，比如LHC測(cè)出的希格斯子的質(zhì)量為何如此??？作為標(biāo)準(zhǔn)模型的基礎(chǔ)，希格斯子的質(zhì)量本來被算得相當(dāng)大。這也成為突破標(biāo)準(zhǔn)模型發(fā)現(xiàn)新物理的一個(gè)方向。

大對(duì)撞機(jī)因?yàn)楹馁Y巨大，在任何地方開建都會(huì)引起財(cái)政爭(zhēng)論，美國(guó)甚至在1993年將已經(jīng)投資20億美元的大對(duì)撞機(jī)拉下馬來。目前，日本和中國(guó)的方案懸而未決，其前途必然要考慮LHC還能有哪些重要成果，以及對(duì)高能物理學(xué)前景的判斷了。