對撞機能為我們撞出什么？

文 王貽芳

人類探索微觀世界的努力從未停止過，現代大型加速器和對撞機的建造和加入，加快了微觀世界的探索進程和研究成效。物質世界是由一些微觀粒子組成的，比如大家熟知的原子就是其中之一，但是隨著研究的深入，科學家們發現，原子還可以繼續拆分成更小的質子、中子和電子。更令人驚訝的是，這還不是認識微觀世界的終點。因為，科學家又發現了數以百計的不是由質子、中子和電子組成的新粒子，而且發現質子、中子等粒子本身還有復雜的內部結構。這些全新發現，在沒有加速器和對撞機這樣的大科學裝置之前是難以完成的。不斷深入的微觀粒子研究到底有什么用？1988年10月24日，中國第一臺高能加速器——北京正負電子對撞機建成，這是我國第一個大科學裝置。憑借這一“國之重器”，我國成功躋身當時的世界八大高能物理實驗研究中心，躍上了世界科技前沿大舞臺。

深入微觀世界需要高能利器

在20世紀之前，人類對于世界運行規律的認知，幾乎都只停留在宏觀物體和現象上。然而在19世紀最后幾年，從倫琴發現了X射線、J.J.湯姆遜發現了電子、盧瑟福發現了α射線和β射線等實驗開始，物理學家們這才漸漸打開一扇神奇的微觀世界的大門。為了更好地觀察這些連顯微鏡都無法觀測到的微觀粒子，科學家需要可控的粒子束，于是，美國物理學家勞倫斯發明了回旋粒子加速器。這種設備可以將微觀粒子加速，并控制粒子的運動方向。經過幾代科學家的不斷完善，這類粒子加速器逐漸成為粒子物理學家研究微觀世界必不可少的利器。但是，早期粒子加速器能量利用率不高，觀測效果不佳。于是，科學家們又想出一個辦法，將兩束粒子直接進行碰撞，由此發明了對撞機。這樣可以最大限度地利用粒子加速后的所有能量，觀測效果大幅提升。利用加速器和對撞機這樣的大科學裝置，粒子物理研究不斷地刷新著人類對微觀世界的認知。

尤其是對撞機等大科學裝置出現之后，科學家更是如虎添翼，不斷突破人類對微觀世界的認知邊界。當初，有了對分子、原子等微觀粒子的認識，我們人類才有機會掌控巨大的核能，才可能創造出大量全新的材料，發明各種強大的儀器設備。微觀粒子中還蘊藏著怎樣的秘密？這些看起來十分高冷的研究會不會改變世界和人類的未來？我們還需要有足夠的耐心拭目以待。

北京正負電子對撞機撞出一片天地

1989年，國家郵政局發行了一枚特種郵票，專門紀念科技領域發生的一件大事——北京正負電子對撞機竣工。1988年10月建成的這一大科學裝置，究竟為我們“撞”出了什么？

北京正負電子對撞機在完成對撞以后，取得了非常豐碩的成果：第一個就是把τ輕子的質量給測了出來。τ輕子是最基本的粒子之一，是電子的兄弟，比電子要重一些。它的質量對粒子物理的研究來說是非常重要的一個參數，當時大家測量τ輕子質量有一點偏差。北京正負電子對撞機把這個偏差修正了回來，這個修正大約達到了3倍的標準偏差，誤差降低了10倍。第二個就是對標準模型預測的希格斯粒子質量做了一個比較大的修正。第三個就是發現了一些新的粒子，2013年發現了一個全新的粒子叫作Zc（3900），它實際上應該是由4個夸克構成的，這是我們第一次看到這一類全新的物質形態，是非常重要的發現。Zc（3900）的發現在國際上有很大的影響，入選了美國物理學會《物理》雜志2013年的國際十一大物理學重要成果之首，中國的高能物理因此在國際上占有了一席之地。

北京正負電子對撞機除了它的科學產出之外，也帶動了我們國家的高技術的發展，比如說中國的互聯網的引入，電子郵件的引入。移動互聯網本身和今天的互聯網經濟，都非常依賴于當時歐洲核子中心的重大的技術發明。1989年，蒂姆·伯納斯·李當時在歐洲核子中心的計算中心工作，為了解決物理學家之間需要溝通信息、溝通數據、溝通程序等各種各樣的需求，他發明了一個名叫“萬維網”的技術。這個技術在1991年正式對世界發布，歐洲核子中心構建了世界上第一個WWW網站，第一個網頁的瀏覽器。中國的第一個WWW網站，就是由于北京正負電子對撞機的投入，使得我們跟國際上有了最密切、最快速的聯系，這種聯系最終使得我們能夠把最新的技術引到中國來。

大型粒子對撞機或將讓中國有機會成為高能物理領域第一國

為紀念北京正負電子對撞機竣工而發行的特種郵票

北京正負電子對撞機，包括后面2004年開始的一個重大改造工程，一共耗費8.8億元人民幣，計劃運行至2030年，前后參與的人數大約有1000多人，一臺8.8億元的設備使用了40年以上，1000多人使用，這應該是一個非常經濟的投入。有人認為，高能物理耗資巨大，其實是錯誤的理解。高能物理的研究模式非常特殊，它在先期需要一個巨大的投入，但是在這之后，它的設備可以長期有效地使用。基礎科學研究目前主要依賴于大科學裝置，特別是粒子物理的研究，因為它研究的是物質的更深層次的結構，需要用比較短的波長去看它，所以必須要有大科學裝置，比如說用加速器去看它，這個研究會產生很多重要的科學成果。這些科學成果，因為反映的是物質最深層次的結構，所以更加基礎，反映的是最深層次的物質規律。

下一代對撞機的社會價值

隨著科學的發展，科學家們所研究的目標越來越趨向于微觀和高精度，因此需要更高能量的粒子。未來，粒子物理研究將向何處發展？還能有什么石破天驚的新發現？世界各國的科學家都在摩拳擦掌，躍躍欲試。“工欲善其事，必先利其器”，更深入的研究離不開更加強大的大科學裝置。目前，歐洲大型強子對撞機正在升級改造過程中。而我國科學家也提出了建造下一代環形正負電子對撞機的宏大構想，預計投資高達360億元人民幣，建設周期長達10年。中國提出的環形正負電子對撞機有非常清晰的重要優點：第一個優點——高亮度。環形對撞機的亮度是直線對撞機的亮度的大約3倍左右。第二個優點——性價比高。環形對撞機可以有兩個探測器，也就是說周長100公里的環形正負電子對撞機和日本的30公里長度的直線對撞機造價是基本一樣的，但環形對撞機一年獲得的希格斯粒子的數量是直線對撞機的6倍。因為亮度差了3倍，探測器又長了2倍，加起來是6倍，所以從性價比來看環形對撞機超過直線對撞機6倍左右。環形對撞機的隧道可以用于質子對撞，所以可以升級設施，可以復用。第三個優點——環形對撞機是一個多用途的加速器，它可以同時產生高能的同步輻射。它同步輻射的能量和強度很大程度上超過現有專用的同步輻射光源。這個光源在材料科學、工業、科學研究方面有非常重要的應用，所以它是一個多用途的加速器。

從歷史上看，對撞機催生了加速器的廣泛應用，比如說現在大家手機上用的觸摸屏，最早來源于歐洲核子中心。現在醫院里廣泛使用的核磁共振設施MRA，來自美國的費米實驗室，它解決了重大的超導磁鐵技術上的各種問題。歐洲核子中心的真空技術，也為太陽能發電作出了重要貢獻。未來中國的科學技術也會給我們帶來很多無法估量的社會價值。技術轉化跟科學技術的水平密切相關。這里面核心的核心首先是要科學領先，然后技術領先，才能夠在別人前面做技術轉化。如果科學不領先，自然技術就不領先，就不可能率先實現技術轉化。我們高能所也做過一些技術轉移轉化的工作，最近高能所完成了加速器硼中子俘獲治療的技術，通過它可以輻照癌細胞，治療各種比較特殊的癌癥，比如說彌漫性的癌癥，它也是目前最先進的癌癥治療手段之一。

裝置有價，貢獻無價

科學界認為，基礎研究是原始創新的源頭、核心技術產生的關鍵。近代人類社會文明的每一次重大進步都是由基礎研究成果所引發的技術進步推動的，而基礎研究更是我們科技自立自強的基石。如今探索自然規律的基礎研究，其重大發現和突破，越來越多地仰仗大科學裝置。它集合了當今世界高新科技成果，承載著人類認識未知世界的智慧與追求，拓展了人類探索未知世界的能力。歐美日等發達國家早在50年前就以巨大的投入建造大科學裝置，從而在眾多前沿科技領域占得先機，超導磁鐵、計算機網絡、觸摸屏、真空技術等眾多先進的技術成果都與之緊密相連。探索自然規律的基礎研究，需要各方面的投入，許多成果的形成，需要耗費很長的時間。

大科學裝置是一個源頭，是創新的利器。我們的感知能力是有限的，要拓展我們的感知能力需要設備，那么科學和技術未來發展的方向使得這樣的設備越來越大，能力越來越強。所以大科學裝置代表著發展的趨勢，而且大科學裝置規模宏大，技術門類齊全，它也是各種高新技術的引領。21世紀重大的科學發展成就，包括引力波、中微子、希格斯粒子發現等，都是依賴于大科學裝置，同時它也會助力其他學科的發展。那么社會大眾經常會問：值不值得花這么多錢去做？我們為什么要自己去做？我們參加別人的難道不行嗎？應該說這樣一個大型的科學項目會給我們帶來革命性的重大發現和革命性的技術突破，會體現最核心的競爭力，也會推動前沿技術的發展。從經費上來說歐美日都研究過，大型加速器設施的投入產出比，大約是1∶3左右，也就是說投入1元收獲3元，這個投入本身應該說是值得的。

高能物理是人類文明的標志性成就之一，我們應該追求從一席之地到全面領先。我們有這樣的基礎，這也是國家發展的需要，中華文明也應該有可以載入史冊的重大歷史性科學成就。我們看過北京奧運會的開幕式，也看過2012年倫敦奧運會的開幕式。在北京奧運會開幕式上，我們有燦爛的中華文明對世界的貢獻，造紙術、文房四寶、活字印刷術，這是我們祖先的功勞。在倫敦奧運會開幕式上，他們展示的是現代科技，原子核、歐洲核子中心、互聯網。我在深圳機場看到華為做的廣告，他們對上帝粒子（希格斯玻色子）的發現作出了貢獻，我們相信環形正負電子對撞機也會使得我們的很多企業能夠有機會把類似這樣的廣告投放到全世界。中國不僅在歷史上對人類文明有貢獻，在未來也應該對世界文明有重要的新的貢獻。