为什么耗巨资建造粒子对撞机是值得的--从国家未来发展出发

一、什么是粒子对撞机

粒子对撞机是在高能同步加速器基础大型粒子对撞机上发展起来的一种装置。主要作用是积累并加速相继由前级加速器注入的两束粒子流,到一定强度及能量使其对撞,以产生足够高的反应能力。


对于粒子物理学来说,如果想要了解物质的最基本规律,最好的办法就是把微观粒子分解,最好分解到不能分为止,然后再去研究基本粒子的规律。但是要分解微观粒子,目前的方法就是让两个高能粒子相撞,撞成更小的粒子,再去研究这个粒子。


欧洲的大型强子对撞机(LHC),长约27公里,原理是使用超导磁铁产生环形强磁场,利用电场给带电粒子加速,被加速后的带电粒子在磁场中运动会受到洛伦兹力,洛伦兹力使带点粒子做圆周运动,从而实现反复加强去接近光速,产生的能量甚至可以将单个质子加速到光速的99.999999999%。目前已经发现了“上帝粒子—希格斯玻色子”。


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二、为什么要建造粒子对撞机


几百年通过无数物理学家呕心沥血的研究,能由实验证明的物理知识已经相对完善,基础物理学的突破已经不像第一次工业革命后的时代,只要善于发现把前人记录的发现加上自己的努力实验就可以发现总结出其中的物理规律。事实上,世界的基础科学发展已经到了一个瓶颈,如果不突破这个瓶颈,即使看似科技发展的再快也是表面繁华,就像唐朝时期,中国是当时世界上最发达的国家,但是中国的科技发展多为经验科学,由一代一代人的经验总结而来,很少有人去探究其中潜藏的物理规律,所以唐朝可以修建巨大的战舰,可以制造弓弩、投石器等科技,豪华的宫殿,看似发展十分先进,但缺少基础科学的支撑,唐朝再发展几百年也只是表面繁荣,一天不发展基础科学,就永远不可能发展出机器、网络、航天器。

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由此可见基础科学的重要性,当然的基础物理已接近停滞,我们的中学生学习的物理知识还是几百年前的牛顿定律、电磁感应等。虽然如今有无数的物理学家依然奋斗在研究的第一线,为世界科学发展做出了突出贡献。但是这些发展就像锦上添花并没有取得像第一次工业革命时人力到机器的那种如此之大的跳跃,人类想要窥探更深层次的世界秘密,一是靠可控核聚变,二是靠粒子对撞机。一百年过去了,物理学再也没有出现颠覆性革命,这一百年来我们都是在吃量子力学和相对论的老本。


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虽然中国飞速进步,但是从100多年开始,中国每次都在落后,没有赶上第一二次工业革命,美苏科技比拼的时候,中国还在饥荒年代,虽然现在已经发展的很好了,经济也快速崛起,但是在基础科学领域与其他国家差的不是一点,但是决定一个国家科技实力的是基础科学,如果中国有了大型粒子对撞机,实现了粒子的进一步分解。建造对撞机能够使中国成为高能物理的一个研究中心,吸引无数人才来到中国。

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有科研团队提议要在中国建造一座世界第一大强子对撞机,周长达100公里,耗资至少200亿美元。但是这一提议遭到了各界专家的摇头否定,曾获诺贝尔物理学奖的杨振宁先生也在其中。大多数人认为目前建造大型强子对撞机消耗的人力、物力、财力巨大,而且修建好之后,在未来10年都不一定会产生实际的经济效益和科技进步。


但是我不同意这种观点,拿个人来举例子,你27岁得到一个可以凭借英语升职的机会,但是由于你20岁没有开始学英语而错过了这个机会。这是一样的道理,强子对撞机的意义应该是长远的,对整个人类的未来发展起着举足轻重的作用,也许未来10年乃至100年都看不到他的效益,但是我不想以后的后人需要的时候再质问前人,我们已经错过了许多科技大爆炸的机会,为什么中国又一次错过了引领世界科技的机会。


如今的网络上大多数人对这件事都持反对态度,认为是劳民伤财,但是我认为这是一个能造福未来100年的伟大工程,虽然很多人说那时自己都不在这个世界上了,这件事应该让后人去思考,但是探索未知的脚步不应该停止,我们错过了好多次科技革命,下一次不想再错过了。


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三、当前进展(以下内容摘自https://tech.sina.com.cn/d/i/2018-11-24/doc-ihmutuec3270253.shtml)


目前IHEP 的物理学家正在设计世界上最大的粒子对撞机。一旦建成,这个 100 公里长的设施将使得欧洲粒子物理实验室在瑞士日内瓦附近建成的 27 公里长的大型强子对撞机(LHC)相形见绌,不仅如此,前者的成本只有 LHC 一半左右。这个价值上百亿的圆形正负电子对撞机(Circular Electron–Positron Collider,以下简称 CEPC)正是王贻芳的心血结晶。


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他从 2012 年大型强子对撞机发现希格斯玻色子以后就开始领导该项目。CEPC 是通过撞击电子和它的反物质对应物——正电子——来生产希格斯玻色子。因为这些都是基本粒子,将其进行碰撞,就可以得到比 LHC 的质子-质子对撞更清晰的结果。所以若中国在 2030 年开放该设施,物理学家们就可以开始研究神秘的粒子和其衰变过程。


2018 年 11 月 14 日,IHEP 发布了一份里程碑式的报告,概述了对撞机的蓝图。研发初期的资金来自于中国政府,但设计工作是由国际上的物理学家合作完成的,设计团队希望获得世界各地的资金支持。蓝图显示,CEPC 将建设在地下 100 米深处的一个圆形场地中,并且安装有两个探测器,不过目前探测器的安装位置还没有确定。CEPC 使用年限为十年,电子-正电子对撞机随后可升级为质子与质子之间的碰撞,能量峰值是 LHC 的七倍。


“我们希望对撞机带来的影响是正面的,至少对中国来说。此外,我认为 CEPC 不会成为世界唯一的中心。从历史上看,我们总是拥有许多粒子物理中心,尽管现在这样的中心越来越少。不过,我真的希望我们不会成为唯一一个。”,他说。王贻芳还表示,(中国成为全球高能物理中心)这有助于中国对外开放,变得更加国际化,它也将为科学界带来更多资源。


我们不难看出,大型对撞机引发争议直接原因是投资巨大,根据王贻芳的文章,第一阶段的正负电子对撞机(CEPC)约在 2022-2030 年间,工程造价(不包括土地、“七通一平”等)约 400 亿元。如果第一阶段成功且有所发现,第二阶段的质子对撞机(SPPC)将启动,工程造价在 1000 亿元以内,时间是在 2040-2050 年左右。几百、上千亿元量级的投资在中国的基础研究项目中也是难以想象的,要知道,根据央广网数据,世界最大的射电望远镜、位于贵州平塘的 500 米口径球面射电望远镜(FAST)项目概算总投资 6.67 亿元。


在最新的采访中,王贻芳也表示,“从来没有人建造过这么大的机器,我们希望最大限度地降低成本。它的规格与过去世界上任何机器的规格都不同,我们需要证明它是合理的”。


除了成本讨论以外,王贻芳也回应了对撞机国际咨询委员会对该项目国际参与不足的问题。


他透露,受到国际伙伴的财政支出限制,国际参与上暂无重大进展:“他们都感兴趣,但是他们需要得到相关的资助机构认可。他们正在等待中国政府对于是否为其提供资金的决定”。


另外,王贻芳也提到,欧洲核子研究中心正在讨论新的欧洲粒子物理战略,美国也有类似的计划。“我们希望两者都能考虑 CEPC”,他说。


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CEPCC的相关演示



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