科学家争论的大型对撞机究竟有什么用？

欧洲核子中心的大型强子对撞机

前段时间，一场关于中国是否应当建造大型对撞机的公开辩论，引起了公众的极大关注。

2016年9月4日，94岁的著名理论物理学家杨振宁在网络上公开发表文章，反对中国建造大型对撞机。随后，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳公开发文回应杨振宁的质疑，支持中国建造大型对撞机。这场原本只在高能物理研究领域内部的讨论，由于网络和媒体报道的推动，迅速发酵为全民参与的公开辩论，众多网友纷纷分派站队，一派是“挺杨派”，反對中国建造大型对撞机；另一派是“挺王派”，则支持建造。然而，除了从事高能物理研究的专业科学家，普通人对于什么是大型对撞机恐怕了解不多，这场公开辩论可以成为科普的契机。

从原子到夸克，物质世界的“神秘砖块”纷纷现形

自从人类的远古祖先第一次仰望星空开始，人类对这个物质世界就充满了好奇——我们的世界是由什么组成的？从古至今，有许许多多的伟大人物给出了自己的答案，他们是人类探索宇宙物质世界奥秘的先驱者。中国古代哲学家用五行理论来说明世界万物的形成及其相互关系，五行是指“金、木、水、火、土”，古代先哲试图用这五种元素来说明世界万物的起源。五行学说是我国古代的物质组成学说，与西方的水、火、土、气四元素学说类似，但随着近代科学的发展，这两种学说的物质构成理论都被事实否定了。

19世纪初，法国化学家普鲁斯特发现了一个有趣的现象：参与化学反应的物质质量都成一定的整数比，例如1克氢气和8克氧气化合成9克水，假如不按这个一定的比例，多余的就要剩下而不参加化合。在前人研究的基础上，英国科学家道尔顿通过实验进一步发现，在化合物里的元素之间，它们的量总是成倍数地变化。在实验现象的基础上，凭借自己强大的推理能力和丰富的想象力，道尔顿提出了原子理论：物质世界的最小组成单元是原子，各种原子按不同比例组成物质，原子是稳定的、不可分割的。这是人类第一次依据科学实验的证据，系统地阐述了微观物质世界，是人类认识物质世界的一次飞跃性的成就。

到了19世纪末和20世纪初，英国人汤姆森在研究阴极射线时发现了电子，这表明原子是可以分割的，原子有内部结构，里面还有电子。电子的发现最先敲开了通向基本粒子物理学的大门，预示着物理学的新时代即将到来。不久，新西兰物理学家卢瑟福在α粒子散射实验中发现了大角度散射现象，由此提出的原子核式结构模型认为，原子是由原子核和核外的电子组成的，原子核带着正电，位于原子的中心，占有原子的绝大部分质量；电子带负电，围绕着中心的原子核运动。伴随着原子核式结构的发现，丹麦物理学家波尔革命性地提出了与经典物理学完全不同的“量子轨道假设”，成为量子力学的先驱者之一。物理学家进一步发现了原子核内部还有质子和中子，随后，一系列的新粒子在宇宙射线和加速器中被发现，20世纪60年代的“夸克模型”指出，质子、中子和其他一些粒子都是由更基本的粒子“夸克”组成的，在夸克模型的理论基础上进一步发展出了一个被物理学家们广泛接受的“粒子物理标准模型”。

简单地说，科学家们在实验中陆续发现了原子——电子和原子核——质子、中子和夸克，然后依次提出了原子论——原子核式结构——标准模型。截至目前，根据标准模型的解释，电子、夸克和传播子（例如光子）是我们物质世界的基本组成单元，它们是不可分割的，这些基本粒子相互之间可以发生作用，组成其他更复杂的质子、中子和原子等粒子，最后形成我们这个丰富多彩的物质世界。基本粒子就像砖块，许许多多的砖块一起构建出高楼大厦。从高耸的大厦到微小的砖块，当人类的研究对象深入到微观的夸克层次时，就进入了粒子物理的领域。粒子物理学是一门研究物质最基本的结构及其相互作用规律的前沿基础科学，它研究的是基本粒子的性质，探索宇宙的起源与演化的规律。

当显微镜不足以认识这个世界时，对撞机就登场了

物理学是一门实验科学，以实验为基础探索物质世界的奥秘，在实验中我们必须选择合适的研究工具。比如在测量一张桌子的长度时，我们需要使用尺子；在观察细胞或者细菌时，我们需要使用光学显微镜；在研究分子和原子结构时，我们需要扫描隧道电子显微镜；当深入到比原子还小的亚原子微观尺度时，我们就需要粒子加速器了。对撞机是一种特殊的粒子加速器，它能把两束粒子加速到接近光速，然后让两束高速运动的粒子相互对撞，根据爱因斯坦的质能方程，能量和质量可以相互转化，相互对撞的粒子的质量可以变成能量，又由能量变为质量，得到新的粒子。对撞机里的粒子能量往往很高（因此粒子物理也被称为高能物理），对撞之后可以产生各种各样的新粒子，粒子物理学家通过研究这些对撞产生的粒子来揭示世界的奥秘。

欧洲核子中心的大型强子对撞机（英文简称是LHC）不仅是世界上最大的粒子对撞机，也是有史以来人类建造的最复杂的机器，这个最大的对撞机被用于寻找标准模型预言的“上帝粒子”——希格斯粒子，正是这个粒子赋予了其他粒子质量。为了在实验中找到这个粒子，3 000多名来自全世界几十个国家几百所大学的科学家通力合作，寻找的过程艰难曲折：LHC对撞机把质子加速到极高的速度（其速度接近光速），然后让两束质子迎头相撞，质子撞碎湮灭为一团能量，从这团能量中又重生出宇宙大爆炸之初的各种粒子，其中就有希格斯粒子。但是由于希格斯粒子所占的比例极小（小于百亿分之一），实验物理学家要从中筛选出希格斯粒子，就像在一场大雨中找到一滴特殊的雨滴一样艰难。幸运的是，2013年3月，欧洲科学家宣布在LHC上发现了希格斯粒子，这是人类在探索物质世界的征程中取得的重大胜利。“上帝粒子”的发现是人类科学史上最重要的事件之一，比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒和英国理论物理学家彼得·希格斯因成功预言希格斯粒子而获得2013年诺贝尔物理学奖。

这不仅是科学家之间的争论，也是一次极好的科普

最近，一群中国物理学家提议在中国建造一个大型环形正负电子对撞机，用来进一步研究希格斯粒子的性质，将来如果有可能，还可以升级为质子对撞机，用来寻找超对称粒子。这个提议获得了众多赞同，赞同的人们认为建造大型对撞机是深入研究希格斯粒子的最有效途径，这种大科学工程还能带动高新技术的发展，吸引和培养国内外的大量人才。也有一些人反对建造大型对撞机，反对的人们认为建造的经费成本太高，中国仍是发展中国家，并不富裕，不应该把钱投向短期内看不到收益的纯基础研究。这场争论很有意义，杨振宁和王贻芳并不介意公开讨论学术上的分歧，在论战中，公众不仅得以一窥科学前沿的最新进展，还能借助网络直接参与讨论，间接地促使重大科学工程的决策更具有透明度。

纵观近代以来的物理学历史，人类在探索物质世界的征程中取得了一个又一个重大进展，人们一步步发现了原子、电子、质子、中子和希格斯粒子等一系列粒子，促进了我们对宇宙的认识。遗憾的是，在这一系列重大发现的背后，鲜有中国人的身影。希望将来有一天，我们能在粒子物理学的教科书中看到更多中国人的名字。

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