巨型对撞机争辩300天回顾

文小刚

近几年来，由于普林斯顿高等研究院的理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈米德、哈佛大学数学家丘成桐和高能物理研究所所长王贻芳等国内外一些高能物理工作者的大力推动，中国开始考虑建造世界上最大的对撞机。这是一个重要的大科学项目。中国应不应该上？近两三年，这一直是中国物理工作者讨论思考的话题。我们以为，这个问题应该由一个跨领域的科学家委员会来认真讨论、研究论证。像《赛先生》这样的科普媒体，所能做的也就是科普这方面的背景知识，使大众能够理解科学家委员会的建议。

从去年12月开始，《赛先生》发表转载了一系列文章，比较系统地介绍了和高能加速器相关的一些背景知识，展示了各种不同的观点和这些观点之间争论，这正是《赛先生》所想要促成的一个理性讨论的平台。

在这里，我们把《赛先生》和高能加速器相关的文章汇总了一下，希望读者对有关巨型对撞机的争论能有一个比较全面理性的了解。

我们为什么要建造一个大到70公里的巨型对撞机来研究微观粒子？这是因为要研究新的微观粒子，如希格斯粒子，我们需要产生极高能的粒子束，通過其对撞来产生这些新粒子。根据传统的加速器设计理念，为了产生能量越来越高的粒子束，我们必须把加速器做得越来越大。但也有一些人考虑非传统的加速器设计理念，希望这些新思路能有所突破，做出新类型的高能加速器，花小钱办大事儿。《脑洞大开的科技创新：桌面上的粒子加速器》（2015-12-1）、《激光等离子体加速器刷新纪录》（2016-2-4）这两篇文章就是这方面的一个探索。

在下面的几篇文章中，《丘成桐：我为什么期望中国建设巨型对撞机》（2015-12-24）、《丘成桐新书对建造巨型对撞机决策前景表示乐观》（2016-3-23）、《专访丘成桐：巨型对撞机探索宇宙最深层奥秘的前景》（2016-5-10），丘先生系统地阐述了他支持建巨型对撞机的观点。他说“假如在加速器里面能够发现超对称的话，整个世界的物理前沿跟数学前沿都会改变。所以我期望能够在中国建加速器。”他还认为，在中国建巨型对撞机，能使世界高能物理研究的重心移到中国来。这对中国科学的发展会是一个本质上的促进。

《高能所专家：巨型加速器“两步走”方案未寄望于偶然发现》（2016.1.6）这篇文章介绍了中国建巨型加速器的“两步走”方案。第一步是建一个70公里的正负电子对撞机，其对撞能量是0.25 TeV。此前最大的正负电子对撞机是CERN（欧洲核子研究中心）的LEP，其隧道周长27公里，对撞能量0.21 TeV（只差0.01TeV没能发现希格斯粒子）。该文强调建设大型正负电子对撞机是一个很可行的方案。第二步是在同一个隧道中建设比现有的LHC能量高几倍的超级质子对撞机，以进行新物理的探索。（目前CERN的质子对撞机LHC的对撞能量是13 TeV）

CERN的质子对撞机LHC

需要指出的是，现在大家在争论要不要建的，是能量只有0.25 TeV的正负电子对撞机。新的正负电子对撞机很适合于精细研究希格斯粒子的物理性质，但在0.2 TeV-0.25 TeV这一已被现有的LHC探索过的能区，能不能发现新的物理现象很难说。大家希望通过在低能区的精密测量，能看到高能区可能有的新的物理现象的一些影子。

鉴于正负电子对撞机的能量太低，而质子对撞机的结果太“脏”，有人提出也许我们应该建又干净而能量又高（达10 TeV）的μ子对撞机。建加速器有新思路？《CERN前任所长北京推销μ子对撞机》（2016-1-7）和《中国应该选择μ子对撞机吗？》（2016-1-13）两篇文章从正反两个方面探索了这一思路。应该说，μ子对撞机是一个好思路，但现在μ子源的技术还不成熟，这需要专家做一个判断：现在是发展μ子源的技术更合适呢，还是建一个能量不高的正负电子对撞机更合适？

下面两篇文章介绍了国际上对中国建大型加速器的一些讨论：《美国物理学家争论中国巨型加速器计划》（2016-2-4）和《欧洲核子研究中心前总干事：中国建造巨型对撞机需要国际合作》（2016-3-23）。支持方指出：成立于1954年的CERN吸引了来自全球的科学家，并在“二战”后建立欧洲新秩序的过程中起了重要作用。来自美国和前苏联的物理学家之间的往来缓和了两个超级大国之间的紧张局势。在中国逐渐兴起成为一个超级大国之时，中美之间在巨型对撞机上的合作也将扮演同样的角色。反对方指出：物理学的未来在于原子物理及凝聚态物理学。在这些领域，只需要数十万而非数百亿美元的预算，建立在光学平台上的精密实验研究系统就有可能（并已实现）帮助人们进一步深入理解包括对量子力学基本原理在内的基本物理概念，并能在诸如量子计算等领域取得扎实的技术突破。

这两篇文章《LIGO是怎样炼成的，MIT校长阐述基础科学创新理念》（2016-2-13）和《王贻芳：引力波的发现为什么缺少中国科学家的身影？》（2016-2-16）没有讲巨型加速器，但详细讲了同样作为大科学项目，探测引力波的LIGO是如何立项论证的。LIGO发展大科学项目的经验很值得中国借鉴。另外，日本的经验也值得中国借鉴：日本曾经建过一个加速器，叫“TRISTAN”（Transposable Ring Intersecting Storage Accelerator in Nippon），建成于1986年。这个加速器的目标是寻找当时尚未发现的顶夸克（Top quark）。但由于TRISTAN的设计基于不够可靠的估计，导致日本在TRISTAN上没有任何重要发现。顶夸克最终还是在美国的费米实验室被发现的。所以我们应该在加速器的设计阶段，对其发现新物理现象的可能性作出严肃的评估。

粒子物理标准模型

虽然LHC发现了希格斯粒子，但这也许不算是“新发现”，因为理论早就预言了这个粒子。除了希格斯粒子之外，LHC没有给我们带来任何惊奇的东西。正如很多人说的“目前LHC最大的惊奇是没有惊奇”，这是目前高能粒子物理的困境（2016-9-5）。

研究高能粒子物理不一定非要用巨型加速器。有些人探索用极高精密测量来研究粒子物理最深奥的问题。这不是主流想法，但是一个新思路。《精密桌面小实验，探索宇宙大奥秘》（2016-7-28）这篇文章就介绍了这方面的一些探索。

我们看到过去一年里，《赛先生》针对巨型对撞机，从各个角度多个方面做了介绍，对一些新想法新思路也做了介绍。通过这些回顾，希望读者能对对撞机的争论有一个实在深入的了解，而不限于表面的争吵和口水仗。最后我们想指出，物理学的多数新发现，都不是计划出来的。