黑科技还是末日机器？重启粒子对撞机意义何在？_风闻

酷玩实验室-酷玩实验室官方账号-2022-07-29 23:57

2022-07-29

2012年7月4日早上9点，位于日内瓦的欧洲核子中心（CERN）主礼堂，坐满了来自世界各地的顶级物理学家。

这一天，CERN向全球公布了一则消息：大型强子对撞机（LHC）的超导环场探测器和紧凑缪子线圈实验组，发现了希格斯玻色子。

这个消息一出，着实让一部分人大受震撼。但，更多的人，恐怕看不懂。

看不懂，很容易理解。

大型强子对撞机是啥？希格斯玻色子又是啥？

让一部分人大受震撼，也容易理解。

在格斯玻色子被发现的次年（2013年），彼得·希格斯就获得了诺贝尔物理学奖。至于希格斯玻色子，还有个很响亮的名字“上帝粒子”。

希格斯玻色子的发现，填补了粒子物理学标准模型最后、最重要的一块基石。

用我们习惯的官话来说，这就是在基础学科研究方面取得了一项重大突破。

随后，国内也掀起了一波关于中国要不要建造大型强子对撞机的争议。并且，要建的是比LHC规模更大的超大对撞机。

这一争议，在2016年再度升温。

这一年9月4日，杨振宁公开发文《中国今天不宜建造超大对撞机》，他列举了N条理由，做出了反对。

这些理由也都有一定道理，比如美国30亿美元建造对撞机最终打水漂；LHC建造费用加上后期探测器等费用累计超过100亿美元，超大对撞机耗费更大，作为主导国承担巨大成本；目前我国仍处于发达国家、世界重要高能物理学家我国只占百分之一、二，未必成为最终成果取得者；希望用超大对撞机发现“猜想”中的超对称粒子只是“猜想加上猜想”……

当天，中国科学院高能物理研究所所长王贻芳就对杨振宁的理由进行逐条反驳。

不得不承认，大型强子对撞机就是一台巨大的“吞金兽”。

LHC的主体结构像是一个金属甜甜圈，加上设备总重量五万多吨，如果从中间某处剪断并拉直，长达27公里，开车都得半个小时。国际空间站、肯尼迪航天中心、福特级航空母舰在它面前都像小朋友的玩具一般。

运行期间，LHC的管理机构，全世界最大的粒子物理学实验室，欧洲核子研究中心CERN从法国电网获取大约200兆瓦的电力，相当于是瑞士日内瓦市能源消耗的三分之一。

众所周知，今年2月，俄乌战争发生之后，欧洲就面临能源紧张的问题。

然而，2022年4月22日，经过三年多的停机维护升级，法国瑞士边境100米深的地下，世界上能量最高、性能最先进、总造价近百亿美元的大型强子对撞机LHC，开始了新一阶段运行前的束流循环测试。

而早在2020年6月，日内瓦的欧洲核子中心理事会就已经全票通过《2020欧洲粒子物理学战略》，将建造正负电子对撞机和未来环形对撞机（FCC）作为最高优先选项。

也就是说，在粒子物理学实验方面已经领跑的全球欧洲核子中心，还想比其他国家地区再领先一个身位。

那么，粒子物理学到底有什么魔力，对于当下的科技、经济发展有什么用，我们国家要不要搞出属于自己的超大对撞机？

“物理学从来就没有存在过，将来也不会存在。”

在所有关于死亡的故事里，《三体·黑暗森林》中理论物理学家杨冬的自杀遗言是最让我震撼的。

由于三体文明发射的两颗质子干扰了地球粒子对撞机的实验，物理学标准模型崩塌，科学家们穷极一生追求的物理规则似乎消失了，三观尽毁，干脆一死了之。

基础物理研究被锁死，人类400年里只能不断改进应用科技，终究没逃过被三体文明一艘小小探测器碾压的悲剧。

把弩改进到极致依旧是弩，勉强对付燧发枪，不可能敌得过结合微积分、化学分子式、金属原子结构之后发明的机关枪、榴弹炮。

而当爱因斯坦写下揭示更底层规律的质能方程后，飞机大炮也被原子武器塑造的大国秩序所左右。

没有基础科学的进步，就没有应用科技的跨越。

质子封锁是刘慈欣笔下的幻想，人类科学发展的脚步放缓却越来越成为现实问题。

335年前，牛顿力学问世，有了精准的工程计算，当时问世已久的蒸汽机才得以改良，开启第一次工业革命。

157年前，麦克斯韦统一了电磁光，我们才有了第二次科技革命带来的电视电灯电话等等电气设备。

100多年前，量子力学创立，打下固体电子理论和能带理论的基础，半导体芯片与信息产业由此发芽。

时至今日，我们仍在攀爬上个世纪理论基础上的应用创新，量子计算机依旧没走出实验室。

正如民间广为流传的那句抱怨与期待：“物理学已经上百年没有重大突破了”。

2018年，美国著名科普作家约翰·霍根以《科学碰壁了吗？》为题发文列出了一系列科学技术放缓的现象：

1、诺贝尔科学奖的获得者平均年龄正在急剧提高；

2、不同行业的投入与产出的比例都不断下降；

3、物理学家越来越关注弦理论和多元宇宙这些太小或者太大领域，甚至一些科学家开始研究泛心论，越来越玄了。

基础科学的放缓如多米诺骨牌般，间接影响到了我们每一个人的生活。

今天的一些革命性的创新源头依旧在半个世纪之前，比如5G背后的香农定理。应用科技的创新再也没有产生20世纪初电力、青霉素、信息技术那种普遍性的影响，商业计划很多时候只是让少数人受益，甚至有一些完全沦为了割韭菜的镰刀。

新的技术革命不出现，就不会带来新的大规模就业和财富机会。

飞行汽车呢？长生不老呢？星际探索呢？这些一百年前科幻作品里出现的东西，今天依旧是科幻。

马斯克的创业伙伴，彼得蒂尔说，我们需要的是飞行汽车，却只得到了140个字符的推特。

难道前沿科学真的碰壁了？我们真的撞不破这堵叹息之墙吗？

解答这些问题之前，我们有必要了解一下当下物理学是怎样运行的。

今天的物理学是一门实证科学，它的研究是，先得观测到一个现象，再提出解释这个现象的假说，然后我们用实验去验证这个假说，再推广结论将其普遍化，普遍化的过程当中很可能又会发现一些解释不了的现象，然后再提假说，再验证，如此循环的过程。

这种研究方法开始于16—17世纪。

在此之前物理学的研究主要是基于生活常识甚至于宗教经典，是伽利略首次把观测和实验确立为研究物理的核心方法，比如他通过大小两个铁球同时落地的比萨斜塔实验推翻了亚里士多德越重的东西落地越快的学说，再比如他发明望远镜观测天体运动确立了日心说。

在之后通过传说中落地的苹果，牛顿意识到天体间的引力和地球上力学规律的一致性，从而实现了物理理论的首次大统一。

在很多人印象中，牛顿是一个伟大的物理学家，数学家，就如同现在每年得诺贝尔奖的那些伟大的科学家一样。

这是对此人影响力的严重低估。

牛顿发明的微积分使人类对于世界的观察计算，从静态计算，扩展到对于变化过程的瞬时动态计算，以及对于长期变化过程的累积效果的计算。人类第一次拥有了对于我们所处世界完整而精确的计算能力。

牛顿定义了经典力学的基本概念，提出了力学三定律，万有引力定律和光的粒子学说，将数学，物理学和天文学，通过物质的机械运动统一了起来，形成了初代的大一统理论。

基于牛顿的理论，1682年，英国天文学家哈雷，计算出一个彗星的轨道周期为76年。76年后这颗彗星居然真的如约而至，从此被命名为“哈雷彗星”，虽然当时哈雷本人早已去世。

1845年，英国天文学家约翰亚当斯，利用万有引力定律，预言天王星后面还存在一颗行星在影响着天王星的轨道。一年之后，人们在理论预言的轨道位置真的发现了这颗行星，也就是海王星。

我们现代人其实很难想象这些事件给当时的人带来的震撼。

因为神说要有光，世界上才有了光。你区区一个哈雷说这颗星星76年后要回来，它就这么听你的话？你约翰亚当斯看都没看到，就说那边有颗星星，那边还真有一颗星星。这不乱了套了嘛？

一种全新的机械论世界观开始逐渐深入人心，也就是，我们这个世界不过大量机械运动的组合，它是可以被认识的，它的规律是可以被掌握的，我们可以利用这些规律改造这个世界。用尤里乌斯凯撒的话来说就是，我来，我见，我征服。

在此之后的三百年里，力学、热学、声学、光学、电学，也就是中学实验室里就能学习、试验的“力热声光电”领域进入了稳步发展阶段。

进入20世纪，相对论和量子力学这两大“网红”物理学理论突破了几百年来的认知限制，将物理学研究带入到了“至快至强”的境地，也就是基本粒子在高能量下的接近光速的运动，但这也带来了一个问题，就是这种运动完全超出了肉眼凡胎的感知范围。

如此一来，要如何对于科学家提出的假说进行验证呢？

比如之前我们可以用显微镜，也就是光的折射反射，来观察肉眼不可见的细胞、分子、甚至原子，但当研究的对象成了“光子”本身时，或者是接近光速运动的电子时，就无法通过现有技术直接观测了。如果无法对假说进行验证，物理学就成了无源之水，无根之木，将会完全沦为空想。

我们大家都学过的中学物理对于这个世界的构成有一个基本模型，带正电的质子和电中性的中子组成一个小小的原子核，外面广阔的空间由带负电的电子所构成的“云”所占据，它们共同构成一个原子。然后原子组成分子，原子分子组成我们这个世界上的一切。

不知道大家有没有想过这样一个问题，这个模型对于氢原子是完美的，但是一旦中间的质子超过一个，那么多带正电的质子挤在那么小的原子核里，同性相斥，为什么没有被弹开来呢？

很显然这里缺了一些东西，我们需要更深刻的模型来解释这个世界。粒子物理标准模型是以量子场论为表达方式，描述宇宙间基本粒子及其相互作用力（除引力外）的理论。

这个模型大致是这样的。

组成我们这个世界的基本粒子分为费米子和玻色子，其中费米子组成物质本身，而玻色子负责传递物质之间的作用力。

费米子包括上夸克，下夸克，电子，中微子，以及它们分别有同类的另外两代粒子。

夸克相互结合形成的复合粒子，叫强子。强子中最稳定的就是质子和中子。其中，两个上夸克加一个下夸克组成质子，一个上夸克加两个下夸克组成中子。

中子质子组成原子核，与电子一起组成原子，进而构成世间万物。而中微子是一种电中性的质量极小的粒子，可以在宇宙中自由穿梭。

规范玻色子包括，负责传递电磁作用力的光子，负责传递强相互作用力的胶子，以及负责传递弱相互作用力的w玻色子和z玻色子。

我们生活中的电磁力，化学反应，弹力，摩擦力，都是因为光子所传递的电磁作用。

原子核中多个带正电的质子、以及不带电的中子们之所以不会分崩离析，都是因为胶子所传递的强相互作用力。强相互作用力在原子核尺度上的强度远远大于质子之间的电磁排斥力。

强力贡献了强子的大部分质量。以强子中的质子为例，组成质子的三个夸克的质量仅占质子质量的大约1%，质子的主要质量其实源于强相互作用能，核反应释放出的能量也是主要来自强相互作用能。

我们日常生活中的物质都是由原子分子组成，也就是靠电磁力连接的，如果我们有朝一日能造出类似三体中水滴的靠强力连接的材料，它将无坚不摧。

而原子核之所以衰变，是因为w和z玻色子传递的弱相互作用力的影响，比如下夸克可以通过所谓β衰变成为上夸克，释放出一个电子和一个中微子，中子也随之就变成了质子。

而在这套体系里有一个最核心的粒子，也就是中间的希格斯玻色子。

在2012年之前，希格斯玻色子只是粒子物理学标准模型所预言的一种粒子。

1964年，希格斯玻色子由以英国的彼得希格斯、比利时的弗朗西斯恩格勒为代表的6位物理学家先后预言。没有它，世间万物便没有质量（结合能的等效质量不包括在此）；没有它，看似完美的标准模型理论便无法与现实相融洽。

我们可以这样粗糙做个比喻，以方便理解希格斯玻色子如何赋予其他粒子质量。

就好比上午十点，北京朝阳大悦城开门营业，里面有不少工作人员。你、我、他作为普通顾客进入商场，不会受到任何人的阻拦打扰，能快速地穿过商场大厅，直奔想去的店铺。

突然，蔡徐坤出现在商场里，那些ikun闻讯全部赶来，将他围个水泄不通。这个要签名、那个要拍照，明星花了半个小时才来到普通人三十秒就能走到的一处店铺。

在这里，ikun的作用就像是希格斯玻色子。普通顾客便是那些没有质量的粒子、比如光子。由于没有希格斯粒子的作用，光子没有质量，从而能飞速运动。

明星就是有质量的粒子，比如质子、中子。由于受到希格斯粒子的影响，被赋予了质量，从而导致行动缓慢。

回到微观世界，科学家怎么才能观察到这些ikun？

对撞机的存在意义，就是通过人为控制撞击粒子，记录之后的反应事例，来研究这个“至快至强”的物理过程。

大型强子对撞机是将强子加速到接近光速，来进行碰撞实验。具体来说，对撞的是强子中的质子。

被加速的质子来自一瓶红色的氢气罐。

通过直线加速器Linac4，氢负离子被加速到160 MeV的能量，然后注入到质子加速助推器（PSB）中。

之后，每个氢离子会被剥离两个电子，只剩下一个质子。

将质子加速到2GeV并注入到质子同步加速器（PS），加速到 26 GeV。接下来，直径为2公里的超级质子同步加速器（SPS）将这些质子的能量进一步提高到 450 GeV，最终注入到LHC的27公里的加速器主环中。

准备对撞的粒子要想加速到足够高的能量，需要在环里飞行约30分钟，期间以接近光速飞行大约2000万圈，如果换成直线加速，长度需要大约4万公里，得绕地球建一圈。

环形相比于直线占地规模更小，但代价是，为了让这些以近乎光速飞行的粒子乖乖听话地绕圈圈，就需要使用磁场极大的电磁铁约束、弯曲粒子运动的路径。

为此，LHC使用了1232个主偶极磁铁，来组成束流管道，每个长15米，重35吨。

配合主偶极磁铁，LHC上还装有数千个从各个方向方向挤压粒子束流，保持粒子束流稳定性、对撞前聚焦的四级磁铁，此外，还有六极、八极和十极磁铁，来查漏补缺。

所有磁铁加起来超过九千个，总重36000吨，磁场高达8.3特斯拉，比@地球磁场强10万多倍，是LHC最复杂的主要部件。

如此高强度的磁场，需要电磁线圈中通过一万多安培的电流。但电流越大发热越严重，为了避免过热，所有磁铁部件都是用低温超导材料铌钛（NbTi）制造的，整个浸泡在120 吨温度只有2.17 K（-270.98℃）的超流体液态氦中在几个星期，是世界上最大的低温系统。

有了低温磁铁让粒子跑圈还不够，为了避免LHC中的粒子束与加速器内的气体分子发生碰撞，管道内还必须保持与太空一样空旷的真空。

LHC的真空管道总长104公里，其中包括长50公里、直径0.3米、真空压力需要降到约10(-6)毫巴的绝缘真空管道，LHC利用真空对磁铁进行隔热，从而维持超导所需的极低温度。隔绝液氦和超导磁体的绝缘真空管道各有25公里。

此外，还有用于对撞粒子加速的两束共54公里长的束流管道。束流管道虽然位于绝缘真空管道内，但它们相互独立。这些束流管道中，有温度保持在零下271.3度的48公里长的弯曲弧段，和温度保持在室温的6公里长的直线段。

在弧段中，超高真空由9000立方米气体的低温抽吸来维持。当束流管被冷却到极低的温度时，气体冷凝并粘附在束流管内壁上。在不到两周的泵送时间里，管内的压力可降至10(-13)个大气压以下。

束流管道内的压力在10(-10)到10(-11)毫巴之间，几乎相当于月球表面的真空程度。

如今，LHC是世界上最大的可操作真空系统。

质子在7公里长的真空管道一圈圈地加速，最终加速到光速的99.9999%，能量达到到6万5千亿电子伏特（6.5TeV），在四个巨大的探测器内的磁场作用下，两束相向飞行的粒子发生碰撞，撞击的能量达到了13万亿电子伏特（13TeV）。

碰撞之后的粒子进入到4个探测器当中，它们的运动轨迹随之被记录下来。

在LHC运行期间，探测器每天都会记录140 TB的粒子对撞数据，几乎相当于每天写一亿本《红楼梦》信息量爆炸。

这些探测器背后，有来自包括中国科学家在内的全世界数千名科学家组成的合作组，合作组成员通过研究解读实验数据，来寻找有关宇宙问题的答案，来满足这个星球上最聪明的那批人超脱于世俗之外的好奇心。

两千多年前，古希腊哲学家亚里士多德认为，物体之所以会落下地面，是因为地球吸引了万物的质量。物体越重，从高处落下的速度也越快。16世纪后期，为了驳斥深入大众人心的上述观点，意大利物理学家伽利略在比萨斜塔上做了个物体下落实验。证明了不论物体重量如何，都会以相同的速度下落。

从人类第一次思考自然界的重力，到完成描述宇宙中四种基本相互作用力的理论框架，历史的车轮已滚过了两千多年。

爱因斯坦之所以推崇麦克斯韦，是因为后者完成了对电力和磁力的统一理论描述。在爱因斯坦的后半生里，继承麦克斯韦的衣钵，统一电磁力和引力成了他最大的执念。

不过，他最终也未能如愿，因为引力在微观尺度上影响实在太小，粒子物理标准模型至今也没有将引力的作用纳入其中。

自上世纪后半叶被逐步完善以来，粒子物理标准模型以近乎完美地表现，解释了与电磁相互作用、弱相互作用以及强相互作用相关的实验现象，它所预言的基本粒子也一一被实验发现。

1995年，标准模型中最后一个夸克——顶夸克，被美国费米实验室的对撞机Tevatron发现；2000年，最后一个中微子，τ中微子同样被Tevatron发现，进入21世纪，只剩下希格斯玻色子了。

建造LHC的最初目标，就是寻找它。为了验证希格斯玻色子的确存在，只有一条路:人工模拟宇宙大爆炸的过程，人为地创造这个被称为“上帝粒子”的粒子。

为了寻找它，人类花了半个世纪的时间，汇集了全世界一百多个国家，超万名物理学家、工程师。为了寻找它，人们耗资百亿美元，建造了大型强子对撞机LHC。

LHC的首次运行始于2009年，靠着每天撞出的海量数据，三年后的2012年，希格斯粒子被确认发现！

2012年7月，CMS和ATLAS两大探测器实验组在CERN大会堂里联合举行了发布会，正式宣布发现了希格斯玻色子！83岁高龄的彼得希格斯和80岁的弗朗西斯恩格勒坐在台下，热泪盈眶。

早在2008年，LHC刚刚建成运行时，就曾遭到一些科学家和学界外人士联合起诉，说什么LHC有可能会制造出黑洞，将地球吞噬，因此要求永久关闭LHC。

CERN为此花了差不多一年的计算论证，终于证明了所谓的“毁灭地球”是无稽之谈，才压下要求关闭的声音。

此后十多年来，在运行与检修间交替往复的大型强子对撞机，一次次撞击着矗立在今天基础科学前面无形的高墙。

尾声

蒸汽机的原型早在公元一世纪就有了，缓慢发展到18世纪初，出现了用来给矿井排水的纽卡门蒸汽机。

而瓦特跟之前这些发明家的区别就在于他在格拉斯哥大学系统地学习过高等数学和牛顿力学，他会根据科学分析和工程计算进行创造发明。

人类对于电和磁的观察和描述可以追述到几千年前，但直到麦克斯韦他提出了将电、磁、光表述为同一种现象的的理论，我们赖以工作、生活、娱乐的一切手机通信、电脑互联、卫星导航，才得以出现。

早在1821年，便有科学家发现了具有半导体特性的材料，但是停留于经验总结，直到进入二十世纪后，量子力学出现，才诞生了专门研究固体物质在原子尺度的特性的固体物理，人类这才拥有了从理论层面解释半导体机理的科学工具。

现代社会离不开各种电子设施。电脑、手机、电子显微镜、核磁共振仪等等工具，它们内部的晶体管、二极管、微芯片、射频系统等构件的设计离不开量子力学的理论支撑。

GPS或者北斗导航靠的是天上的卫星，而为了提供精准的定位导航服务，必须考虑相对论效应的影响。

卫星在地球轨道上的飞行速度约为14000公里每小时，在如此高的速度下，根据狭义相对论的计算，卫星上的时间流逝每天会比地球慢7微妙。7微妙听起来不多，但如果不加修正，定位到地面上的精度可能会扩大到好几公里！

而如果我们真的希望有一天，能够实现飞行汽车，长生不老，星际探索，就必须要发现我们这个世界更深层次的规律，建立起新的理论体系。

于是便有了将量子力学和狭义相对论结合，描述前面所说的那个“至快至强”的世界的理论体系——量子场论。

我想，在那一刻，人类完全有资格说：正是凡人之躯，洞悉宇宙神明。

人类认识宇宙规律的过程就像是在茫茫大海中寻找宝藏。在无边无际的大海上，人的思维智慧成桨，实验化作罗盘。没有思维智慧，人类寸步难行；没有实验手段，人类迷失方向。

LHC就是当下我们探索宇宙规律的那方罗盘。

上帝粒子被发现，但故事并没有结束！因为它只是标准模型的其中一环，但这个宇宙是如此浩瀚，以至于标准模型只解释了其中一小块的内容。

超出标准模型的物理是什么样的？

希格斯粒子的背后是否还有更多秘密？

什么是暗物质？

弦理论能被实验验证吗？

这个宇宙只有三维吗？

更高的维度存在吗？

爱因斯坦寻觅半生的那个梦：统一描述宇宙中的四种基本相互作用力，我们还能实现吗？

这些问题撩动着所有人的心绪。

美国费米实验室的加速器Tevatron是LHC建成前世界上最大的对撞机，顶夸克和τ中微子都是由它发现。截止到2022年，它已经停止运行了十一年，但针对该设施的实验数据还在分析中。

今年4月初，也就是LHC重启前几天，Tevatron的实验人员发布了有关W玻色子（传递弱相互作用的基本粒子）质量的最新分析结果——与标准模型的预言值有显著差别。

实验家激动，理论家兴奋，**因为这或许意味着标准模型的确是一个并不完善的理论，**在它之外，还有更多需要人类认识、书写的东西。当然，Tevatron的结果还需要进一步验证，LHC此时也正好接过了交接棒。

经过三年多的检修升级，开始第三阶段运行的LHC整体性能得到了进一步的提升，后续将达到创纪录的13.6万亿电子伏（13.6 TeV）。ATLAS和CMS 实验将采集的碰撞数据比前两个阶段加起来还多。LHCb实验的数据量有望增加三倍，而研究重离子碰撞的ALICE实验升级最为突出，预计将增加50倍的数据采集量。

暴增的数据将让全球物理学家可以能更为详细地研究希格斯粒子，更为准确地测量W玻色子的质量，将使粒子物理标准模型及其各种扩展模型受到更为严格的测试。

而下一阶段更强大的粒子对撞机也在研究和筹备中，有可能中国人会接过接力棒。

而这一切只为回答两千多年前的古人提出的一串经典的哲学问题：

我是谁？人类从哪里来？宇宙要到哪里去？

如果没有解答这些究极问题，人类只会像蝼蚁般，在没有出口的死胡同面前原地打转，陷入自我怀疑与群体内卷中无法自拔，更无法突破科学发展的隐形墙壁，在危机、纷争与战火中耗尽文明的气数。

现实中，我们可以靠粒子物理标准模型来干什么呢？目前为止谁也不知道！

但故步自封从来都不是我们做事的方式。

从基因的角度来看，大脑不过是为了繁殖后代的工具，却偏偏琢磨出了相对论，量子力学，预言了上帝粒子、黑洞、引力波。

这才是岁月赋予文明的意义。

【参考资料】

[01]https://home.cern/news/news/accelerators/large-hadron-collider-restarts

[02]https://home.cern/about/who-we-are/our-history