对撞实验为什么是智子的眼中钉？ | 袁岚峰_风闻

■ 导言

智子只要对LHC的对撞数据施加一点干扰，就足以让我们永远找不到希格斯粒子了！现在，你明白智子的计划了吗？智子：这是计划的一部分。

******■******本文为《看三体，要多想》系列之（二），系列（一）见：（纳米丝切巨轮，技术上现实吗？| 袁岚峰）。

大家好，我是科技袁人袁岚峰。正如章北海父亲的格言“要多想”，今天我们来讨论第二个“多想”。《三体》动画片第二集中丁仪在太空对撞机实验被智子扰乱后，对萨伊主席说：“人类科学已经宣告死亡。”那么问题来了：三体为了锁死地球的科技，为什么要干扰我们的粒子对撞实验？

人类科学已经宣告死亡

回答是：了解物质微观结构的基本途径之一，就是对撞。

例如大家在中学学过的原子核的概念，就来自对撞实验。在约瑟夫·约翰·汤姆逊（Joseph John Thomson，1856 - 1940）最初发现电子的时候，他提出的原子模型是所谓葡萄干布丁模型，即认为正电荷均匀分布，电子镶嵌在其中，就像几个葡萄干镶嵌在布丁里。

葡萄干布丁原子模型

这个模型为什么被抛弃？是因为1909年卢瑟福研究组做了一个实验，用α粒子轰击只有几个原子厚的金箔。如果原子中的正电荷真的是均匀分布的，α粒子就会轻松穿过金箔。

这就好像动画片第一集中，罗辑教授讲社会学课时，让学生模拟对撞实验，朝一张纸扔一支笔，结果“噗”的一声穿了过去。在哄堂大笑之余，他们还总结出一条所谓科学规律：每当向纸投笔，都会发出“噗”的一声。

罗辑课堂实验

然而，卢瑟福的实验结果却不是这样简单。他们发现，大部分α粒子确实径直穿过了金箔，然而有1/8000的α粒子却发生了很大的偏折，超过90度，甚至有些反弹了回来！就像笔被纸反弹回来一样惊人。不，还要更惊人，卢瑟福当年的描述是：就好像你向一张纸发射一颗炮弹，结果炮弹被弹了回来！

卢瑟福实验

这说明原子内正电荷的分布是非常不均匀的，所有的正电荷与大部分质量都集中在一个很小的原子核上。根据实验数据，可以分析出原子核的半径只有10的-15次方米的量级，比原子半径还小10万倍。假如把原子比作一个足球场，那么原子核比足球还要小得多。

50多年前，对撞实验又告诉我们一个知识：质子和中子并不是基本粒子。人们曾经认为它们是基本粒子，但对撞实验表明它们有内部结构，所以不是基本粒子。现在人们认为，质子和中子都是由三个夸克（quark）组成的，夸克才是基本粒子。

夸克

而另外一边，电子现在仍然被认为是基本粒子。这是因为人们几十年来对电子做了大量的对撞实验，至今也没有把它“裂开”，即没有发现任何它有内部结构的证据。

还有一个更近的知识，近到仅仅十年前才发现的，就是鼎鼎大名的“上帝粒子”（god particle），即希格斯粒子（Higgs boson）。在当前粒子物理学的标准理论即所谓标准模型中，所有的基本粒子最初都是没有质量的。这就引出了一个严重的问题：质量是怎么来的？1964年，三组理论家各自独立地提出了一种解释，现在叫做希格斯机制（Higgs mechanism）。这个理论认为存在一种希格斯粒子，普通粒子通过跟它的相互作用获得了质量。好比一个名人走进一个会场，会场中的人纷纷起来跟他握手、合影或者要签名，名人原本走得很快，由于要跟这么多人相互作用，就走得慢了，这就好比获得了质量。

基本粒子通过希格斯场获得质量（摘自中国科学技术大学赵政国院士在2022年7月4日希格斯粒子发现十周年直播上的报告）

这个理论很巧妙，但直到2012年，在当时全世界最大的加速器“大型强子对撞机”（Large Hadron Collider，简称LHC）上收集了大量的实验数据，才确认了希格斯粒子的存在（揭秘基本粒子质量起源——赵政国院士等大咖讲述希格斯粒子背后的故事 | 中科院科学传播研究中心）。

2012年7月4日宣告发现希格斯粒子（摘自中国科学技术大学赵政国院士在2022年7月4日希格斯粒子发现十周年直播上的报告）

实验证据其实就是基于大量事件的统计，发现在某个能量上鼓起一个峰，说明那里存在一种粒子。

试试看你能亲自发现希格斯玻色子吗？（摘自中国科学技术大学杨洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子发现十周年直播上的报告）

探测希格斯粒子的难度，好比从稻草堆里找到一根金针。如果没有40多个国家、180多个大学和研究所、上万名科学家和工程技术人员二十余年的协同奋斗，竭尽全力搜集到上万亿个事件和提高信噪比，这种超级精细的发现是完全不可能的。

大型强子对撞机上的ATLAS探测器（摘自中国科学技术大学赵政国院士在2022年7月4日希格斯粒子发现十周年直播上的报告）

从稻草堆里找一根金针（摘自中国科学技术大学杨洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子发现十周年直播上的报告）

**从这些例子可以看出，对物质微观结构的理解越来越依赖于对撞实验的精度。智子只要对LHC的对撞数据施加一点干扰，就足以让我们永远找不到希格斯粒子了！**现在，你明白智子的计划了吗？智子：这是计划的一部分。

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