03何去何从:大型对撞机
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物理学的最高教义是“统一”,认为所有规律最终都是相通的,而目前却有四种基本的相互作用关系,把物理学分成了4大块:


1.引力:万事万物只要有质量就有引力,这叫“万有引力”。
2.电磁力:就是电和磁那些东西,还有,化学反应的本质就是电子换来换去,这也是电磁力。
3.强力:比如把质子拧在一起形成原子核的这种力,按理说带正电的质子靠这么近,排斥力是无穷大的。强力是物理学中比较难的领域,相关的研究非常浅层。
4.弱力:比如放射性衰变这些,平时接触的比较少。


还有可能存在人类尚未发现的其他作用关系,先不管了。前沿物理学就是为了撮合这四个力,谁要能把这四大力统一了,那就是比肩牛顿和爱因斯坦的存在,更重要的是,物理学的新一轮爆发,会对人类科技产生巨大的推动作用,科幻电影的场景指日可待。此等份量,多少物理学家为之前仆后继!


那么目前这个活干的怎么样了?这个话题就又得从量子力学和相对论说起。


话说当年,牛顿领着众人盖了一座经典物理学大厦,最后麦克斯韦把电学和磁学一并摁下,做了个完美的收官,将所有理论归于一统,把物理学大厦收拾的规规整整。至此,物理学家的活就算干完了。


当时的物理学是怎样一副景象呢?还记得普朗克吗,就是量子力学里第一个提出能量是一段一段的那位,算得上是量子力学的创始元老之一。这哥们儿年轻的时候立志要投身物理,他导师说:“年轻人,物理学已经是一门完成了的科学,不会再有多大的发展,将一生献给这门学科,太可惜了。”后来人算不如天算,爱因斯坦一众人借着“两朵乌云”把物理学大厦推倒了,随后出现了两条岔路:量子力学和相对论,这就是“现代物理学”的起点。现代物理学这个概念区别于经典物理学。


所以,后人称:一牛二爱三麦,也就是牛顿、爱因斯坦、麦克斯韦。这三位是在物理学史上是封了神的,头三把交椅无人撼动。


小爱那帮人拆了老大楼后,物理学就换了个光景。


往这边看,量子力学碎成一地,只能在废墟上捡些砖砖瓦瓦(其中最大的一块砖就是“薛定谔方程”),但如何用这些砖瓦重建大厦却是毫无头绪。


往那边看,在相对论的路上,只有爱因斯坦独自徘徊,不但成果寥寥无几,而且与量子力学渐行渐远,仿佛就不是同一个世界的!


物理学被折腾到这般田地,着实让人心痛,那总得找个念想吧!于是,物理学开始流传一个传说,只要统一了“四大基本力”,就能重建物理学大厦。


江湖风云再起,量子力学和相对论两大帮派,开始跑马圈地。


毕竟量子帮人马众多,很快就混得风生水起,把电磁力,强力,弱力,三大力收入麾下。


光杆司令爱因斯坦的相对论就捞了个引力,这风云突变的江湖,有个关键人物:对撞机。


量子帮常年在微观领域混,自然是拿粒子开刀,遂设一分舵:粒子物理学,又叫高能物理学。简单点说,就是为了弄明白粒子到底是什么玩意儿。(这里给小学朋友打个补丁:粒子就是电子、质子、介子、夸克、中微子等等等等所有这些小玩意儿的统称,目前已发现几百种粒子。)


好,那粒子就粒子呗,为啥叫高能?在微观领域,“看”这个词是没有意义的,你想想,可见光的波长是几百纳米,而原子的大小是0.1个纳米,可见光照过去根本就不存在反光,你怎么看得见呢?这里打个岔,说某某原子是某某颜色,这就是一个伪命题,几十纳米以下的东西是不存在颜色这个概念的。


研究微观粒子,主要就一个手段:撞!狠狠地撞!这需要很高的能量,“高能”这名就这么来的。


白话文翻译翻译。如果想研究汽车,吃瓜群众的做法是,拆开,看,看到变速箱就说明有变速箱,看到发动机就说明有发动机,看到方向盘就说明有方向盘。而在高能物理学家这里是没有看这回事情的,他们的做法是,加速两辆汽车,让它们对撞,如果飞出个轮子,就认为汽车含有轮子,飞出个方向盘,就认为汽车含有方向盘。然后,飞不出更多东西了,就提高汽车速度,再撞,结果又飞出个发动机,就认为汽车含有发动机。


起初大家撞的很开心,只要撞出一个新粒子,妥妥一个诺贝尔奖。但是很快就撞不出新东西了,怎么办?高能物理学家说,当然是再加快速度啊,把汽车加速到接近光速,说不定能撞出油漆呢。于是就需要大型,不对,是“超大型对撞机”。这需要烧大把大把的钱。


这钱到底该不该烧?这个话题隔三差五就会火一阵。咱们先不要着急,看看这里到底怎么回事。


物理学家根据两大帮规,提出形形色色的粒子模型。有人认为汽车是地上跑的,那么他就期待撞出个轮子,别撞出机翼;有人认为汽车是电驱动的,那么他就期待撞出个电池,别撞出油箱……当然这涉及异常复杂的数学和逻辑,不是天马行空的臆想。其中的巅峰人物便是:杨振宁。


老杨可是个大牛人,有多牛呢。非阿贝尔规范场理论、宇称不守恒定律、杨-巴克斯特方程……这些,我等凡人就别看了。诺贝尔奖的份量也还是不够说明问题,在物理学历史上,有那么几号人,如果没得诺贝尔奖,那不是他们的遗憾,而是诺贝尔奖的遗憾。老杨够得上这个级别。


这么说吧,老杨带领量子帮建立了标准粒子模型,统一了三大作用力,在物理史上,老杨可以说是“坐五望四”的存在!


面对“粒子是个什么玩意儿”这个近乎哲学的问题,老杨几乎交了一份标准答案!简单来说:费米子是组成物质的粒子,玻色子负责传递各种作用力。比如电子、中微子等等这些就属于费米子,相当于构成物质的原材料;玻色子负责传递相互作用,比如负责传递电磁力的光子,负责传递强核力的胶子,等等。这套模型统一了四大力当中的强力、弱力、电磁力三大力,唯独缺了引力。


白话文的意思:老杨说,汽车是由轮子、发动机、车门、变速箱等等组成的,然后通过电路相互联系。然后,众人纷纷沿着老杨的套路往下走,找到了轮子,得诺贝尔奖。找到了车门,得诺贝尔奖。老杨们都很开心,诺贝尔奖拿到手软。




同时交卷的,还有隔壁老王们,他们觉得老杨们太敷衍,光折腾“粒子是个什么玩意儿”太没劲,于是就挑了个更高级的命题:“宇宙是个什么玩意儿”。然后在答卷上洋洋洒洒写下四个大字:“超弦理论”。简单描述一下这个理论,分子是原子构成的,地球上有一百多种原子,再进一步细分,这些原子由质子、中子、电子构成的,超弦理论认为,这还不够彻底,还能再进一步细分,所有的粒子,本质上都是由一小段一小段的能量弦构成的。


也就是说,老杨的粒子模型认为,宇宙万物是由形形色色,多种多样的粒子组成的,老王的超弦理论认为,宇宙万物最终都是由一种能量弦构成的。不过这扯蛋的理论至少需要十维才能自圆其说,比如,引力之所以不像电磁波会被屏蔽,是因为引力子走的是更高的维度,这样四大力就统一了。


超弦理论数学无比漂亮,结构无比完美,个中代表便是美籍华人数学家丘成桐(就是呼吁烧钱那位)。尽管超弦理论是数学家为物理学家准备的完美情人,不过……证据一个没有!目前只是个猜想。为了找到这个完美情人,需要对撞机撞出个“超对称粒子”,帮助超弦理论从单纯的数学模型变成实质的物理定律。


老王们说,无论车门还是发动机,汽车本质上全是由铁组成的,只要速度再提高就能把一切都撞成铁片。


高能物理的阅卷老师就是“大型对撞机”。粒子通常带电,所以用电场加速,用磁场控制方向,但粒子对撞并不是手枪对射那么轻松,过程中需要对粒子流进行操作。想要存放接近光速的粒子,只能让它们绕圈,不然你就是把管道修到月球上,也放不了2秒钟。所以对撞机一般都由直线加速部分和存储环或加速环组成。


要让近光速的粒子拐弯,你想想,得多大的磁场?速度越快,拐弯越难,所以圈也就越大。这个圈的大小是衡量对撞机水平的一个重要指标。



当对撞机能量为10亿ev时,撞出了轮子,验证了老杨的理论;没撞出铁皮,无法验证老王们的理论。老王们说,再造一台十倍能量的对撞机,超弦理论就能验证。


当对撞机能量为100亿ev时,撞出了变速箱,验证了老杨的理论;没撞出铁片,无法验证老王们的理论。老王们说,再造一台十倍能量的对撞机,超弦理论就能验证。

……

然后,一直造到了10万亿ev,撞出一堆反光镜、挡风玻璃、刹车油门什么的,依然只验证了老杨的理论,依然无法验证老王们的理论。老王们说,再造超超超大型对撞机。


于是争论就来了。


对撞机撞了这么多年,把老杨的理论越撞越稳固,而根据老杨的理论,再撞下去意义也不大了。于是老杨就跳出来说,老王们别折腾了,真理在我这儿,你们赶紧想别的辙吧!


老王们想,连几百年的牛逼顿大楼都能被捣毁,老杨的理论才撞了几十年,算哪根葱!于是,吵着还要撞,下一把只烧1000亿。


反对者就起哄:你们这套路不行啊!估计50年都没戏!钱都被你们烧了!我们烧什么!


支持者也起哄:你行你上啊!没有新套路就按老套路办!


吃瓜群众:这个人品有问题,那个吃相太难看,这个出身有问题,那个血统不纯正……烧也行,呃,不烧也行……反正我就是知道。


造一个对撞机真的有这么难吗?那就看看别人家玩的怎么样


80年代末,美国计划用40亿美刀烧一个“超导超级对撞机”(SSC),这是怎样一个怪胎呢?单就说说那个环的大小吧!


第一段环形低速加速器600米,第二段中能助推器10.8公里,第三段高能助推器10.8公里,最后一段是87.1公里的对撞环。这台设备几乎就是绕着城市建的。


首先沿着城市外围挖了一条隧道。然后,加速器的超导管道就沿着这些隧道放,5年烧了20亿美金,才完成了20%的工程,于是,大笔一挥,预算增加到83亿,这可是八九十年代的83亿啊。刚上台的克林顿吓得差点没尿裤子,直接砍了项目,20亿打个水漂,然后去忽悠欧萌烧,“萌萌,你烧一个吧,等你烧好了,我家老王们过来帮你一起撞。”


欧洲作为西方文明的发源地,历来比美国憨厚的多,于是拍下80亿美刀要烧“大型强子对撞机”(LHC),勤勤恳恳烧了14年,这种长时间的项目不超预算是不可能的,最后烧了个天文数字。2008年正式启动测试。


LHC有个27公里长的圆形隧道,位于地下100米,貌似是人类造过的最大装置了,就为了加速最小的粒子。这个颇具浪漫主义色彩,人类造的最大设备居然是为了加速最小的粒子。


粒子在管道里加速,然后相撞,物理学家一直期待能撞出超弦理论最主要的假设:超对称粒子,以验证超弦理论。


LHC可以把相撞粒子加速到光速的99.9999991%!这已经非常接近光速了。20151215日,欧洲原子能研究机构宣布:不出意外,一个超对称粒子都没找到的。你想想那么快的速度都没有撞出新东西,物理学家该有多绝望。这一撞,有人称之为“高能物理的绝唱”。


尽管超对称理论的原始参数空间已经有99.99%被否决了,老王们依然不甘心,为了这剩下0.001%的可能,还得再烧1000亿。当然,无论再烧多少钱,都不可能把这剩下的0.001%消灭干净,还会有0.0001%0.00001%……


如今地主家没余粮了,于是老王们希望中国能接着烧。




欧洲LHC花费巨资,消耗无数人才,撞到现在最大的成就就是撞了个“希格斯玻色子”,俗称上帝粒子,它解释了质量的来源,更加完善了老杨的粒子模型。其他成就乏善可陈,大家都觉得有些不好意思,于是给了个诺贝尔安慰奖。


虽然老杨的模型不完美,压根没考虑引力,却非常实用,而完美的超弦理论依然是水中花镜中月。


这里得明白,完美的数学模型不一定就是真理。当年牛顿的数学模型也很完美,为了让牛爷的理论放之宇宙皆准,后来大伙搞了个“以太理论”,和绝对时空观,结果都是一场空。



那么接下来怎么办呢?大型对撞机,到底要不要造呢?


各位,快歇歇吧!连中微子都不认识,却在操心要不要造大型对撞机。通常来说,这种不涉及民生的行业问题,都是行业内部解决,外行别跟着瞎起哄,增加无谓的政治压力。


但是为了过把瘾,我就代表吃瓜群众小小起个哄吧。


对撞机是否是唯一出路?在前沿物理,人类那点知识比古人好不了多少,谁也不知道!所以,大型对撞机就成了人类文明的一场豪赌!下一轮赌注:1000亿,胜率:0.001%,收益:科技大爆发。


基础科学有个头疼的事情,一则与创造财富非常遥远,二则不存在产权保护(比如我发现地球是圆的,这个产权怎么保护?),几乎就是一个纯烧钱的活动。如今,应用技术虽在井喷,但基础科学举步维艰,可能是真的遇到瓶颈,也可能是各国长期投入不足导致的。


换个角度看,18世纪世界科学中心在英国,19世纪世界科学中心在德国,20世纪世界科学中心在美国,21世纪你要不要争取一下?当前全球经济一片哀嚎,政治环境焦头烂额,中国兴建大量的硬件设施(如贵州“天眼”已投入运行,空间站也陆续发射),再加上稳定的政治环境,必然会引起各国科学家来华工作,促进科学中心的转移。如果综合这些因素考虑,中国人为基础科学花点钱,未尝不可。想想美国老大哥,不光是潜艇航母核导弹,基础科学的大旗也得抗起来。


回到实际操作上,1000亿走正常的预算流程,肯定会挤压其他科研经费,这对整体的科研环境是非常不利的。若是非要赌一把,必须得是赚外快的钱,比如:


把湾湾收了,对方每年上百亿美刀的军费不用上供美帝,一年就可赌一把。


把足球彩票改成“对撞机彩票”,一年就可赌四把,成果保证不会比足球差。 


各位吃瓜群众,你有没有搞钱的好路子呢!


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