专门制造“天雷地火大碰车”的对撞机为啥要越造越大？

9月4日和5日，网络上掀起一场关于中国是否应该建造大对撞机的争论，丘成桐和高能物理学家王贻芳发文力挺大对撞机，而杨振宁和评论家王孟源则明确反对。为什么对撞机越建越大？高能物理学家期待的大对撞机又能做些什么？

对撞两粒橙子籽儿，不那么容易

你真正感兴趣的是两粒橙子的籽儿能撞出来什么，但你得用两个橙子去撞，结果是汁液四溅，碎屑横飞，乱七八糟啥也看不清。

对撞机，顾名思义，专门制造“天雷地火大碰车”。两辆大货车全速撞在一起必然是火星四溅零件儿乱飞。科学家驱赶基本粒子使之迎面对撞，能量比大货车还高得多。科学家制造车祸现场，越惨烈他们越高兴——残片甩出来，趁机测一测有什么新奇的零件儿没有。

之所以基本粒子能够具备比大货车还高的能量，是人们“加速”出来的，所以对撞机也叫加速器。运动的粒子带电荷，人类可以用强大的电磁场(为此得研发先进的超导技术)让它们改变速度，跑得更快。就好像一匹马被放进跑道，有个驯马员不停抽它，就越跑越快。反方向的两束粒子，最终迎面碰头撞出世间万象。

当初欧洲的大型强子对撞机(LHC)还没运行的时候，有传言说它弄不好会撞出一个黑洞来毁灭地球。这说法也不是没边儿没沿儿，因为巨型对撞机的确志在制造出媲美宇宙大爆炸的能量密度。

为了用电磁场加速，对撞机用的都是有电荷的粒子：质子和反质子，电子和反电子。如果要用质子，用强电场加在氢气上，质子和电子就剥开了。如果要用电子，则是利用电子管的原理：加热一些材料，让电子跑出来。而反质子和反电子的获取就麻烦一点，可能要用到激光。这些粒子被制造出来后，会在一个磁场圈儿里慢慢跑着，等要撞了，再放进“赛道”。

对撞机原理虽然简单，但想要监测撞出的粒子却很麻烦。有个物理学家比喻说：你真正感兴趣的是两粒橙子的籽儿能撞出来什么，但你得用两个橙子去撞，于是汁液四溅，果肉果皮的碎屑横飞，乱七八糟啥也看不清。

所以LHC这样的大家伙，成为了史上生产最多数据的机器。绝大多数数据是无用的，找出精华就像稻草堆里找银针。

超越一个大获成功的模型，路在何方？

为了超越标准模型，一些学者把目光转向和弦理论有紧密联系的超对称粒子，希望建造更大的对撞机，实现更高能量的碰撞。

目前最成功地描述微观世界秩序的，就是“标准模型”了。自然界有四种基本力，强力、弱力、电磁力和引力。格拉肖1961年提出了弱力和电磁力统一的模型；1967年，温伯格和萨拉姆在格拉肖模型的基础上，借鉴希格斯的方法，提出了弱电统一规范理论；他们几位也是标准模型的奠基人。

标准模型描述了电磁、强作用、弱作用相关所有现象，也给组成物质的基本粒子分了类，将粒子分成费米子和玻色子。费米子是组成物质的，包括电子、夸克和中微子等等，玻色子则传递力，包括光子、介子和胶子等等。

当希格斯粒子被LHC发现后，标准模型预言的61个粒子都被证实了。而甚至在希格斯粒子被发现之前，已经没人挑战这个极为符合现实的理论框架了。然而，物理学家仍然觉得有缺憾。因为标准模型中没有引力的位置，它不是描述万事万物的“大统一理论”。标准模型也不能解释暗物质，它不能解释我们观察的宇宙中的物质和反物质为何不对等，它也不能解释宇宙为什么暴胀。

为了超越标准模型，高能物理界的希望之星是弦理论。丘成桐和威滕等数学界菲尔兹奖的获得者，都对弦理论做过贡献。弦理论把各种粒子看作是弦的表现形式，这种理论看起来是一种包罗万象的、有潜力的更高框架。但目前弦理论还没有做出具体的预测，不能被实验证实或证伪，因此它想成为相对论、量子力学一样的成功理论还需时日。而弦理论与被广为接受的物理学相同的是，它在数学上别具魅力，不论它是否描述我们身处的宇宙。目前，弦理论的大本营是在高能物理的传统中心美国。

理论的曙光一般来自实验，很多高能物理学家希望建造更大的对撞机，实现更高能量的碰撞。其中一些学者就瞩目于标准模型之外的超对称粒子，这种超对称粒子和弦理论有相当紧密的联系。

美国费米实验室的Tevatron粒子加速器曾被寄予希望，但这台2TeV能量的机器并未发现超对称粒子；能量高出一个数量级的LHC，目前也没有找到超对称粒子存在的证据。

大对撞机因为耗资巨大，在任何地方开建都会引起财政争论。目前中、日两个项目都还在研究筹备中。ILC升级版似乎颇有希望通过，但也需要海量投钱，前途未卜。

对撞机大概分两种：一种用电子去对撞，优点是电子结构简单个头儿小，撞出来碎片儿比较少，方便科学家看清楚，缺点是它喜欢一边儿跑一边儿辐射能量，老泄气儿跑不快；另一种质子对撞机，长处和短处与电子对撞机相反。美国费米研究室还提出一种想法，用μ子去撞，但大量制造μ子有困难，现在还没实现。

目前，欧洲核子研究组织正探讨升级LHC的超导磁体，将LHC的能量上限从14TeV提至20TeV。但高能物理学家已将目光投在LHC之后：一个方案是日本的国际直线对撞机(ILC)，另一个是中国的环形正负电子对撞机(CEPC)以及预想中的质子对撞机(SPPC)。

目前两个项目都还在研究筹备中。升级ILC似乎颇有希望通过。当然它也需要海量投钱，前途未卜。日本将在今年做出决定。如果要建，2030年开始运行。预算是100亿美元。根据设计，正负电子沿着31公里长的直线通道对撞(LHC则是在27公里的环形通道内用质子对撞)。

中国提出的方案，是在50—100公里的地下环形通道内建造正负电子对撞机。正负电子对撞机只有0.24—0.35TeV，但如果用它的隧道来增建质子对撞机，能建成比LHC高一个数量级的大对撞机。这台质子对撞机的预算应该不亚于ILC。

高能物理学家想依靠下一代对撞机首先解决希格斯粒子的谜团，比如LHC测出的希格斯子的质量为何如此小？作为标准模型的基础，希格斯子的质量本来被算得相当大。这也成为突破标准模型发现新物理的一个方向。

大对撞机因为耗资巨大，在任何地方开建都会引起财政争论，美国甚至在1993年将已经投资20亿美元的大对撞机拉下马来。目前，日本和中国的方案悬而未决，其前途必然要考虑LHC还能有哪些重要成果，以及对高能物理学前景的判断了。

（本文原题为《对撞机为何 越来越“高大上”？》