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杨振宁极力抵制的对撞机,究竟是干什么的?(图)

京港台:2020-1-5 02:04| 来源:科技在线 | 评论( 23 )  | 我来说几句


杨振宁极力抵制的对撞机,究竟是干什么的?(图)

来源:倍可亲(backchina.com)

  对撞机的实质就是一台粒子加速器,作用就是用来加速粒子运动速度,用的就是电和磁场,将碰撞的粒子加速和集束,然后碰撞。

  编者按:12月初,一篇名为《杨振宁的最后一战》的文章,刷爆朋友圈,文章解读了耗费巨资打造的对撞机所面临的争议。12月底,本文作者再发文章《美国为何不建对撞机》,同样引起了外界的关注。

  作为高能物理研究领域的前沿项目,对撞机始终给人一种神秘莫测的感觉。为此,腾讯新闻联合知乎发起系列策划,回答有关对撞机的一切问题。

  关于在中国建与不建对撞机的问题,网上已唾沫四溅,而对撞机究竟有什么作用?其工作原理、研究对象、发展方向等等是什么?对于大多数人来说,这是一脸的懵懂。

  而关于这方面的科普也很少,原因是科普还真有点困难,因为:说深了、说多了,大多数普通人还是不懂,若加入数学公式来说明,会让人更难懂。说浅了,马上会被人指责你不懂装懂,如果你不插入几个数学公式解说,会被人骂成民科和胡说八道。

  

  瑞士的欧洲对撞机

  思来想去,我觉得还是很有必要做回地道的民科,解读一下对撞机,尽量让大多数人能懂,让更多的人能理解。下了这决心,我就用最简朴的语言来说说。

  对撞机是用来做什么的呢?

  原来,科学家们想知道原子核的秘密,到底是由那些更小的粒子构成,又是如何组合的?为此而大动脑筋。

  原子实在太小了,没有太多观察、测量和拆分的方法,最好的办法就是将质子或电子,这些比原子小一点的粒子的亚原子,称为强子,把强子放在加速器里加速,通过碰撞,把这些粒子碰碎。

  碰碎了,就容易去研究这些被碰碎的小粒子结构和属性,再通过识别、计算、分析和设想,形成一种理论,还原粒子的结构、组合方式和组合力,建立粒子的实际模型。

  对撞机的实质就是一台粒子加速器,作用就是用来加速粒子运动速度,用的就是电和磁场,将碰撞的粒子加速和集束,然后碰撞。

  最开始的时候是加速一个粒子去碰撞固定的粒子,叫靶射。

  后来,发现这种碰撞力度和效果不大,就把要碰撞的两个或多个粒子同时加速,实现对碰,这就是对撞机之名的由来。

  对撞机加速粒子需要很大的能量,所以,对于这一方面的物理研究,就被称为高能物理。

  对撞机兴起于上世纪的50年代,最先用于电子对撞,最早对撞机在1961年开始了运行,我国80年代的北京正负电子对撞机在那时是很先进的。

  随着技术的发展和要求的提高,开发了质子对撞机,利用质子对撞,效果更好,可以更容易的发现新粒子和分析碰碎的粒子。

  但是强子对撞机因为高速、高能、强磁工作环境, 其加速系统、冷却系统、探测系统、封闭系统和数据处理系统非常复杂,要求越来越高,造价也越来越昂贵,运行和维护的成本急剧上升。

  同时,对撞机高能封闭的运行环境,非常容易出故障,维修成本和技术要求也越来越高,而且安全要求特高,需要高度严谨。

  还有,对撞机碰撞,并不是象两辆汽车加速碰撞,碰成一地碎零件这样简单,对撞机在碰撞过程中,碰碎后的小粒子都是不稳定的粒子,绝大部分转瞬即逝,极难观察、记录和描述,更不用说捕捉和存留。

  同时,在碰撞前后,还会产生许多新的粒子,新的粒子绝大部分也是不稳定的,会一瞬间就消失,总之,等碰完后,残留的粒子都是自然界里常规稳定粒子或半衰期不稳定粒子,这对研究毫无意义。

  而且,每一次碰撞后的情形和记录的结果是不相同的,每一次碰撞,碰碎的粒子和新形成的粒子也是不相同的,重复实验并不一定是上次实验的结果,这样,每一次碰撞的观察、记录、区别和分析变得非常艰难和复杂,很难有可比性和对照性。

  如此一来,对于碎解的粒子研究,更多是瞬间观察、记录和后期的数据处理、辨别和分析,因此,要求现场实验的研究人员,数量要多、能力要强、素质要高、经验要丰富。

  这种高烧钱、高技术、高人才要求的对撞机实验,对于任何一个国家的实力都是一种考验和挑战。美国在里根时期批准了备受争议的强子对撞机计划,在投资近30亿美元后,因为后期预算太大,到了克林顿时期被否决而废弃,这就是杨振宁说的美国的痛苦经历。

  为了继续科学研究,在美国的撮合下,由近40个国家合作投资近百亿美金,也包括中国在内,在瑞士修建了世界最大的强子对撞机,作为世界公益的科研项目,选址瑞士,因为瑞士是一个永久性的中立国。

  瑞士对撞机以科学成果共享、资金比例分摊、科研人员由各国人员共同参与的原则运行,我国有60多名科研人员参与,这里集合了全世界2000多名顶尖科学家和数千名技术和工作人员。

  瑞士对撞机子自2008年运行以来,发现了“希格斯玻色子”,即“上帝之子”而闻名,后期再无成果,特别是频繁故障,多次暂停维修,断则数月,长则数年,显然,其运行的能力已不能满足现在的研究要求。

  

  二、建造大型强子对撞机的目的

  鉴于上面分析,有科学家要求修造更大、碰撞更猛的大型强子对撞机,主要目的有两个:

  1、进一步证实“上帝之子”。

  有人认为瑞士对撞机发现的“上帝之子” 不足以证明,还需要进一步寻找和研究。

  2、要寻找“超对称粒子”。

  这粒子来自物理学的一种假说理论叫弦理论,这个理论通过超级复杂计算,预言猜想还存在一种粒子,叫“超对称粒子”, 这就是杨振宁教授提到的猜想中的猜想粒子。

  为什么要找到这两种粒子?找到有什么作用?

  高能物理通过对撞机60多年的实验,建立了一个粒子模型,这是一个预设的标准模型,即通过一系列的假设和参数设想而成,虽然经过很多次的实验检测基本符合。

  

  标准模型

  但是,标准模型依然存在很多的缺陷,譬如过分依赖太多参数;质量起源和质量缺失问题;组合力不能完整统一等等。

  如果找到这两种粒子,可以完善这个所谓的标准模型,这就是目的。

  当然,还有人试图把这个标准模型放大到天上,力图证明大爆炸理论和暗物质起源,这当然是大理想主义而已。

  科学家们对物理理论追求和完美,对终极统一理论的情结,要求新建更多更好的强子对撞机,那么新建的对撞机的跑道要更长、能量要更大、对粒子加速要更快。

  这种高投入、低回报的大型世界性的公益性科学项目,请求发出后,响应者寥寥无几,尤其是出大头投资的欧洲和美国,一声不响,而我国部分科学家有意接收这个项目,并游说国内和世界支持,但杨振宁教授却旗帜鲜明的表示反对。

  

  三、杨振宁反对理由总结

  反对理由归纳为几点:

  1、烧钱。建造成本巨大、运行维护成本是无底洞、安全成本高昂。

  2、实验中的技术和科研人才,任何单一国家都不可能充任,必须依靠世界性的科研和技术合作。

  3、这是世界性的基础理论研究,成果是共享的,公开的,而实际应用却是长远无期的。

  4、目前粒子理论不成熟,高能物理处于低谷期,去验证猜想粒子是极高风险研究。

  5、中国应该把钱更多的投入应用性和技术性领域,这种有知识产权性、时效快的研究领域。

  还有,杨振宁说,对于粒子物理的研究,到了今天,不是完全依赖于强子对撞机的作用,有了更多的选择。应当把多年对撞机的实验报告,做更多的分析论证,找到新的理论突破。

  为此,有很多的新理论不断涌现,意在解释现有的实验成果和预言新的理论,并寻求验证。

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