高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚? (

infinetely
∞∞∞∞∞∞∞∞ 2019-12-22 字数 11319

今年4月份,杨振宁先生在中国科学院大学“明德讲堂”演讲时,这位97岁的物理学大咖

再一次明确的反对了未来利用大对撞机进行物理研究,甚至是高能物理学的前景。

“The party is over.”

“盛宴已过。”杨先生说。

然而,杨先生口中的高能物理学的“盛宴”,是否真的已过了呢?而什么是“高能物理

学”,什么又是高能物理学家们心心念念的对撞机呢?

高能物理学在研究什么?什么是对撞机?

在二十世纪之前,人类对于世界的运行规律的认知几乎都只停留在宏观物体和现象上。

然而在十九世纪最后的几年,从伦琴发现了X射线,J. J. 汤姆孙发现电子,卢瑟福发现

了α射线和β射线等实验开始,物理学家们开始专注于微观世界的物理现象。特别是二

十世纪二十年代,量子力学的建立之后,物理学家们逐渐意识到,在微观的尺度上,存

在着一个跟宏观很不一样的世界。这个世界的尺度如此之小,以至于物理学界们不得不

借助一些特殊的实验仪器来观测其中的现象。

早期的粒子物理学研究仪器的作用通常是将微观尺度的现象放大至宏观尺度,然后再进

行观测。这时期一个重要的实验仪器就是威尔逊发明的云室。云室是一种充满了过饱和

蒸汽的密封空间,当微观带电粒子穿过云室时,粒子会与云室内的混合物相互作用,将

其中的一些原子电离,而电离后的离子会成为云室内的过饱和蒸汽的凝结核,从而在微

观带电粒子运行的轨迹周围形成雾气,进而可以被肉眼观测到。早期的粒子物理的研究

目标通常都是些天然放射源以及宇宙线。1932年,安德森就是在云室中第一次发现了来

自宇宙线的正电子。

笔者拍摄的位于欧洲核子研究中心(CERN)Microcosm展览厅中的云室。云室中充满了过

饱和蒸汽,并显现了数条微观粒子的运动径迹。这些微观粒子来自于土壤,岩石,水,

空气等的自然辐射,以及宇宙中的宇宙线。这些径迹的粗细长短可以用来区分不同的微

观粒子。

安德森观测到的正电子在云室中留下的轨迹的照片。正电子从下往上运动,在磁场中穿

过一层薄薄的铅板之后,改变了轨迹弯曲的曲率。轨迹弯曲的方向表明,正电子与正常

电子所带的电荷相反。(图片来源:Physical Review 43 (6): 491–494)

当年对天然放射源以及宇宙线的研究虽然可行,并且得出了很多重要的成果,但通常来

说这一类研究的目标都不怎么可控,粒子物理学家等到一个完美的宇宙线的事件通常要

有一些运气,基本属于“靠天吃饭”。在二十世纪三十年代前后,为了更好的控制观测

对象,一个更加强大的粒子物理的研究工具被发明了出来,它就是劳伦斯发明的回旋粒

子加速器。回旋加速器的基本结构是两个处于磁场中的半圆D型盒,以及D型盒之间的交

流电场,两个半圆D型盒上则施加有可以使带电粒子偏转的磁场。位于回旋加速器的中心

处放置有一个粒子源,其发射出的带电粒子受到电场的作用被加速,在进入半圆D型盒的

磁场中时,则被磁场所偏转反向,并再次进入D型盒之间的交流电场。若时间调整合适,

此时交流电场的方向正好可以翻转,带电粒子则再一次被加速。如此往复很多次,带电

粒子就会被加速至带有较高的能量。

劳伦斯在1930年左右于加州大学伯克利分校制作的第一个回旋粒子加速器。(图片来源

:美国劳伦斯伯克利国家实验室)

劳伦斯发明的回旋粒子加速器的工作原理(图片来源: U.S. Patent 1,948,384,Erne

st O. Lawrence -- Method and apparatus for the acceleration of ions (1934))

回旋粒子加速器使得人类能够可控的获得了带有较高能量的微观带电粒子,进而可以更

准确的研究这些粒子的性质。然而由于相对论效应,高能量的粒子的回旋周期会随能量

的增高而发生改变。于是科学家们将回旋粒子加速器的均匀磁场以及电场变化频率也做

了调整,使之能够最大程度的使带电粒子获得能量。这种电场及磁场可控的粒子加速器

叫做同步加速器。同时改变电场和磁场,也使得带电粒子在加速的时候不必须经历一个

变化的半径,因此,同步加速器可以被做成环形。

环形加速器的结构可以持续地将粒子加速,粒子会重复经过环形轨道上的同一点。但是

这一种加速器也有一个缺点,那就是在很高的能量的情况下,粒子的能量会以一种叫做

同步辐射方式被发散出去,并达到一个极限。想要继续提高能量,就只能增强磁场并增

大环的周长。然而这种对于粒子物理学来说是浪费能量的同步辐射并非一无是处,它会

以一种高能量,高纯净度,高准直的电磁波的形式被发散出去,而这种电磁波则可以用

作衍射分析,也早已被广泛的应用在了材料学、结构生物学等学科的研究中。

笔者拍摄于CERN的同步回旋加速器。建成于1957年的它曾是CERN的第一个加速器,能够

将粒子加速到600兆电子伏特的能量。现在早已退役的它被安置于一个颇具蒸汽朋克感的

展厅中,与众多半个世纪前的研究用仪器和物品一起展示着CERN的历史。

另一种加速带电粒子的方式是利用直线加速器,直线加速器不存在同步辐射的问题,但

是粒子不能被重复加速,相同时间内能够被加速的粒子数通常会远小于环形加速器,并

且通常加速器需要被做的很长。虽然直线加速器这个名词看起来可能会有些陌生,但是

其实这种脱胎于粒子物理研究的仪器早就走进过人们的生活。年纪稍微大一点的人,很

多都接触过直线加速器,那就是以前电视机和计算机显示器中的阴极射线管。阴极射线

管显示器就是利用阴极电子枪发射电子,在阳极高压的作用下进行加速并射向屏幕,同

时电子束在偏转磁场的作用下,快速的进行上下左右的移动并扫描整个屏幕。屏幕中的

荧光粉在电子的作用下发光,从而达到显示图像的目的。

彩色阴极射线管的剖面图: 1. 电子枪2. 电子束 3. 聚焦线圈 4. 偏向线圈 5. 阳极接

点 6. 电子束遮罩区隔颜色区域 7. 荧光幕分别有红绿蓝萤光剂分区涂布 8. 彩色萤光

幕内侧的放大图(图片来源:维基百科:阴极射线管)

由于相对论效应,想要研究更精细的结构,就必须获得更高的能量。有了加速器这样一

个研究利器,粒子物理学家们就可以达到前所未有的可控的高能量,于是粒子物理学的

主要研究方式就变成了利用高能粒子加速器进行研究。因此,粒子物理学现在也被称为

高能物理学。

早期的加速器主要用来加速的带电粒子并轰击原子靶,进而对轰击产物进行统计分析。

丁肇中在发现1974年发现J粒子(后来被称为J/ψ粒子)的实验就是利用加速的质子束轰

击铍靶,并分析其产物的分布而完成的。随着粒子物理实验的进展,粒子物理的理论得

到了蓬勃的发展。一些能量更高的粒子被预言,而想要产生这些粒子,需要建设更高能

量的实验设备。并且,利用被加速的粒子束来轰击固定靶的实验形式将绝大多数的能量

浪费在了轰击产物的动能上,于是,实验物理学家们开发了另一种节约能量的办法:加

速两束相反方向的粒子,让他们在极小的空间内对撞。而这,就是目前粒子物理学研究

的终极武器,对撞机。

个人英雄主义的盛宴?合作精神的盛宴?

历史讲起来总比当年的探索容易。对撞机的发展逐渐远远超出的几个人单打独斗就能解

决的范畴。想要让两束微观粒子对撞,则必须让接近光速运动的粒子束流控制在纳米级

的精度之内。而这,则需要极高精度的控制系统,极高强度,极高精度的磁场,以及高

极效率,极高精度的探测系统。而这一套系统的搭建,则需要各个领域的专业人士。由

于实验获得的数据的统计量也呈几何级数般增长,这些数据也需要大量的专业人士来进

行分析。实验高能物理学大型国际合作组的雏形就在那个年代出现。

ATLAS实验(CERN的一个粒子物理实验)国际合作组的成员的国籍分布。ATLAS实验有着

来自103个国家的5500多名科研人员,世界上的大多数的国家都有科研人员为这一个国际

合作实验做贡献。(图片来源:CERN)

杨振宁在物理学界活跃的年代在半个多世纪前。也就是那个年代的物理学家们亲手栽下

了粒子物理学这一棵树苗。在那个粒子物理学起步的年代,确实涌现出了很多先驱和孤

胆英雄,他们带来了创新,带来了发展,为粒子物理学这一棵树苗带来了甘霖雨露。当

年的粒子物理学理论正在成立之初,在茫茫未知领域凭借个人能力常常就能领略到惊鸿

一瞥。当年的粒子物理学实验也通常只需要几个人就可以完成。比如吴健雄女士证实李

政道与杨振宁宇称不守恒猜想的实验的文章只有五位作者,丁肇中发现J粒子的文章也只

有14位作者。

而如今的粒子物理学已经发展成一株参天大树,一株个人英雄主义已无法撼动的大树。

信息互联使得大型合作成为可能,研究进展的速度也今非昔比。凭借团队合作,一些半

个世纪前被视为难以企及的理论的验证逐渐变得可以实现, 而一些半个世纪前难以想象

的实验仪器也逐渐成为现实。1964年,为解决基本粒子质量起源的问题,数位物理学家

提出了叫做希格斯机制的猜想。这个猜想固然惊艳,然而,得不到实验验证的猜想终究

只能是猜想。二十一世纪,为了验证包括希格斯机制在内的几十上百个理论,实验粒子

物理学家就建造了人类历史上最大的实验仪器,周长达到27公里,极具科幻感的的大型

强子对撞机(LHC)以及相应的探测器,并在其正式投入运行后的第二年(2012年)证实

了希格斯粒子的存在,为当时仍然在世的希格斯机制的提出者弗朗索瓦·恩格勒和彼得

·希格斯带来了2013年的诺贝尔物理学奖。

安装中的大型强子对撞机(LHC)上的四个主要的探测器。它们分别是ATLAS(左上),

ALICE(右上),CMS(左下),LHCb(右下)。(图片来源:CERN)

然而希格斯粒子的发现,就是这个领域的研究的终结吗?远远不是的。希格斯机制是被

证实了,然而超对称,暗物质,电荷—宇称不守恒等等问题依然还未被解决,LHC在发现

了希格斯粒子之后仍然有二十多年的运行计划,并会经历数次升级。这期间科学家们将

在LHC继续他们的探索。一个学科的萌芽状态往往是孤胆英雄大显神通的时候,然而当这

个学科发展到系统化规范化的时候,往往就需要更有力的团队协作。现在大飞机的设计

不再能只靠莱特兄弟,计算机技术的创新也早已难以仅靠两三人从车库中萌芽,而航天

科技,人类基因组计划等宏大的项目,也都需要千万人的共同协作。在这个年代,个人

英雄已不再那么重要,因为合作使得很多科研探索实验成为了英雄集结的“聚义厅”。

从这种意义来说个人英雄主义的“盛宴”确实已过。然而,对于全球范围的科学合作来

说,觞宴却在正酣时!

未来应何去何从?

那么,LHC之后的高能物理学将何去何从呢?由于目前的LHC的局限性,即便是希格斯粒

子,对高能物理学家们来说,也仍有着太多的未知等待着被揭示。为了更细致的研究希

格斯粒子以及其他一些物理理论,各国粒子物理学家们都提出了建设下一代对撞机的构

想。这其中就包括中国提出的CEPC计划,日本想要承接的ILC计划,以及欧洲的FCC-ee计

划。这些计划虽然各有千秋,但是却都有一个共同点,那就是都为希格斯粒子的产生进

行的参数优化,都可以精细的研究希格斯粒子的各种性质,它们都可以被称为“希格斯

工厂”。

然而,为何在发现了希格斯粒子之后,仍然要对它进行研究呢?这个问题可以类比一下

人类对冥王星的探索历程。

1994年和2018年人类所认知的冥王星的对比图。左图来自哈勃空间望远镜,右图来自新

视野号航天器。(图片来源:NASA)

上面是1994年和2018年人类所认知的冥王星的对比图。1994年,人类通过哈勃空间望远

镜拍摄到的冥王星已经达到了地球上人类对其认知的最高的分辨率,而2018年视野号航

天器飞临冥王星,则为人类第一次带来了它的高清图。

冥王星可是1930年就已经被人类发现了啊,当时几个像素的图像也能表明它是一个围绕

太阳运动的行星,为什么人类还要继续对它探索呢?为什么到了21世纪,人类还要发射

新视野号这样的航天器,并花十几年的时间,把它送去冥王星的附近呢?

因为我们不了解冥王星,因为我们想去了解它。

现在我们已经知道了冥王星的质量,轨道倾角,离心率,拍了高分辨率的照片,甚至了

解了它的成分组成,但是人类的求知欲是不会被填满的。新视野号探测器这两年发现,

冥王星地底下可能有由半融化水冰而成的海洋,这意味着冥王星地底可能有热源存在。

这不是宣布了对冥王星研究的结束,而是给下一步对冥王星的研究指明了方向,开启了

更多的研究可能。

对于希格斯粒子的研究,也是类似的。

现在人类所认知的希格斯粒子,就像是1994年人类所认知的冥王星,只有上百个像素。

而这上百个像素,已经足以指明一个未来研究进展的方向,而CEPC,ILC,FCC-ee,它们

就是希格斯粒子的“新视野号”。它们迟早也会给人类画出一张高清的希格斯粒子的图

像。

那么,对于希格斯粒子的研究,能为人类的生活带来什么呢?

答案是,现在我们还不知道。

粒子物理的研究是数辈人从上上个世纪末开始到现在一脉相承的。1897年发现电子,19

19年发现质子,1932年发现中子和正电子,1937年发现μ子,1947年发现π和K介子,1

956年发现电中微子,1974年发现J/ψ粒子,1975年发现τ子,1983年发现W、Z玻色子,

1995年发现顶夸克,2012年发现Higgs玻色子,未来则一定还会发现新的东西。而1897年

发现电子的时候,人们肯定也想不到如今的生活已经离开不了那么多的电子器件(甚至

都已经淘汰了很多,比如电视机的阴极射线显像管)。1932年发现正电子的时候,当时

的人肯定也想不到正电子发射计算机断层显像技术(PET-CT)可以在无创伤的情况下对

人体进行早期肿瘤筛查,从而挽救了无数人的性命。1919年发现质子和1947年发现π介

子的时候,人们依然无法预料到它们在半个世纪之后治疗癌症的辐射疗法中的应用潜力

粒子物理学的研究是超前于时代的,谁也不能保证,若干年后,这些看似高冷的研究成

果会有怎样的颠覆人类生活的应用。而对撞机则目前粒子物理研究是最有效的手段之一

,对于这门学科的发展仍有着不可替代的作用。所以,即使在中国对于是否应该建设下

一代大型对撞机有着广泛争论的今天,即使是经费没有到位的今天,实验粒子物理学家

们仍然在紧锣密鼓的进行着下一代对撞机的预研工作。因为他们知道,这承载着人类对

于这个宇宙运行规律的认知的未来。

一个民族有一些仰望星空的人,他们才有希望。或许杨先生曾是离当年星空最近的人,

但是,前赴后继的科研后辈们依然有仰望今时星空的权利,更何况,如今的星空比当年

更璀璨。

TheoPhys 理论物理
27 个回复
chengx835
chengx835 2019-12-23

现在充其量就相当于20世纪初两朵乌云前夕,当时物理学家以为物理学大厦已经构建完毕,只剩下修修补补的工作了,谁知飘来两朵乌云,于是出现了相对论和量子力学两个大坑!

wdek
民科文德奎 2019-12-23
chengx835
chengx835 2019-12-23

上世纪两朵乌云前夕,幸好没有所谓的学术权威前来阻拦!

【 在 wdek 的大作中提到: 】

: 另外的两朵乌云:国际原子时是时间坐标核心,时空坐标中没有它的位置;光通过匀速运动封闭空间内外速度变化没有分析。

: 迈克尔逊实验认为0结果可能有第三种可能:地球带动周围空间共同运动

wdek
民科文德奎 2019-12-23
chengx835
chengx835 2019-12-23

当时搞量子力学的都是一帮小年轻甚至门外汉,像波尔,海森堡,泡利,爱因斯坦,德布罗意还是搞文学的,最后一张纸的博士论文。

【 在 wdek 的大作中提到: 】

: 以前是权威提出的,肯定被重视,这次是无名小辈提出,人微言轻

Krank
男兒到死心如鐵 2019-12-23

一张纸?你亲眼见过德布罗意的论文吗?还是道听途说,以讹传讹,张嘴就胡说?

【 在 chengx835 (chengx835) 的大作中提到: 】

: 当时搞量子力学的都是一帮小年轻甚至门外汉,像波尔,海森堡,泡利,爱因斯坦,德布罗意还是搞文学的,最后一张纸的博士论文。

chengx835
chengx835 2019-12-23

当然是指核心内容啊,不包括目录,前言,参考文献这些扯淡的东西!

【 在 Krank 的大作中提到: 】

: 一张纸?你亲眼见过德布罗意的论文吗?还是道听途说,以讹传讹,张嘴就胡说?

Krank
男兒到死心如鐵 2019-12-23

别扯那么多没用的,我就问你,你是亲眼看过德布罗意的论文,还是无凭无据张嘴

胡说的?二选一。

【 在 chengx835 (chengx835) 的大作中提到: 】

: 标  题: Re: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚

: 发信站: 水木社区 (Mon Dec 23 14:57:38 2019), 站内

: 当然是指核心内容啊,不包括目录,前言,参考文献这些扯淡的东西!

: 【 在 Krank 的大作中提到: 】

: : 一张纸?你亲眼见过德布罗意的论文吗?还是道听途说,以讹传讹,张嘴就胡说?

: :

: --

arwin
阿风 2019-12-24

其实不但未过,可能还没开始

【 在 infinetely 的大作中提到: 】

: 发信人: infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞), 信区: Science

: 标  题: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚?

: 发信站: 水木社区 (Sun Dec 22 17:28:09 2019), 站内

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stockjack
米菲兔兔 2019-12-24

所以杨说的对,现在需要的是理论突破。

handsomest
handsomest 2019-12-24

建个对撞机就能开始新理论了了吗?上一次开始也不是靠建哪个机器才出来的。

alamoo
花开花落 2019-12-24

瞎扯淡的装逼犯,呸!

现在讨论的根本不是该不该是不是仰望星空,而是怎么仰望星空、仰望方式的经济性问

题。

做研究的都可能是在仰望星空,别就把自己打扮成仰望星空的圣人

【 在 infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞) 的大作中提到: 】

: 一个民族有一些仰望星空的人,他们才有希望。或许杨先生曾是离当年星空最近的人,

: 但是,前赴后继的科研后辈们依然有仰望今时星空的权利,更何况,如今的星空比当年

: 更璀璨。

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isotropic
areer_Plaza 2019-12-24

盛宴也许还在,但不是中国人的盛宴

【 在 infinetely 的大作中提到: 】

: 发信人: infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞), 信区: Science

: 标  题: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚?

: 发信站: 水木社区 (Sun Dec 22 17:28:09 2019), 站内

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XiuxiuWen
Wenxiuxiu 2019-12-24

在中国现行学霸体制下,搞这些东西注定会变成某些人的牟利工具。

劳民伤财,不如不搞。

【 在 infinetely 的大作中提到: 】

: 发信人: infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞), 信区: Science

: 标  题: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚?

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helloterran
hello 2019-12-24

当年的狭义相对论可以直接测水星轨道验证

现在的弦论做不出任何有可能被实验证明或者证伪的预测,纯粹是个数学把戏

下一代对撞机的搜索空间已经被LHC搜过了99.9999%,基本确定这个能级上不可能再有任何新发现。

所谓超对称粒子,也许需要比现在高5个能级,环绕太阳系的对撞机才能找到

历史上成为科学笑话的白象仪器多了去了。你不知道是因为这些笑话都湮灭在历史当中

举个最简单的例子,法国全国之力造出来的德郎克勒望远镜,历史上最大的折射镜。没有任何科学成果,完工后就被拆毁,收废品都没人要。

【 在 chengx835 的大作中提到: 】

: 现在充其量就相当于20世纪初两朵乌云前夕,当时物理学家以为物理学大厦已经构建完毕,只剩下修修补补的工作了,谁知飘来两朵乌云,于是出现了相对论和量子力学两个大坑!

Jailbird
Stockton 2019-12-24

高能物理的当然有极其重要的基础物理研究价值

但是为它一个项目投入1400亿去是否值得,是个显而易见的事情,从科研管理的角度是

得不偿失

高能物理的先驱以及过去取得的成果也并非是靠砸钱砸出来的

甚至20世纪初取得的物理学大跃进也都不是靠大笔的经费投入,专项的资金目的性的投

入而取得的

这帮文科记者不断的搜资料替高能物理洗地惹关注

【 在 infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞) 的大作中提到: 】

: 发信人: infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞), 信区: Science

: 标  题: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚?

: 发信站: 水木社区 (Sun Dec 22 17:28:09 2019), 站内

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MichealWolf
叮当 2019-12-24

有署名吗?感觉就是中学生些作文的水平。论证了个啥?

【 在 infinetely 的大作中提到: 】

: 发信人: infinetely (∞∞∞∞∞∞∞∞), 信区: Science

: 标  题: 高能物理学的“盛宴”是否已过?杨振宁的反对是否站得住脚?

: 发信站: 水木社区 (Sun Dec 22 17:28:09 2019), 站内

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hry722
sephy 2019-12-25

是的啊。

如果两朵乌云前夕,学术权威跳出来,指责年轻科学精英们不应该胡思乱想什么相对论量子力学,而是把经典物理学的实验仪器再做大点,那么今天的物理学史是不是会完全不同呢?

【 在 chengx835 的大作中提到: 】

: 上世纪两朵乌云前夕,幸好没有所谓的学术权威前来阻拦!

MichealWolf
叮当 2019-12-25

加速器就挺大的。

说不定啊,老杨说的理论创新,就是年轻人的那条路,而加速器反而是走老路。

【 在 hry722 的大作中提到: 】

: 是的啊。

: 如果两朵乌云前夕,学术权威跳出来,指责年轻科学精英们不应该胡思乱想什么相对论量子力学,而是把经典物理学的实验仪器再做大点,那么今天的物理学史是不是会完全不同呢?