何去何從：大型對撞機_風聞

今天看到有人又把醋醋的那篇關於對撞機的爆文翻出來，我突然想起了小學僧的這篇科普文。此文用“極其”通俗易懂的語言解釋了對撞機和基礎物理學，是非常好的科普佳作。轉過來供大家欣賞和學習。

何去何從：大型對撞機

原創老和山下的小學僧2019-05-30 15:19:47

近來物理學界爆發了一場口水大戰：中國該不該建大型對撞機？這場與吃瓜毫無關係的爭論迅速超過了明星戀愛結婚懷孕離婚的關注度，參與撕逼的吃瓜羣眾之多、羣情之激昂，令人咂舌！可謂物理學難得的奇景！

本小學僧起個大早趕個晚集，這回炒個冷飯。為免消化不良，咱從搭灶頭説起吧！

背景

物理學的最高教義是“統一”，認為所有規律最終都是相通的，而目前卻有四種基本的相互作用關係：

1.引力：只要有質量就有引力，這叫“萬有引力”。

2.電磁力：就是你們理解的電磁力，還有，化學反應的本質就是電子換來換去，這也是電磁力。

3.強力：比如把質子擰在一起形成原子核的這種力，按理説帶正電的質子靠這麼近，排斥力是無窮大的。強力是物理學中比較難的領域。

4.弱力：比如放射性衰變這些。

還有可能存在人類尚未發現的其他作用關係，前沿物理學就是為了撮合這四個力，誰要能把這四大力統一了，絕對是物理學的新一輪爆發，對人類科技的推動甚至會超越量子力學。此等份量，多少物理學家為之前仆後繼！

咱回顧一下。

話説當年，牛頓領着眾人蓋了一座經典物理學大廈，後來麥克斯韋把大樓蓋到了極致，極致到別人都沒事可幹了，所謂物極必反，於是閒得慌的愛因斯坦就帶着一幫閒人把這豆腐渣工程給拆了，後人稱：一牛二愛三麥。這頭三把交椅無人撼動。

小愛那幫人拆了老大樓後，果然在廢墟上發現了不少寶貝，爭來奪去遂分成兩大幫派：一曰量子力學，一曰相對論。

量子幫雖然混的風生水起，但畢竟是眾多小頭目頭腦風暴的產物，缺乏統籌，更像是科學界的暴發户，不知道咋回事就發財了。好歹都是文化人，得注意吃相，然後就出了個狄拉克。

狄拉克的代表作是《量子力學原理》，要沒牛逼到一定程度，誰敢取這名！狄拉克深刻，而且是異常深刻地揭示了量子力學各大理論的內在聯繫，構建了完整的量子體系。

通俗的説，狄拉克應該算第一個把量子力學拎清的人，初步統一了量子幫，份量沉甸甸的，是第四把交椅的頭號人選。

統一後的量子幫跑馬圈地，很快就把三大力收入麾下，光桿司令愛因斯坦的相對幫撈了個引力，這風雲突變的江湖，有個關鍵人物：對撞機。

接下來，上正餐。

粒子物理學

狄拉克使量子幫實力大增，又常年在微觀領域混，自然先拿粒子開刀，遂設一分舵：粒子物理學，又叫高能物理學。簡單點説，就是為了弄明白粒子到底是什麼玩意兒。（給科盲補個點心：粒子是電子、質子、介子、夸克、中微子等等等等所有這些小玩意兒的統稱，目前已發現幾百種粒子。）

粒子就粒子唄，為啥叫高能？在微觀領域，“看”這個詞是沒有意義的。研究微觀粒子，主要就一個手段：撞！狠狠地撞！這需要很高的能量，“高能”這名就這麼來的。

白話文翻譯翻譯。如果想研究汽車，吃瓜羣眾的做法是，打開發動機蓋，然後，看。而高能物理學家的做法是，加速兩輛汽車，讓它們對撞，如果飛出個輪子，就認為汽車含有輪子，飛出個方向盤，就認為汽車含有方向盤。然後，飛不出更多東西了，就提高汽車速度，再撞，結果又飛出個發動機，就認為汽車含有發動機。

起初大家撞的很開心，只要撞出一個新粒子，妥妥一個諾貝爾獎。後來撞來撞去也飛不出新東西了，怎麼辦？高能物理學家説，當然是再加快速度啊，把汽車加速到接近光速，説不定能撞出油漆呢。於是就需要大型，不對，是“超大型對撞機”。超大型的意思就是，燒大把大把的錢。

口水大戰

這錢到底該不該燒？不急，先説理論。

物理學家根據兩大幫規，提出形形色色的粒子模型。有人認為汽車是地上跑的，那麼他就期待撞出個輪子，別撞出機翼；有人認為汽車是電驅動的，那麼他就期待撞出個電池，別撞出油箱……當然這涉及異常複雜的數學和邏輯，不是天馬行空的臆想。其中的巔峯人物便是：楊振寧。

老楊雖然有些爭議，但不得不承認其在高能物理上的貢獻。非阿貝爾規範場理論、宇稱不守恆定律、楊－巴克斯特方程……這些，我等凡人就別看了。諾貝爾獎的份量也還是不夠説明問題，在物理學歷史上，有那麼幾號人，如果沒得諾貝爾獎，那不是他們的遺憾，而是諾貝爾獎的遺憾。

這麼説吧，狄拉克統一了量子幫，而老楊帶領量子幫建立了標準粒子模型，統一了三大作用力，這過程異常有趣，在現代物理篇中再細説。在物理史上，老楊可以説是“坐五望四”的存在！活着的人裏絕對是最猛的！

面對“粒子是個什麼玩意兒”這個近乎哲學的問題，老楊幾乎交了一份標準答案！簡單地説標準模型：費米子是組成物質的粒子，玻色子負責傳遞各種作用力。費米子有電子、夸克、中微子等，相當於構成物質的原材料；玻色子有負責傳遞電磁力的光子，負責傳遞弱核力的W及Z玻色子，負責傳遞強核力的8種膠子。這套模型統一了強力、弱力、電磁力，唯獨缺了引力。

白話文的意思：老楊説，汽車是由輪子、發動機、車門、變速箱等等組成的，然後通過電路相互聯繫。然後，眾人紛紛沿着老楊的套路往下走，找到了輪子，得諾獎！找到了車門，得諾獎！老楊們都很開心。

清華大學送給楊振寧的90歲生日禮物，刻了他13項主要貢獻

同時交卷的，還有隔壁老王們，他們覺得老楊們太敷衍，光折騰“粒子是個什麼玩意兒”太沒勁，於是就挑了個更高級的命題：“宇宙是個什麼玩意兒”。然後在答卷上洋洋灑灑寫下四個大字：“超弦理論”（所有的東西都是由一小段一小段的能量弦構成）。這扯蛋的理論至少需要十維才能自圓其説，比如，引力之所以不像電磁波會被屏蔽，是因為引力子走的是更高的維度，這樣四大力就統一了。

超弦理論數學無比漂亮，結構無比完美，箇中代表便是美籍華人數學家丘成桐（就是呼籲燒錢那位）。儘管超弦理論是數學家為物理學家準備的完美情人，不過……證據一個沒有！為了找到這個完美情人，需要對撞機撞出個“超對稱粒子”，幫助超弦理論從單純的數學模型變成實質的物理定律。

老王們説，無論車門還是發動機，汽車本質上全是由鐵組成的，只要速度再提高就能把一切都撞成鐵片。

對撞機

高能物理的閲卷老師就是“大型對撞機”。粒子通常帶電，所以用電場加速，用磁場控制方向，但粒子對撞並不是手槍對射那麼輕鬆，過程中需要對粒子流進行操作。想要存放接近光速的粒子，只能讓它們繞圈，不然你就是把管道修到月球上，也放不了2秒鐘。對撞機一般都由直線加速部分和存儲環或加速環組成。

要讓近光速的粒子拐彎，你想想，得多大的磁場？速度越快，拐彎越難，所以圈也就越大。不過，現在的對撞機很多已經淪為輻射光源了（電子拐彎時損失的能量以輻射方式釋放），相當於大號顯微鏡，這茬先不説。

當對撞機能量為10億ev時，撞出了輪子，驗證了老楊的理論；沒撞出鐵皮，無法驗證老王們的理論。老王們説，再造一台十倍能量的對撞機，超弦理論就能驗證。

當對撞機能量為100億ev時，撞出了變速箱，驗證了老楊的理論；沒撞出鐵片，無法驗證老王們的理論。老王們説，再造一台十倍能量的對撞機，超弦理論就能驗證。

……

然後，一直造到了10萬億ev，撞出一堆反光鏡、擋風玻璃、剎車油門什麼的，依然只驗證了老楊的理論，依然無法驗證老王們的理論。老王們説，再造超超超大型對撞機。

哦，對了，1ev的能量可簡單理解為宏觀世界的1萬攝氏度，再往後提高能量，可比燒開水難多了。

對撞機撞了這麼多年，把老楊的理論越撞越穩固，而根據老楊的理論，再撞下去意義也不大了。於是老楊就跳出來説，老王們別折騰了，真理在我這兒，你們趕緊想別的轍吧！

老王們想，連幾百年的牛逼頓大樓都能被搗毀，老楊的理論才撞了幾十年，算哪根葱！於是，吵着還要撞，下一把只燒1000億。

反對者就起鬨：你們這套路不行啊！估計50年都沒戲！錢都被你們燒了！我們燒什麼！

支持者也起鬨：你行你上啊！you can you up！no can no BB！沒有新套路就按老套路辦！

吃瓜羣眾：這個人品有問題，那個吃相太難看，這個出身有問題，那個血統不純正……燒也行，呃，不燒也行……反正我就是知道。

LHC

當年美帝計劃用40億美刀燒一個“超導超級對撞機”（SSC），這是怎樣一個怪胎呢？單就説説那個環的大小吧！

紅圈就是對撞機，注意上方達拉斯城市的大小。第一段環形低速加速器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，最後一段是87.1公里的對撞環。

加速器的超導管道就沿着這些隧道放，5年燒了20億，才完成了20%的工程，大筆一揮，預算增加到83億。剛上台的克林頓嚇得差點沒尿褲子，直接砍了項目，20億打個水漂，然後去忽悠歐萌燒，“萌萌，你燒一個吧，等你燒好了，我家老王們過來幫你一起撞。”

歐萌作為西方文明的發源地，歷來比美帝憨厚的多，於是拍下80億美刀要燒“大型強子對撞機”（LHC），勤勤懇懇燒了14年，2008年正式啓動測試。這種工程不超預算是不可能的，最後到底燒了多少錢，只有天曉得。 

LHC是個27公里的圓形隧道，位於地下100米，貌似是人類造過的最大裝置，就是為了加速最小的粒子。

粒子在這些管道里加速，然後相撞，物理學家一直期待能撞出超弦理論最主要的假設：超對稱粒子，以驗證超弦理論，可惜結果一直很呵呵。

對撞機需要大量超導材料

LHC可以把相撞粒子加速到光速的99.9999991%！2015年12月15日，歐洲原子能研究機構宣佈：不出意外，一個超對稱粒子都沒找到的。這一撞，有人稱為“高能物理的絕唱”。

儘管超對稱理論的原始參數空間已經有99.999%被否決了，老王們依然不甘心，為了這剩下0.001%的可能，還得再燒1000億。當然，無論再燒多少錢，都不可能把這剩下的0.001%消滅乾淨，還會有0.0001%，0.00001%……

如今地主家沒餘糧了，於是老王們希望中國能接着燒。燒一個多大的呢？下圖，小紅圈是中國正在跑的北京正負電子對撞機的環，外面的綠圈是LHC的環，右邊紅色虛線，就是老王們指望中國燒的尺寸。

LHC花費巨資，消耗無數人才，撞到現在也就撞了個“希格斯玻色子”，俗稱上帝粒子，它解釋了質量的來源，更加完善了老楊的粒子模型。其他成就乏善可陳，大家都覺得有些不好意思，於是給了個諾貝爾安慰獎。

雖然老楊的模型不完美，壓根沒考慮引力，卻非常實用，而完美的超弦理論依然是水中花鏡中月。

造不造？

哥們兒，快歇歇吧！連中微子都不認識，卻在操心要不要造大型對撞機。通常來説，這種不涉及民生的行業問題，都是行業內部解決，老百姓懂個鳥，外行別跟着瞎起鬨，增加無謂的政治壓力。不過為了過把癮，本小學僧就代表吃瓜羣眾小小起個哄吧。

首先得明白，完美的數學模型不一定就是真理。當年牛頓的數學模型也很完美，為了讓牛爺的理論放之宇宙皆準，搞了個“以太理論”，可憐的邁克爾遜為了驗證以太，測了八年光速，結果成功把以太親手掐死了。

老楊在物理發展上的眼光一直相當犀利，他旗幟鮮明反對中國現在造超大型對撞機，這不僅消耗錢，更消耗人才。當然，這肯定得罪了超弦派和高能派，加上自身也是個有縫的雞蛋，於是被黑慘了。這裏必須得替老楊説一句，在這件事情上，他還算公正的。

對撞機是否是唯一出路？在前沿物理，人類那點知識比古人好不了多少，誰也不知道哇！所以，大型對撞機就成了人類文明的一場豪賭！下一輪賭注：1000億人民幣，勝率：0.001%，收益：科技大爆發。

還有人類內部的博弈。基礎科學有個頭疼的事情，一則與創造財富非常遙遠，二則不存在產權保護（比如我發現地球是圓的，這個產權怎麼保護？），幾乎就是一個純燒錢的活動。

如今，應用技術雖在井噴，但基礎科學舉步維艱，可能是真的遇到瓶頸，也可能是各國長期投入不足導致的。（全球核聚變的研發投入，不及化妝品的1/40，其實化妝品技術和幾十年前沒多大差異，缺的只是行業管理。）

換個角度看，18世紀世界科學中心在英國，19世紀世界科學中心在德國，20世紀世界科學中心在美國，21世紀你要不要爭取一下？當前全球經濟一片哀嚎，政治環境焦頭爛額，中國興建大量的硬件設施（如貴州“天眼”已投入運行），再加上穩定的政治環境，必然會引起各國科學家來華工作，促進科學中心的轉移。如果綜合這些因素考慮，中國人為基礎科學花點錢，未嘗不可。想當老大，不光是潛艇航母導彈，基礎科學的大旗也得抗起來。

回到實際操作上，1000億走正常的預算流程，肯定會擠壓其他科研經費，這對整體的科研環境是非常不利的。若是非要賭一把，必須得是賺外快的錢，比如：

把灣灣收了，每年上百億美刀的軍費不用上供美帝，一年就可賭一把。

把足球彩票改成“對撞機彩票”，一年就可賭四把，成果保證不會比足球差。

去李家破賭場蹲坑，把騙中國人的錢討回一些，一年就可賭六把！中國周邊的賭場，形勢之嚴峻，堪比鴉片戰爭。

……

吃瓜羣眾，下面該你起鬨了！