駁王孟源（二）：研製、建造下一代對撞機真的沒有意義嗎？_風聞

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在觀察者網記錄王孟源與《科工力量》對話的文章《王孟源：中國要崛起，基礎科研需要“講實話”》中，王孟源幾度表示研製、建造下一代對撞機沒有意義。

雖然他在對話中的言論暴露了他對對撞機這個領域其實是完全陌生的，所有論據也不過是一些上個世紀90年代的關於美國的對撞機項目流產這件憾事的道聽途説，以及一些後來的小道消息。但是，再一次的，這也暴露了國內一線科研工作者們的科普工作確實沒有做到位。

因此，下面我將藉此機會從物理方面和非物理方面兩個方向闡述研發下一代對撞機的意義。

先説物理方面。

王孟源説：

我舉個例子，大型對撞機這東西，它的理論根本就不存在，因為我剛剛提過這個高能物理的標準模型是1974年做出來的，到現在基本上沒有超過它的理論。標準模型裏面的所有的粒子，最後一個被發現的是Higgs，也就是2012年被發現的希格斯粒子。你要再建一個新的大對撞機，那很顯然的就連理論基礎都沒有，更不用説應用價值。

目前，世界上有好幾個對撞機正在設計、研發階段。

這裏面就包括了美國已在2020年批准了的，將在紐約長島布魯克海文國家實驗室建設，並將於2030年左右投入運行的電子-離子對撞機（EIC）；已被《2020歐洲粒子物理學戰略》規劃列為未來最優先考慮項目的，歐洲未來環形對撞機（FCC-ee/hh）；還在等待政府批准，但預研進展順利的，計劃將建於日本的國際直線對撞機（ILC）；以及中國提出的，也在積極預研中的環形正負電子對撞機（CEPC）。

2012年夏天，歐洲核子研究中心發現了希格斯粒子，在2012年秋天，中國的科學家就根據歐洲核子研究中心的測量數據，提出了設計“希格斯粒子工廠”對撞機的設想。

這種對撞機運行在最容易產生希格斯粒子的能量上，即240 GeV。它將採用環形設計，這樣可以最大限度重複利用粒子束。然而，由於電子在轉小彎時會產生大量韌致輻射導致能量被大量浪費，所以對撞機的周長不能做的很小。經過多方權衡，科學家發現100公里左右周長的對撞機是可以大量、高效產生希格斯粒子的最節約的方案。這便是後來的CEPC。

歐洲的科學家也做了類似的研究，也得出了類似的結論，這便是歐洲版的“希格斯粒子工廠”對撞機FCC-ee。

CEPC與FCC-ee這兩台對撞機在設計上有很多相似之處，因為的主要目的都是研究希格斯粒子的各種性質。

希格斯物理是物理學研究的一座富礦。早期宇宙演化、電弱相變、質量起源、暗物質與暗能量等等研究方向都與希格斯粒子的性質有關。

希格斯物理與其它學科的聯繫

在世界上最大的學術文章預印本網站arXiv上，如果搜索“Higgs”（希格斯），可以找到超過五千篇相關的理論文章（還不包括數量更多的現象學解釋與實驗的文章）。

arXiv上關於希格斯理論的文章的搜索結果

這些文章或利用現有實驗數據對希格斯粒子的某些性質進行了計算、解讀和預測，或提出了自己的理論假設，或延伸了現有的模型。

但絕大多數文章中的理論，都有一個特點，那就是，它們在數學上是自洽的。也就是説，這些理論從邏輯上看，沒毛病，從數學上來看，也沒毛病。

但就是如果沒有實際實驗數據的檢驗，誰都不知道他們的理論究竟對不對。

就像是，霍金為什麼獲得不了諾貝爾獎？這就是因為雖然他的理論看起來很美，數學上沒毛病，但是他研究的黑洞很難被檢驗，雖然很多人都信他的理論，但卻都不能100%確定他是對的。

就像是，在民間飽受爭議的“弦理論”，同樣是因為難以被驗證而不被一些人承認。但是，弦理論自身也是數學上很美的，也是邏輯上自洽的。

（順便説一句，很多人看到二手偽科普自造的詞“超弦教”就以為弦理論不受主流學界的支持，但實際上就連楊振寧自己都是支持研究弦理論的。在2016年發表的《楊振寧：中國今天不宜建造超大對撞機》一文中，楊振寧列舉的第七點論點就提到了弦理論。原文如下：（七）不建超大對撞機，高能物理就完全沒有前途了嗎？不然。我認為至少有兩個方向值得探索：A. 尋找新加速器原理。B.尋找美妙的幾何結構，如弦理論所研究的。）

但這些研究希格斯物理的理論學家應該説比霍金要幸運一點點。因為他們中很多理論是可以被檢驗的，那就是依靠未來歐洲或中國建造的大對撞機。現實是，並不像王孟源説的那樣，對撞機所需的“理論根本就不存在”，而是有太多的理論，等待着被對撞機檢驗。

就像是自然選擇會導致物種進化一樣，篩選出對的理論，排除掉錯的理論，物理學就能進化一點點。

對撞機，就像是微生物學家手中的顯微鏡，是粒子物理學家觀測和認知微觀世界必不可少的工具。因此對於物理學家來説，建造下一代對撞機意義重大。

再來説説物理之外的意義。

一個長達幾十或上百公里的科學研究設備，精度能做到微米級別，本身就是一個工程奇蹟了。更別説對撞機上無數的組件的研發了。

建設對撞機靠的不是投幣即得的許願機，而是無數組件從無到有，一件件開發，一件件組裝出來的。

而如今的科學研究早已經進入了學科交叉，彼此互通的時代。為高能物理學研究而研製出來的科學研究儀器的組件，也能在其他領域大顯身手。

隨便舉一個例子，就拿最近的成果來説吧，在對撞機中一個真正為粒子加速的部件：超導高頻腔。

超導高頻腔

超導高頻腔是利用超導材料製成，將電磁波以類似駐波的形式困於腔體內，並利用腔內週期變化的電場持續加速帶電粒子的元件。其中週期變化的電場如下圖所示。

超導高頻腔內電場週期性變化示意圖

在使用中，當電子以近乎於光速通過第一個腔體之後，電場方向就正好會在經過半個週期後改變方向。而相鄰的兩個腔體中的電場方向永遠相反，這樣進入第二個腔體中的帶電粒子就能夠繼續從電場中獲取能量。

這種超導腔內的電場非常強，以至於每1米長度的超導腔就能夠給帶電粒子施以數千萬伏特電壓的能量。

長久以來，超導高頻腔的技術都被國外的科研機構所壟斷。但是從CEPC被設想出來至今，中國的高能物理實驗團隊就一直在鑽研這種元件的技術。終於，中科院高能物理研究所在2020年末試製出了第一批純國產的超導高頻腔。經過同行專家的多次檢驗，發現這種國產超導高頻腔的品質完全不亞於國外最優秀的產品。

而超導高頻腔並不僅僅能應用在對撞機上。

預計在2025年前後將在上海興建的硬X射線自由電子激光裝置，在建成之後將能為物理、化學、生命科學、材料科學、能源科學等多學科提供高分辨成像、超快過程探索、先進結構解析等尖端研究手段，成為很多其它學科的研究利器。而硬X射線自由電子激光裝置的電子加速核心部件正是超導高頻腔。超導高頻腔實現國產化之後，其它學科的高分辨成像、先進結構解析等需求將不再受制於國外是否供應這種元件。

規劃中的上海硬X射線自由電子激光裝置的位置

再比如，超導磁鐵技術本身。

如今，超導技術已應用廣泛，不過人類第一次大規模使用超導磁鐵就是在對撞機領域，就是在建設於芝加哥郊外的費米實驗室的Tevatron對撞機上。為此，美國費米實驗室還獲得了電氣與電子工程師協會（IEEE）所頒發的“里程碑獎”。

切實的應用需求是技術進步無可替代的推動力，對撞機這樣巨大的需求給發展超導技術一種難以替代的發展動力。

當然，若沒有對撞機這樣巨大的需求，超導磁鐵的技術也會慢慢發展起來，但對撞機的需求使得這種技術早了很多年實現了大規模應用，這無疑也是在推動社會的進步。

美國費米實驗室因人類首次大規模使用超導磁鐵而獲得IEEE所頒發的“里程碑獎”

再比如，一個老生常談的例子，萬維網。

上個世紀六七十年代就已出現了因特網。然而早期的因特網沒有網站，的使用只能通過敲代碼等形式進行簡單的數據交流，是一個高度技術性和專業性的工作。

在上個世紀80年代末，在位於歐洲核子研究中心的大型正負電子對撞機（LEP）正式開機運行的前夕，歐洲核子研究中心的數據科學家蒂姆·伯納斯-李為了讓高能物理學家們更高效的共享信息，設計了超文本傳輸協議（HTTP）。

不久，歐洲核子研究中心的科學家們按照這個協議搭建了人類歷史上第一台萬維網（WWW）服務器。從此，用户登陸服務器上的網站，瀏覽網頁獲取信息成為可能。

萬維網的出現徹底改變了人類信息交流的方式，使得“上網”這件事從高度技術性的專業工作變成了人人可以完成的輕鬆小事。

順便説一句，世界上第一個網站是http://info.cern.ch，歐洲核子研究中心至今為紀念而保留着它最初的內容。中國境內的第一個網站則是建立於1994年4月的http://www.ihep.ac.cn，至今仍被用作中國科學院高能物理研究所的主頁。

為什麼萬維網會誕生於高能物理這樣一個看似邊緣的學科？還是那句話，切實的應用需求是技術進步無可替代的推動力。

在歐洲的大型強子對撞機上，有四個實驗對撞點。以其中一個對撞點為例，在全力運行期間，每秒鐘在對撞點中會記錄4000萬次對撞的數據，每一次對撞的數據有幾個MB大小。雖然探測器的實時篩選系統可以過濾掉97%以上的物理意義不太大的信息，但是，每秒鐘經過傳輸的數據仍然能達到幾個TB。

即便是在經過更細緻的篩選之後，每年在歐洲大型強子對撞機上存儲記錄下的數據，也能超過200PB，也就是大約200,000,000 GB，有數據科學家計算過，這個數據量比世界上最大的社交網站Facebook上每年產生的所有數據之和還要大，是每年穀歌搜索的數據的兩倍還要多。

LHC上每年存儲的數據與Facebook等網站的比較。預計到2026年，HL-LHC對撞機上存儲的物理數據將會達到每年1EB（十億GB）。左側大圓則是互聯網上所有數據的總量，大約是15EB。圖片來源EPS HEP 2017 會議，作者Ian Bird。

在瞭解了這樣獨特的數據處理需求之後，也便不難理解為何萬維網這樣方便數據分享的技術會產生於高能物理學科了。

類似的例子還有，誕生於高能物理領域的分佈式計算技術，現在也已是大數據處理常用的技術之一了。

在下一代對撞機這樣龐大且精細的設備的研製過程中，也會遇到很多人類從未遇到過的技術挑戰的挑戰。在解決這些挑戰的過程中，一定會有新的技術誕生，而新技術總能夠輻射到高能物理以外的領域。

高能物理專業的學生，多多少少都會學習一些大數據處理和編程的知識。我們都知道，學生永遠會比老師要多，學生畢業之後不可能都會進入科研行業，還會有很多進入如軟件開發或金融等其它行業。而獲得於高能物理專業學習時的技能在其它行業也會有用武之地，高能物理的教育一樣可以為社會其它行業培養有用的人才。王孟源自己不就是一個很好的例子嗎？

最後，我想再談回物理本身。

高能物理本身的具體應用前景畢竟不明朗。我們對未來會如何應用這些知識是未知的，但是，我們已知的是，這些知識未來一定會有用。

1932年發現正電子的時候，當時的人肯定也想不到正電子發射計算機斷層顯像技術（PET-CT）可以在無創傷的情況下對人體進行早期腫瘤篩查，從而挽救了無數人的性命。1919年發現質子和1947年發現π介子的時候，人們依然無法預料到它們在半個世紀之後治療癌症的輻射療法中的應用潛力。

對於高能物理所研究的知識有什麼用這個問題，知乎上有個答主已給出了很好的答案。我把它複製在此，作為這一篇文章的結尾。

問題： 

耗費巨資做實驗證實希格斯玻色子，何時能產生實質性的回報？

回答： 

作者：冷哲 

鏈接：https://www.zhihu.com/question/20910380/answer/29172699 

來源：知乎 

著作權歸作者所有。商業轉載請聯繫作者獲得授權，非商業轉載請註明出處。

我們不知道。

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1854年，黎曼提出了黎曼幾何的初步設想。

1905年，愛因斯坦發表狹義相對論。

1912年，羅伯特·哥達德於開始研究火箭。

1916年，愛因斯坦發表廣義相對論，其中使用黎曼幾何作為核心數學工具。

1957年，第一枚人造衞星Sputnik 1發射成功。

1959年，第一種衞星定位系統Transit開始研發。1960年測試成功。

1967年，Timation衞星系統將原子鐘帶上太空。

1973年，美國決定研發全球衞星定位系統。

1978年，第一顆GPS衞星發射成功。

在研發GPS衞星時，學者發現，根據愛因斯坦於1905年發表的狹義相對論，由於運動速度的關係，衞星上的原子鐘每一天會比地面上的原子鐘慢7微秒，而根據1916年發表的廣義相對論，由於在重力場中不同位置的關係，衞星上的原子鐘會比地面上的原子鐘每天快45微秒。兩者綜合，GPS衞星上的原子鐘每天會比地面快38微秒。由於GPS依靠間隔時間為20-30納秒的時鐘脈衝信號進行計算和定位，如果不對時間進行校準，定位位置將發生漂移。每天漂移距離約為10公里。

沒有相對論，就沒有全球衞星定位系統。

那麼站在1905年或1916年，人們能夠想象相對論有什麼用嗎？站在1854年，人們恐怕也無法想象黎曼幾何能有什麼應用。

即便在1978年的時候，美國研發GPS的目的也不過是為了給自己的導彈、核潛艇等進行定位。1983年大韓航空007航班誤入蘇聯領空被擊落。美國總統里根宣佈GPS將向民眾開放，以防止類似悲劇再次發生。1989年第一顆新一代的GPS衞星發射，1994年24顆GPS衞星全部入軌。我們今天開車必備的衞星導航，在1905年的時候連科幻小説作家都想象不出來。

當我們今天對着手機説：“幫我找一家附近評價最高的川菜館”的時候，這背後牽扯多少純理論呢？ 微積分 黎曼幾何 複變函數 概率論 相對論 電學 光學 有機化學 無機化學 ……

每一樣理論，在其誕生之時，恐怕都想不到其對今日日常生活的作用。

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理科與工科是不同的。

理科的目的在與探索這個世界的規律，而這些規律該如何得到應用，這是工科的事情。工科的主要工作就是用理科發現的理論、規律來解決人類社會中需要解決的問題（當然，工科在此過程中也發展出更多的對世界規律的認識）。

理科成果的用處，極少會像工科那樣明顯。理科應該是超前於時代的。如果理科不能超前於時代，那是這個時代的悲哀。

理科的研究總是艱難的、緩慢的。正因為如此，我們才應該堅持不懈地進行投入，不斷推進人類的認知邊界。

如果工科在解決實際問題時才發現理科的理論不能夠支持，這時候才去投錢到理科去研究相關的問題，那麼相關問題的解決恐怕就要往後拖延幾十年，極大地阻礙了人類社會的進步。當然，很多領域我們之前沒有意識到需要解決問題，等到意識到了，才發現有一些客觀規律我們還沒有掌握，這才會開始研究。但如果我們能預先探索這些方面，顯然對人類社會的發展會更為有利。

如果我們要儘量保證現有理論能夠解決現有問題，那麼就需要保證理科領先於整個社會。

因此，今天最前沿的理科研究，其第一次應用往往在幾十年上百年之後，它的應用形式很可能是我們現在難以想象的。

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