對撞實驗為什麼是智子的眼中釘？ | 袁嵐峯_風聞

■ 導言

智子只要對LHC的對撞數據施加一點干擾，就足以讓我們永遠找不到希格斯粒子了！現在，你明白智子的計劃了嗎？智子：這是計劃的一部分。

******■******本文為《看三體，要多想》系列之（二），系列（一）見：（納米絲切巨輪，技術上現實嗎？| 袁嵐峯）。

大家好，我是科技袁人袁嵐峯。正如章北海父親的格言“要多想”，今天我們來討論第二個“多想”。《三體》動畫片第二集中丁儀在太空對撞機實驗被智子擾亂後，對薩伊主席説：“人類科學已經宣告死亡。”那麼問題來了：三體為了鎖死地球的科技，為什麼要干擾我們的粒子對撞實驗？

人類科學已經宣告死亡

回答是：瞭解物質微觀結構的基本途徑之一，就是對撞。

例如大家在中學學過的原子核的概念，就來自對撞實驗。在約瑟夫·約翰·湯姆遜（Joseph John Thomson，1856 - 1940）最初發現電子的時候，他提出的原子模型是所謂葡萄乾布丁模型，即認為正電荷均勻分佈，電子鑲嵌在其中，就像幾個葡萄乾鑲嵌在布丁裏。

葡萄乾布丁原子模型

這個模型為什麼被拋棄？是因為1909年盧瑟福研究組做了一個實驗，用α粒子轟擊只有幾個原子厚的金箔。如果原子中的正電荷真的是均勻分佈的，α粒子就會輕鬆穿過金箔。

這就好像動畫片第一集中，羅輯教授講社會學課時，讓學生模擬對撞實驗，朝一張紙扔一支筆，結果“噗”的一聲穿了過去。在鬨堂大笑之餘，他們還總結出一條所謂科學規律：每當向紙投筆，都會發出“噗”的一聲。

羅輯課堂實驗

然而，盧瑟福的實驗結果卻不是這樣簡單。他們發現，大部分α粒子確實徑直穿過了金箔，然而有1/8000的α粒子卻發生了很大的偏折，超過90度，甚至有些反彈了回來！就像筆被紙反彈回來一樣驚人。不，還要更驚人，盧瑟福當年的描述是：就好像你向一張紙發射一顆炮彈，結果炮彈被彈了回來！

盧瑟福實驗

這説明原子內正電荷的分佈是非常不均勻的，所有的正電荷與大部分質量都集中在一個很小的原子核上。根據實驗數據，可以分析出原子核的半徑只有10的-15次方米的量級，比原子半徑還小10萬倍。假如把原子比作一個足球場，那麼原子核比足球還要小得多。

50多年前，對撞實驗又告訴我們一個知識：質子和中子並不是基本粒子。人們曾經認為它們是基本粒子，但對撞實驗表明它們有內部結構，所以不是基本粒子。現在人們認為，質子和中子都是由三個夸克（quark）組成的，夸克才是基本粒子。

夸克

而另外一邊，電子現在仍然被認為是基本粒子。這是因為人們幾十年來對電子做了大量的對撞實驗，至今也沒有把它“裂開”，即沒有發現任何它有內部結構的證據。

還有一個更近的知識，近到僅僅十年前才發現的，就是鼎鼎大名的“上帝粒子”（god particle），即希格斯粒子（Higgs boson）。在當前粒子物理學的標準理論即所謂標準模型中，所有的基本粒子最初都是沒有質量的。這就引出了一個嚴重的問題：質量是怎麼來的？1964年，三組理論家各自獨立地提出了一種解釋，現在叫做希格斯機制（Higgs mechanism）。這個理論認為存在一種希格斯粒子，普通粒子通過跟它的相互作用獲得了質量。好比一個名人走進一個會場，會場中的人紛紛起來跟他握手、合影或者要簽名，名人原本走得很快，由於要跟這麼多人相互作用，就走得慢了，這就好比獲得了質量。

基本粒子通過希格斯場獲得質量（摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告）

這個理論很巧妙，但直到2012年，在當時全世界最大的加速器“大型強子對撞機”（Large Hadron Collider，簡稱LHC）上收集了大量的實驗數據，才確認了希格斯粒子的存在（揭秘基本粒子質量起源——趙政國院士等大咖講述希格斯粒子背後的故事 | 中科院科學傳播研究中心）。

2012年7月4日宣告發現希格斯粒子（摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告）

實驗證據其實就是基於大量事件的統計，發現在某個能量上鼓起一個峯，説明那裏存在一種粒子。

試試看你能親自發現希格斯玻色子嗎？（摘自中國科學技術大學楊洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告）

探測希格斯粒子的難度，好比從稻草堆裏找到一根金針。如果沒有40多個國家、180多個大學和研究所、上萬名科學家和工程技術人員二十餘年的協同奮鬥，竭盡全力蒐集到上萬億個事件和提高信噪比，這種超級精細的發現是完全不可能的。

大型強子對撞機上的ATLAS探測器（摘自中國科學技術大學趙政國院士在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告）

從稻草堆裏找一根金針（摘自中國科學技術大學楊洪洮教授在2022年7月4日希格斯粒子發現十週年直播上的報告）

**從這些例子可以看出，對物質微觀結構的理解越來越依賴於對撞實驗的精度。智子只要對LHC的對撞數據施加一點干擾，就足以讓我們永遠找不到希格斯粒子了！**現在，你明白智子的計劃了嗎？智子：這是計劃的一部分。

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