何去何从：大型对撞机

今天看到有人又把醋醋的那篇关于对撞机的爆文翻出来，我突然想起了小学僧的这篇科普文。此文用“极其”通俗易懂的语言解释了对撞机和基础物理学，是非常好的科普佳作。转过来供大家欣赏和学习。

何去何从：大型对撞机

原创老和山下的小学僧2019-05-30 15:19:47

近来物理学界爆发了一场口水大战：中国该不该建大型对撞机？这场与吃瓜毫无关系的争论迅速超过了明星恋爱结婚怀孕离婚的关注度，参与撕逼的吃瓜群众之多、群情之激昂，令人咂舌！可谓物理学难得的奇景！

本小学僧起个大早赶个晚集，这回炒个冷饭。为免消化不良，咱从搭灶头说起吧！

背景

物理学的最高教义是“统一”，认为所有规律最终都是相通的，而目前却有四种基本的相互作用关系：

1.引力：只要有质量就有引力，这叫“万有引力”。

2.电磁力：就是你们理解的电磁力，还有，化学反应的本质就是电子换来换去，这也是电磁力。

3.强力：比如把质子拧在一起形成原子核的这种力，按理说带正电的质子靠这么近，排斥力是无穷大的。强力是物理学中比较难的领域。

4.弱力：比如放射性衰变这些。

还有可能存在人类尚未发现的其他作用关系，前沿物理学就是为了撮合这四个力，谁要能把这四大力统一了，绝对是物理学的新一轮爆发，对人类科技的推动甚至会超越量子力学。此等份量，多少物理学家为之前仆后继！

咱回顾一下。

话说当年，牛顿领着众人盖了一座经典物理学大厦，后来麦克斯韦把大楼盖到了极致，极致到别人都没事可干了，所谓物极必反，于是闲得慌的爱因斯坦就带着一帮闲人把这豆腐渣工程给拆了，后人称：一牛二爱三麦。这头三把交椅无人撼动。

小爱那帮人拆了老大楼后，果然在废墟上发现了不少宝贝，争来夺去遂分成两大帮派：一曰量子力学，一曰相对论。

量子帮虽然混的风生水起，但毕竟是众多小头目头脑风暴的产物，缺乏统筹，更像是科学界的暴发户，不知道咋回事就发财了。好歹都是文化人，得注意吃相，然后就出了个狄拉克。

狄拉克的代表作是《量子力学原理》，要没牛逼到一定程度，谁敢取这名！狄拉克深刻，而且是异常深刻地揭示了量子力学各大理论的内在联系，构建了完整的量子体系。

通俗的说，狄拉克应该算第一个把量子力学拎清的人，初步统一了量子帮，份量沉甸甸的，是第四把交椅的头号人选。

统一后的量子帮跑马圈地，很快就把三大力收入麾下，光杆司令爱因斯坦的相对帮捞了个引力，这风云突变的江湖，有个关键人物：对撞机。

接下来，上正餐。

粒子物理学

狄拉克使量子帮实力大增，又常年在微观领域混，自然先拿粒子开刀，遂设一分舵：粒子物理学，又叫高能物理学。简单点说，就是为了弄明白粒子到底是什么玩意儿。（给科盲补个点心：粒子是电子、质子、介子、夸克、中微子等等等等所有这些小玩意儿的统称，目前已发现几百种粒子。）

粒子就粒子呗，为啥叫高能？在微观领域，“看”这个词是没有意义的。研究微观粒子，主要就一个手段：撞！狠狠地撞！这需要很高的能量，“高能”这名就这么来的。

白话文翻译翻译。如果想研究汽车，吃瓜群众的做法是，打开发动机盖，然后，看。而高能物理学家的做法是，加速两辆汽车，让它们对撞，如果飞出个轮子，就认为汽车含有轮子，飞出个方向盘，就认为汽车含有方向盘。然后，飞不出更多东西了，就提高汽车速度，再撞，结果又飞出个发动机，就认为汽车含有发动机。

起初大家撞的很开心，只要撞出一个新粒子，妥妥一个诺贝尔奖。后来撞来撞去也飞不出新东西了，怎么办？高能物理学家说，当然是再加快速度啊，把汽车加速到接近光速，说不定能撞出油漆呢。于是就需要大型，不对，是“超大型对撞机”。超大型的意思就是，烧大把大把的钱。

口水大战

这钱到底该不该烧？不急，先说理论。

物理学家根据两大帮规，提出形形色色的粒子模型。有人认为汽车是地上跑的，那么他就期待撞出个轮子，别撞出机翼；有人认为汽车是电驱动的，那么他就期待撞出个电池，别撞出油箱……当然这涉及异常复杂的数学和逻辑，不是天马行空的臆想。其中的巅峰人物便是：杨振宁。

老杨虽然有些争议，但不得不承认其在高能物理上的贡献。非阿贝尔规范场理论、宇称不守恒定律、杨－巴克斯特方程……这些，我等凡人就别看了。诺贝尔奖的份量也还是不够说明问题，在物理学历史上，有那么几号人，如果没得诺贝尔奖，那不是他们的遗憾，而是诺贝尔奖的遗憾。

这么说吧，狄拉克统一了量子帮，而老杨带领量子帮建立了标准粒子模型，统一了三大作用力，这过程异常有趣，在现代物理篇中再细说。在物理史上，老杨可以说是“坐五望四”的存在！活着的人里绝对是最猛的！

面对“粒子是个什么玩意儿”这个近乎哲学的问题，老杨几乎交了一份标准答案！简单地说标准模型：费米子是组成物质的粒子，玻色子负责传递各种作用力。费米子有电子、夸克、中微子等，相当于构成物质的原材料；玻色子有负责传递电磁力的光子，负责传递弱核力的W及Z玻色子，负责传递强核力的8种胶子。这套模型统一了强力、弱力、电磁力，唯独缺了引力。

白话文的意思：老杨说，汽车是由轮子、发动机、车门、变速箱等等组成的，然后通过电路相互联系。然后，众人纷纷沿着老杨的套路往下走，找到了轮子，得诺奖！找到了车门，得诺奖！老杨们都很开心。

清华大学送给杨振宁的90岁生日礼物，刻了他13项主要贡献

同时交卷的，还有隔壁老王们，他们觉得老杨们太敷衍，光折腾“粒子是个什么玩意儿”太没劲，于是就挑了个更高级的命题：“宇宙是个什么玩意儿”。然后在答卷上洋洋洒洒写下四个大字：“超弦理论”（所有的东西都是由一小段一小段的能量弦构成）。这扯蛋的理论至少需要十维才能自圆其说，比如，引力之所以不像电磁波会被屏蔽，是因为引力子走的是更高的维度，这样四大力就统一了。

超弦理论数学无比漂亮，结构无比完美，个中代表便是美籍华人数学家丘成桐（就是呼吁烧钱那位）。尽管超弦理论是数学家为物理学家准备的完美情人，不过……证据一个没有！为了找到这个完美情人，需要对撞机撞出个“超对称粒子”，帮助超弦理论从单纯的数学模型变成实质的物理定律。

老王们说，无论车门还是发动机，汽车本质上全是由铁组成的，只要速度再提高就能把一切都撞成铁片。

对撞机

高能物理的阅卷老师就是“大型对撞机”。粒子通常带电，所以用电场加速，用磁场控制方向，但粒子对撞并不是手枪对射那么轻松，过程中需要对粒子流进行操作。想要存放接近光速的粒子，只能让它们绕圈，不然你就是把管道修到月球上，也放不了2秒钟。对撞机一般都由直线加速部分和存储环或加速环组成。

要让近光速的粒子拐弯，你想想，得多大的磁场？速度越快，拐弯越难，所以圈也就越大。不过，现在的对撞机很多已经沦为辐射光源了（电子拐弯时损失的能量以辐射方式释放），相当于大号显微镜，这茬先不说。

当对撞机能量为10亿ev时，撞出了轮子，验证了老杨的理论；没撞出铁皮，无法验证老王们的理论。老王们说，再造一台十倍能量的对撞机，超弦理论就能验证。

当对撞机能量为100亿ev时，撞出了变速箱，验证了老杨的理论；没撞出铁片，无法验证老王们的理论。老王们说，再造一台十倍能量的对撞机，超弦理论就能验证。

……

然后，一直造到了10万亿ev，撞出一堆反光镜、挡风玻璃、刹车油门什么的，依然只验证了老杨的理论，依然无法验证老王们的理论。老王们说，再造超超超大型对撞机。

哦，对了，1ev的能量可简单理解为宏观世界的1万摄氏度，再往后提高能量，可比烧开水难多了。

对撞机撞了这么多年，把老杨的理论越撞越稳固，而根据老杨的理论，再撞下去意义也不大了。于是老杨就跳出来说，老王们别折腾了，真理在我这儿，你们赶紧想别的辙吧！

老王们想，连几百年的牛逼顿大楼都能被捣毁，老杨的理论才撞了几十年，算哪根葱！于是，吵着还要撞，下一把只烧1000亿。

反对者就起哄：你们这套路不行啊！估计50年都没戏！钱都被你们烧了！我们烧什么！

支持者也起哄：你行你上啊！you can you up！no can no BB！没有新套路就按老套路办！

吃瓜群众：这个人品有问题，那个吃相太难看，这个出身有问题，那个血统不纯正……烧也行，呃，不烧也行……反正我就是知道。

LHC

当年美帝计划用40亿美刀烧一个“超导超级对撞机”（SSC），这是怎样一个怪胎呢？单就说说那个环的大小吧！

红圈就是对撞机，注意上方达拉斯城市的大小。第一段环形低速加速器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，最后一段是87.1公里的对撞环。

加速器的超导管道就沿着这些隧道放，5年烧了20亿，才完成了20%的工程，大笔一挥，预算增加到83亿。刚上台的克林顿吓得差点没尿裤子，直接砍了项目，20亿打个水漂，然后去忽悠欧萌烧，“萌萌，你烧一个吧，等你烧好了，我家老王们过来帮你一起撞。”

欧萌作为西方文明的发源地，历来比美帝憨厚的多，于是拍下80亿美刀要烧“大型强子对撞机”（LHC），勤勤恳恳烧了14年，2008年正式启动测试。这种工程不超预算是不可能的，最后到底烧了多少钱，只有天晓得。 

LHC是个27公里的圆形隧道，位于地下100米，貌似是人类造过的最大装置，就是为了加速最小的粒子。

粒子在这些管道里加速，然后相撞，物理学家一直期待能撞出超弦理论最主要的假设：超对称粒子，以验证超弦理论，可惜结果一直很呵呵。

对撞机需要大量超导材料

LHC可以把相撞粒子加速到光速的99.9999991%！2015年12月15日，欧洲原子能研究机构宣布：不出意外，一个超对称粒子都没找到的。这一撞，有人称为“高能物理的绝唱”。

尽管超对称理论的原始参数空间已经有99.999%被否决了，老王们依然不甘心，为了这剩下0.001%的可能，还得再烧1000亿。当然，无论再烧多少钱，都不可能把这剩下的0.001%消灭干净，还会有0.0001%，0.00001%……

如今地主家没余粮了，于是老王们希望中国能接着烧。烧一个多大的呢？下图，小红圈是中国正在跑的北京正负电子对撞机的环，外面的绿圈是LHC的环，右边红色虚线，就是老王们指望中国烧的尺寸。

LHC花费巨资，消耗无数人才，撞到现在也就撞了个“希格斯玻色子”，俗称上帝粒子，它解释了质量的来源，更加完善了老杨的粒子模型。其他成就乏善可陈，大家都觉得有些不好意思，于是给了个诺贝尔安慰奖。

虽然老杨的模型不完美，压根没考虑引力，却非常实用，而完美的超弦理论依然是水中花镜中月。

造不造？

哥们儿，快歇歇吧！连中微子都不认识，却在操心要不要造大型对撞机。通常来说，这种不涉及民生的行业问题，都是行业内部解决，老百姓懂个鸟，外行别跟着瞎起哄，增加无谓的政治压力。不过为了过把瘾，本小学僧就代表吃瓜群众小小起个哄吧。

首先得明白，完美的数学模型不一定就是真理。当年牛顿的数学模型也很完美，为了让牛爷的理论放之宇宙皆准，搞了个“以太理论”，可怜的迈克尔逊为了验证以太，测了八年光速，结果成功把以太亲手掐死了。

老杨在物理发展上的眼光一直相当犀利，他旗帜鲜明反对中国现在造超大型对撞机，这不仅消耗钱，更消耗人才。当然，这肯定得罪了超弦派和高能派，加上自身也是个有缝的鸡蛋，于是被黑惨了。这里必须得替老杨说一句，在这件事情上，他还算公正的。

对撞机是否是唯一出路？在前沿物理，人类那点知识比古人好不了多少，谁也不知道哇！所以，大型对撞机就成了人类文明的一场豪赌！下一轮赌注：1000亿人民币，胜率：0.001%，收益：科技大爆发。

还有人类内部的博弈。基础科学有个头疼的事情，一则与创造财富非常遥远，二则不存在产权保护（比如我发现地球是圆的，这个产权怎么保护？），几乎就是一个纯烧钱的活动。

如今，应用技术虽在井喷，但基础科学举步维艰，可能是真的遇到瓶颈，也可能是各国长期投入不足导致的。（全球核聚变的研发投入，不及化妆品的1/40，其实化妆品技术和几十年前没多大差异，缺的只是行业管理。）

换个角度看，18世纪世界科学中心在英国，19世纪世界科学中心在德国，20世纪世界科学中心在美国，21世纪你要不要争取一下？当前全球经济一片哀嚎，政治环境焦头烂额，中国兴建大量的硬件设施（如贵州“天眼”已投入运行），再加上稳定的政治环境，必然会引起各国科学家来华工作，促进科学中心的转移。如果综合这些因素考虑，中国人为基础科学花点钱，未尝不可。想当老大，不光是潜艇航母导弹，基础科学的大旗也得抗起来。

回到实际操作上，1000亿走正常的预算流程，肯定会挤压其他科研经费，这对整体的科研环境是非常不利的。若是非要赌一把，必须得是赚外快的钱，比如：

把湾湾收了，每年上百亿美刀的军费不用上供美帝，一年就可赌一把。

把足球彩票改成“对撞机彩票”，一年就可赌四把，成果保证不会比足球差。

去李家破赌场蹲坑，把骗中国人的钱讨回一些，一年就可赌六把！中国周边的赌场，形势之严峻，堪比鸦片战争。

……

吃瓜群众，下面该你起哄了！