驳王孟源（二）：研制、建造下一代对撞机真的没有意义吗？

粲先生

2021-01-24 15:25

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在观察者网记录王孟源与《科工力量》对话的文章《王孟源：中国要崛起，基础科研需要“讲实话”》中，王孟源几度表示研制、建造下一代对撞机没有意义。

虽然他在对话中的言论暴露了他对对撞机这个领域其实是完全陌生的，所有论据也不过是一些上个世纪90年代的关于美国的对撞机项目流产这件憾事的道听途说，以及一些后来的小道消息。但是，再一次的，这也暴露了国内一线科研工作者们的科普工作确实没有做到位。

因此，下面我将借此机会从物理方面和非物理方面两个方向阐述研发下一代对撞机的意义。

先说物理方面。

王孟源说：

我举个例子，大型对撞机这东西，它的理论根本就不存在，因为我刚刚提过这个高能物理的标准模型是1974年做出来的，到现在基本上没有超过它的理论。标准模型里面的所有的粒子，最后一个被发现的是Higgs，也就是2012年被发现的希格斯粒子。你要再建一个新的大对撞机，那很显然的就连理论基础都没有，更不用说应用价值。

目前，世界上有好几个对撞机正在设计、研发阶段。

这里面就包括了美国已在2020年批准了的，将在纽约长岛布鲁克海文国家实验室建设，并将于2030年左右投入运行的电子-离子对撞机（EIC）；已被《2020欧洲粒子物理学战略》规划列为未来最优先考虑项目的，欧洲未来环形对撞机（FCC-ee/hh）；还在等待政府批准，但预研进展顺利的，计划将建于日本的国际直线对撞机（ILC）；以及中国提出的，也在积极预研中的环形正负电子对撞机（CEPC）。

2012年夏天，欧洲核子研究中心发现了希格斯粒子，在2012年秋天，中国的科学家就根据欧洲核子研究中心的测量数据，提出了设计“希格斯粒子工厂”对撞机的设想。

这种对撞机运行在最容易产生希格斯粒子的能量上，即240 GeV。它将采用环形设计，这样可以最大限度重复利用粒子束。然而，由于电子在转小弯时会产生大量韧致辐射导致能量被大量浪费，所以对撞机的周长不能做的很小。经过多方权衡，科学家发现100公里左右周长的对撞机是可以大量、高效产生希格斯粒子的最节约的方案。这便是后来的CEPC。

欧洲的科学家也做了类似的研究，也得出了类似的结论，这便是欧洲版的“希格斯粒子工厂”对撞机FCC-ee。

CEPC与FCC-ee这两台对撞机在设计上有很多相似之处，因为的主要目的都是研究希格斯粒子的各种性质。

希格斯物理是物理学研究的一座富矿。早期宇宙演化、电弱相变、质量起源、暗物质与暗能量等等研究方向都与希格斯粒子的性质有关。

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希格斯物理与其它学科的联系

在世界上最大的学术文章预印本网站arXiv上，如果搜索“Higgs”（希格斯），可以找到超过五千篇相关的理论文章（还不包括数量更多的现象学解释与实验的文章）。

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arXiv上关于希格斯理论的文章的搜索结果

这些文章或利用现有实验数据对希格斯粒子的某些性质进行了计算、解读和预测，或提出了自己的理论假设，或延伸了现有的模型。

但绝大多数文章中的理论，都有一个特点，那就是，它们在数学上是自洽的。也就是说，这些理论从逻辑上看，没毛病，从数学上来看，也没毛病。

但就是如果没有实际实验数据的检验，谁都不知道他们的理论究竟对不对。

就像是，霍金为什么获得不了诺贝尔奖？这就是因为虽然他的理论看起来很美，数学上没毛病，但是他研究的黑洞很难被检验，虽然很多人都信他的理论，但却都不能100%确定他是对的。

就像是，在民间饱受争议的“弦理论”，同样是因为难以被验证而不被一些人承认。但是，弦理论自身也是数学上很美的，也是逻辑上自洽的。

（顺便说一句，很多人看到二手伪科普自造的词“超弦教”就以为弦理论不受主流学界的支持，但实际上就连杨振宁自己都是支持研究弦理论的。在2016年发表的《杨振宁：中国今天不宜建造超大对撞机》一文中，杨振宁列举的第七点论点就提到了弦理论。原文如下：（七）不建超大对撞机，高能物理就完全没有前途了吗？不然。我认为至少有两个方向值得探索：A. 寻找新加速器原理。B.寻找美妙的几何结构，如弦理论所研究的。）

但这些研究希格斯物理的理论学家应该说比霍金要幸运一点点。因为他们中很多理论是可以被检验的，那就是依靠未来欧洲或中国建造的大对撞机。现实是，并不像王孟源说的那样，对撞机所需的“理论根本就不存在”，而是有太多的理论，等待着被对撞机检验。

就像是自然选择会导致物种进化一样，筛选出对的理论，排除掉错的理论，物理学就能进化一点点。

对撞机，就像是微生物学家手中的显微镜，是粒子物理学家观测和认知微观世界必不可少的工具。因此对于物理学家来说，建造下一代对撞机意义重大。

再来说说物理之外的意义。

一个长达几十或上百公里的科学研究设备，精度能做到微米级别，本身就是一个工程奇迹了。更别说对撞机上无数的组件的研发了。

建设对撞机靠的不是投币即得的许愿机，而是无数组件从无到有，一件件开发，一件件组装出来的。

而如今的科学研究早已经进入了学科交叉，彼此互通的时代。为高能物理学研究而研制出来的科学研究仪器的组件，也能在其他领域大显身手。

随便举一个例子，就拿最近的成果来说吧，在对撞机中一个真正为粒子加速的部件：超导高频腔。

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超导高频腔

超导高频腔是利用超导材料制成，将电磁波以类似驻波的形式困于腔体内，并利用腔内周期变化的电场持续加速带电粒子的元件。其中周期变化的电场如下图所示。

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超导高频腔内电场周期性变化示意图

在使用中，当电子以近乎于光速通过第一个腔体之后，电场方向就正好会在经过半个周期后改变方向。而相邻的两个腔体中的电场方向永远相反，这样进入第二个腔体中的带电粒子就能够继续从电场中获取能量。

这种超导腔内的电场非常强，以至于每1米长度的超导腔就能够给带电粒子施以数千万伏特电压的能量。

长久以来，超导高频腔的技术都被国外的科研机构所垄断。但是从CEPC被设想出来至今，中国的高能物理实验团队就一直在钻研这种元件的技术。终于，中科院高能物理研究所在2020年末试制出了第一批纯国产的超导高频腔。经过同行专家的多次检验，发现这种国产超导高频腔的品质完全不亚于国外最优秀的产品。

而超导高频腔并不仅仅能应用在对撞机上。

预计在2025年前后将在上海兴建的硬X射线自由电子激光装置，在建成之后将能为物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供高分辨成像、超快过程探索、先进结构解析等尖端研究手段，成为很多其它学科的研究利器。而硬X射线自由电子激光装置的电子加速核心部件正是超导高频腔。超导高频腔实现国产化之后，其它学科的高分辨成像、先进结构解析等需求将不再受制于国外是否供应这种元件。

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规划中的上海硬X射线自由电子激光装置的位置

再比如，超导磁铁技术本身。

如今，超导技术已应用广泛，不过人类第一次大规模使用超导磁铁就是在对撞机领域，就是在建设于芝加哥郊外的费米实验室的Tevatron对撞机上。为此，美国费米实验室还获得了电气与电子工程师协会（IEEE）所颁发的“里程碑奖”。

切实的应用需求是技术进步无可替代的推动力，对撞机这样巨大的需求给发展超导技术一种难以替代的发展动力。

当然，若没有对撞机这样巨大的需求，超导磁铁的技术也会慢慢发展起来，但对撞机的需求使得这种技术早了很多年实现了大规模应用，这无疑也是在推动社会的进步。

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美国费米实验室因人类首次大规模使用超导磁铁而获得IEEE所颁发的“里程碑奖”

再比如，一个老生常谈的例子，万维网。

上个世纪六七十年代就已出现了因特网。然而早期的因特网没有网站，的使用只能通过敲代码等形式进行简单的数据交流，是一个高度技术性和专业性的工作。

在上个世纪80年代末，在位于欧洲核子研究中心的大型正负电子对撞机（LEP）正式开机运行的前夕，欧洲核子研究中心的数据科学家蒂姆·伯纳斯-李为了让高能物理学家们更高效的共享信息，设计了超文本传输协议（HTTP）。

不久，欧洲核子研究中心的科学家们按照这个协议搭建了人类历史上第一台万维网（WWW）服务器。从此，用户登陆服务器上的网站，浏览网页获取信息成为可能。

万维网的出现彻底改变了人类信息交流的方式，使得“上网”这件事从高度技术性的专业工作变成了人人可以完成的轻松小事。

顺便说一句，世界上第一个网站是http://info.cern.ch，欧洲核子研究中心至今为纪念而保留着它最初的内容。中国境内的第一个网站则是建立于1994年4月的http://www.ihep.ac.cn，至今仍被用作中国科学院高能物理研究所的主页。

为什么万维网会诞生于高能物理这样一个看似边缘的学科？还是那句话，切实的应用需求是技术进步无可替代的推动力。

在欧洲的大型强子对撞机上，有四个实验对撞点。以其中一个对撞点为例，在全力运行期间，每秒钟在对撞点中会记录4000万次对撞的数据，每一次对撞的数据有几个MB大小。虽然探测器的实时筛选系统可以过滤掉97%以上的物理意义不太大的信息，但是，每秒钟经过传输的数据仍然能达到几个TB。

即便是在经过更细致的筛选之后，每年在欧洲大型强子对撞机上存储记录下的数据，也能超过200PB，也就是大约200,000,000 GB，有数据科学家计算过，这个数据量比世界上最大的社交网站Facebook上每年产生的所有数据之和还要大，是每年谷歌搜索的数据的两倍还要多。

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LHC上每年存储的数据与Facebook等网站的比较。预计到2026年，HL-LHC对撞机上存储的物理数据将会达到每年1EB（十亿GB）。左侧大圆则是互联网上所有数据的总量，大约是15EB。图片来源EPS HEP 2017 会议，作者Ian Bird。

在了解了这样独特的数据处理需求之后，也便不难理解为何万维网这样方便数据分享的技术会产生于高能物理学科了。

类似的例子还有，诞生于高能物理领域的分布式计算技术，现在也已是大数据处理常用的技术之一了。

在下一代对撞机这样庞大且精细的设备的研制过程中，也会遇到很多人类从未遇到过的技术挑战的挑战。在解决这些挑战的过程中，一定会有新的技术诞生，而新技术总能够辐射到高能物理以外的领域。

高能物理专业的学生，多多少少都会学习一些大数据处理和编程的知识。我们都知道，学生永远会比老师要多，学生毕业之后不可能都会进入科研行业，还会有很多进入如软件开发或金融等其它行业。而获得于高能物理专业学习时的技能在其它行业也会有用武之地，高能物理的教育一样可以为社会其它行业培养有用的人才。王孟源自己不就是一个很好的例子吗？

最后，我想再谈回物理本身。

高能物理本身的具体应用前景毕竟不明朗。我们对未来会如何应用这些知识是未知的，但是，我们已知的是，这些知识未来一定会有用。

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。

对于高能物理所研究的知识有什么用这个问题，知乎上有个答主已给出了很好的答案。我把它复制在此，作为这一篇文章的结尾。

问题：

耗费巨资做实验证实希格斯玻色子，何时能产生实质性的回报？

回答：

作者：冷哲

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

来源：知乎

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我们不知道。

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1854年，黎曼提出了黎曼几何的初步设想。

1905年，爱因斯坦发表狭义相对论。

1912年，罗伯特·哥达德于开始研究火箭。

1916年，爱因斯坦发表广义相对论，其中使用黎曼几何作为核心数学工具。

1957年，第一枚人造卫星Sputnik 1发射成功。

1959年，第一种卫星定位系统Transit开始研发。1960年测试成功。

1967年，Timation卫星系统将原子钟带上太空。

1973年，美国决定研发全球卫星定位系统。

1978年，第一颗GPS卫星发射成功。

在研发GPS卫星时，学者发现，根据爱因斯坦于1905年发表的狭义相对论，由于运动速度的关系，卫星上的原子钟每一天会比地面上的原子钟慢7微秒，而根据1916年发表的广义相对论，由于在重力场中不同位置的关系，卫星上的原子钟会比地面上的原子钟每天快45微秒。两者综合，GPS卫星上的原子钟每天会比地面快38微秒。由于GPS依靠间隔时间为20-30纳秒的时钟脉冲信号进行计算和定位，如果不对时间进行校准，定位位置将发生漂移。每天漂移距离约为10公里。

没有相对论，就没有全球卫星定位系统。

那么站在1905年或1916年，人们能够想象相对论有什么用吗？站在1854年，人们恐怕也无法想象黎曼几何能有什么应用。

即便在1978年的时候，美国研发GPS的目的也不过是为了给自己的导弹、核潜艇等进行定位。1983年大韩航空007航班误入苏联领空被击落。美国总统里根宣布GPS将向民众开放，以防止类似悲剧再次发生。1989年第一颗新一代的GPS卫星发射，1994年24颗GPS卫星全部入轨。我们今天开车必备的卫星导航，在1905年的时候连科幻小说作家都想象不出来。

当我们今天对着手机说：“帮我找一家附近评价最高的川菜馆”的时候，这背后牵扯多少纯理论呢？微积分黎曼几何复变函数概率论相对论电学光学有机化学无机化学 ……

每一样理论，在其诞生之时，恐怕都想不到其对今日日常生活的作用。

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理科与工科是不同的。

理科的目的在与探索这个世界的规律，而这些规律该如何得到应用，这是工科的事情。工科的主要工作就是用理科发现的理论、规律来解决人类社会中需要解决的问题（当然，工科在此过程中也发展出更多的对世界规律的认识）。

理科成果的用处，极少会像工科那样明显。理科应该是超前于时代的。如果理科不能超前于时代，那是这个时代的悲哀。

理科的研究总是艰难的、缓慢的。正因为如此，我们才应该坚持不懈地进行投入，不断推进人类的认知边界。

如果工科在解决实际问题时才发现理科的理论不能够支持，这时候才去投钱到理科去研究相关的问题，那么相关问题的解决恐怕就要往后拖延几十年，极大地阻碍了人类社会的进步。当然，很多领域我们之前没有意识到需要解决问题，等到意识到了，才发现有一些客观规律我们还没有掌握，这才会开始研究。但如果我们能预先探索这些方面，显然对人类社会的发展会更为有利。

如果我们要尽量保证现有理论能够解决现有问题，那么就需要保证理科领先于整个社会。

因此，今天最前沿的理科研究，其第一次应用往往在几十年上百年之后，它的应用形式很可能是我们现在难以想象的。