巨型對(duì)撞機(jī)、粒子物理與中國(guó)科學(xué)發(fā)展

因坎德拉

《從萬(wàn)里長(zhǎng)城到巨型對(duì)撞機(jī)》講述了一個(gè)非凡的故事，那就是人類對(duì)微觀世界從原子到夸克的好奇心如何同時(shí)改變了我們對(duì)宇宙以及對(duì)我們自身存在的理解。這個(gè)故事穿越兩千年，從古希臘的原子論者出發(fā)，在隨后的千年中緩慢推進(jìn)，而從湯姆孫（J.J.Thomson）發(fā)現(xiàn)電子到近來(lái)發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子這大約120年里，它則以驚人的步伐加速前進(jìn)。

2012年7月4日，歐洲核子研究中心（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子，這是整個(gè)科學(xué)史乃至人類全部歷史中的重大里程碑，向我們揭示了關(guān)于宇宙的非凡事實(shí)。如今我們知道，我們的宇宙填充著一種量子場(chǎng)，它對(duì)于我們自身的存在，以及我們所知的一切存在物都至關(guān)重要。若不是它，電子就沒(méi)有質(zhì)量，原子就不會(huì)形成，因而也就沒(méi)有恒星，沒(méi)有地球，沒(méi)有人類！希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)完成了粒子物理學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)模型，這是人類有史以來(lái)對(duì)自然界在最基本的層次上最全面的描述。但這并不是故事的終結(jié)。的確，在一本激動(dòng)人心的著作中，最好將這看作其中一章的結(jié)束。

希格斯玻色子雖然回答了許多重要而深刻的問(wèn)題，但是它提出的新問(wèn)題比它解決的問(wèn)題還要多。在標(biāo)準(zhǔn)模型外，在我們所能確切解釋的事實(shí)外，還有新的奧秘。如今我們知道，宇宙物質(zhì)的絕大多數(shù)并非我們熟知的物質(zhì)，而是一種我們看不見且尚無(wú)任何理解的暗物質(zhì)。不過(guò)我們知道，暗物質(zhì)能夠解釋宇宙的大尺度結(jié)構(gòu)，而且還能解釋恒星在星系中令人困惑的運(yùn)動(dòng)。這種暗物質(zhì)也許與超對(duì)稱有關(guān)。超對(duì)稱是一種非?；镜睦碚?，它提出了一系列新的基本粒子。目前CERN正在積極搜尋它們。或者，暗物質(zhì)也可能全然是另一種東西，很可能大大出乎人們的預(yù)料。不過(guò)大致可以確定的是，無(wú)論它是什么，都與希格斯玻色子有著某種聯(lián)系，所以這種新粒子很可能就是給這段光輝歷史進(jìn)程打開下一篇章大門的鑰匙。

正因如此，中國(guó)乃至全世界的粒子物理學(xué)家，都對(duì)在中國(guó)建造巨型對(duì)撞機(jī)的可能性激動(dòng)不已。中國(guó)巨型對(duì)撞機(jī)的第一階段將是環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC），它使正負(fù)電子在240吉電子伏能量尺度發(fā)生對(duì)撞。這正是產(chǎn)生在CERN發(fā)現(xiàn)的那種希格斯玻色子所需的能量。這臺(tái)對(duì)撞機(jī)將大量產(chǎn)生希格斯玻色子，從而使我們以空前的精度研究其性質(zhì)。事實(shí)上，物理學(xué)家可以通過(guò)精確測(cè)量尋找對(duì)粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的細(xì)微偏離，從而提供關(guān)于新物理領(lǐng)域的無(wú)可爭(zhēng)辯的證據(jù)，并對(duì)今后的實(shí)驗(yàn)與理論給予重要指引。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模型沒(méi)有任何偏差也將是同等重要的事實(shí)，因?yàn)檫@將為我們提供寶貴線索，幫助我們排除許多假想的新物理模型。無(wú)論如何，這臺(tái)機(jī)器將在一個(gè)全新的基本層次上觀察自然，也會(huì)將中國(guó)推向基礎(chǔ)科學(xué)的最前沿。

在粒子物理學(xué)家看來(lái)，中國(guó)巨型對(duì)撞機(jī)所能取得的潛在突破非常清楚，并且意義重大。而中國(guó)從中所能取得的收益也同樣清楚和引人注目。粒子物理學(xué)既有許多實(shí)在的益處，又有一些巨大而無(wú)形的效益。首先，從最基本的層面研究宇宙如何運(yùn)轉(zhuǎn)是歷史悠久的傳統(tǒng)，對(duì)這一領(lǐng)域的貢獻(xiàn)將是永恒的。因而這在文化層面上就極端重要。它能帶來(lái)聲譽(yù)、承載歷史意義、并鼓舞人心。我想指出，物理學(xué)經(jīng)常是通過(guò)關(guān)于我們?cè)谟钪嬷械奈恢眠@樣的大問(wèn)題吸引年輕人，然而一旦他們進(jìn)入物理學(xué)領(lǐng)域，就還會(huì)看到像拓?fù)浣^緣體這樣美妙的東西，他們從前肯定想象不到會(huì)對(duì)之發(fā)生興趣，而且這些東西還有巨大的實(shí)用價(jià)值。粒子物理俘獲想象力，并極大地推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)步，這對(duì)所有科學(xué)領(lǐng)域都大有裨益。此外，我們還有像萬(wàn)維網(wǎng)這樣的意外收獲。粒子物理領(lǐng)域還創(chuàng)造了超導(dǎo)線與超導(dǎo)強(qiáng)場(chǎng)磁鐵，同時(shí)為醫(yī)學(xué)診斷研發(fā)了加速器，將輻射探測(cè)器應(yīng)用到醫(yī)學(xué)影像學(xué)中。

《從萬(wàn)里長(zhǎng)城到巨型對(duì)撞機(jī)》一書講述了粒子物理學(xué)如何改變了我們?nèi)粘Ｉ畹木使适?，盡管在任何時(shí)候，粒子物理看上去似乎都與我們的日常生活毫無(wú)關(guān)系。本書還講述了粒子物理學(xué)怎樣為了一個(gè)更偉大的目標(biāo)，而成就了迄今為止全球和平與合作的最佳典范。而這一點(diǎn)將是未來(lái)世界所愈加需要的。最后，此書描述了一臺(tái)位于中國(guó)的巨型對(duì)撞機(jī)的激動(dòng)人心的可能性，它將成為通往下一個(gè)重大突破和進(jìn)入粒子物理學(xué)新篇章的橋梁。

中國(guó)人是當(dāng)今現(xiàn)代世界中最偉大的民族之一，因此，在人類對(duì)宇宙最為古老、最為基礎(chǔ)、最為深刻的研究進(jìn)行到最為激動(dòng)人心的關(guān)頭，中國(guó)完全適合成為其新的領(lǐng)導(dǎo)者。