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酷玩實(shí)驗(yàn)室作品 2012年7月4日早上9點(diǎn)，位于日內(nèi)瓦的歐洲核子中心（CERN）主禮堂，坐滿了來(lái)自世界各地的頂級(jí)物理學(xué)家。這一天，CERN向全球公布了一則消息：大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的超導(dǎo)環(huán)場(chǎng)探測(cè)器和緊湊繆子線圈實(shí)驗(yàn)組，發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子。這個(gè)消息一出，著實(shí)讓一部分人大受震撼。但，更多的人，恐怕看不懂。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是啥？希格斯玻色子又是啥？在格斯玻色子被發(fā)現(xiàn)的次年（2013年），彼得·希格斯就獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。至于希格斯玻色子，還有個(gè)很響亮的名字“上帝粒子”。希格斯玻色子的發(fā)現(xiàn)，填補(bǔ)了粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型最后、最重要的一塊基石。用我們習(xí)慣的官話來(lái)說(shuō)，這就是在基礎(chǔ)學(xué)科研究方面取得了一項(xiàng)重大突破。隨后，國(guó)內(nèi)也掀起了一波關(guān)于中國(guó)要不要建造大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的爭(zhēng)議。并且，要建的是比LHC規(guī)模更大的超大對(duì)撞機(jī)。這一年9月4日，楊振寧公開(kāi)發(fā)文《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》，他列舉了N條理由，做出了反對(duì)。這些理由也都有一定道理，比如美國(guó)30億美元建造對(duì)撞機(jī)最終打水漂；LHC建造費(fèi)用加上后期探測(cè)器等費(fèi)用累計(jì)超過(guò)100億美元，超大對(duì)撞機(jī)耗費(fèi)更大，作為主導(dǎo)國(guó)承擔(dān)巨大成本；目前我國(guó)仍處于發(fā)展中國(guó)家、世界重要高能物理學(xué)家我國(guó)只占百分之一、二，未必成為最終成果取得者；希望用超大對(duì)撞機(jī)發(fā)現(xiàn)“猜想”中的超對(duì)稱粒子只是“猜想加上猜想”……當(dāng)天，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳就對(duì)楊振寧的理由進(jìn)行逐條反駁。不得不承認(rèn)，大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)就是一臺(tái)巨大的“吞金獸”。LHC的主體結(jié)構(gòu)像是一個(gè)金屬甜甜圈，加上設(shè)備總重量五萬(wàn)多噸，如果從中間某處剪斷并拉直，長(zhǎng)達(dá)27公里，開(kāi)車(chē)都得半個(gè)小時(shí)。國(guó)際空間站、肯尼迪航天中心、福特級(jí)航空母艦在它面前都像小朋友的玩具一般。運(yùn)行期間，LHC的管理機(jī)構(gòu)，全世界最大的粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室，歐洲核子研究中心CERN從法國(guó)電網(wǎng)獲取大約200兆瓦的電力，相當(dāng)于是瑞士日內(nèi)瓦市能源消耗的三分之一。眾所周知，今年2月，俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生之后，歐洲就面臨能源緊張的問(wèn)題。然而，2022年4月22日，經(jīng)過(guò)三年多的停機(jī)維護(hù)升級(jí)，法國(guó)瑞士邊境100米深的地下，世界上能量最高、性能最先進(jìn)、總造價(jià)近百億美元的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC，開(kāi)始了新一階段運(yùn)行前的束流循環(huán)測(cè)試。而早在2020年6月，日內(nèi)瓦的歐洲核子中心理事會(huì)就已經(jīng)全票通過(guò)《2020歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》，將建造正負(fù)電 子對(duì)撞機(jī)和未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)（FCC）作為最高優(yōu)先選項(xiàng)。也就是說(shuō)，在粒子物理學(xué)實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)領(lǐng)跑的全球歐洲核子中心，還想比其他國(guó)家地區(qū)再領(lǐng)先一個(gè)身位。那么，粒子物理學(xué)到底有什么魔力，對(duì)于當(dāng)下的科技、經(jīng)濟(jì)發(fā)展有什么用，我們國(guó)家要不要搞出屬于自己的超大對(duì)撞機(jī)？“物理學(xué)從來(lái)就沒(méi)有存在過(guò)，將來(lái)也不會(huì)存在?！?/span>在所有關(guān)于死亡的故事里，《三體·黑暗森林》中理論物理學(xué)家楊冬的自殺遺言是最讓我震撼的。由于三體文明發(fā)射的兩顆質(zhì)子干擾了地球粒子對(duì)撞機(jī)的實(shí)驗(yàn)，物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型崩塌，科學(xué)家們窮極一生追求的物理規(guī)則似乎消失了，三觀盡毀，干脆一死了之。基礎(chǔ)物理研究被鎖死，人類400年里只能不斷改進(jìn)應(yīng)用科技，終究沒(méi)逃過(guò)被三體文明一艘小小探測(cè)器碾壓的悲劇。把弩改進(jìn)到極致依舊是弩，勉強(qiáng)對(duì)付燧發(fā)槍，不可能敵得過(guò)結(jié)合微積分、化學(xué)分子式、金屬原子結(jié)構(gòu)之后發(fā)明的機(jī)關(guān)槍、榴彈炮。而當(dāng)愛(ài)因斯坦寫(xiě)下揭示更底層規(guī)律的質(zhì)能方程后，飛機(jī)大炮也被原子武器塑造的大國(guó)秩序所左右。沒(méi)有基礎(chǔ)科學(xué)的進(jìn)步，就沒(méi)有應(yīng)用科技的跨越。質(zhì)子封鎖是劉慈欣筆下的幻想，人類科學(xué)發(fā)展的腳步放緩卻越來(lái)越成為現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。335年前，牛頓力學(xué)問(wèn)世，有了精準(zhǔn)的工程計(jì)算，當(dāng)時(shí)問(wèn)世已久的蒸汽機(jī)才得以改良，開(kāi)啟第一次工業(yè)革命。157年前，麥克斯韋統(tǒng)一了電磁光，我們才有了第二次科技革命帶來(lái)的電視電燈電話等等電氣設(shè)備。100多年前，量子力學(xué)創(chuàng)立，打下固體電子理論和能帶理論的基礎(chǔ)，半導(dǎo)體芯片與信息產(chǎn)業(yè)由此發(fā)芽。時(shí)至今日，我們?nèi)栽谂逝郎蟼€(gè)世紀(jì)理論基礎(chǔ)上的應(yīng)用創(chuàng)新，量子計(jì)算機(jī)依舊沒(méi)走出實(shí)驗(yàn)室。正如民間廣為流傳的那句抱怨與期待：“物理學(xué)已經(jīng)上百年沒(méi)有重大突破了”。2018年，美國(guó)著名科普作家約翰·霍根以《科學(xué)碰壁了嗎？》為題發(fā)文列出了一系列科學(xué)技術(shù)放緩的現(xiàn)象：1、諾貝爾科學(xué)獎(jiǎng)的獲得者平均年齡正在急劇提高；2、不同行業(yè)的投入與產(chǎn)出的比例都不斷下降；3、物理學(xué)家越來(lái)越關(guān)注弦理論和多元宇宙這些太小或者太大領(lǐng)域，甚至一些科學(xué)家開(kāi)始研究泛心論，越來(lái)越玄了。基礎(chǔ)科學(xué)的放緩如多米諾骨牌般，間接影響到了我們每一個(gè)人的生活。今天的一些革命性的創(chuàng)新源頭依舊在半個(gè)世紀(jì)之前，比如5G背后的香農(nóng)定理。應(yīng)用科技的創(chuàng)新再也沒(méi)有產(chǎn)生20世紀(jì)初電力、青霉素、信息技術(shù)那種普遍性的影響，商業(yè)計(jì)劃很多時(shí)候只是讓少數(shù)人受益，甚至有一些完全淪為了割韭菜的鐮刀。新的技術(shù)革命不出現(xiàn)，就不會(huì)帶來(lái)新的大規(guī)模就業(yè)和財(cái)富機(jī)會(huì)。飛行汽車(chē)呢？長(zhǎng)生不老呢？星際探索呢？這些一百年前科幻作品里出現(xiàn)的東西，今天依舊是科幻。馬斯克的創(chuàng)業(yè)伙伴，彼得蒂爾說(shuō)，我們需要的是飛行汽車(chē)，卻只得到了140個(gè)字符的推特。難道前沿科學(xué)真的碰壁了？我們真的撞不破這堵嘆息之墻嗎？解答這些問(wèn)題之前，我們有必要了解一下當(dāng)下物理學(xué)是怎樣運(yùn)行的。今天的物理學(xué)是一門(mén)實(shí)證科學(xué)，它的研究是，先得觀測(cè)到一個(gè)現(xiàn)象，再提出解釋這個(gè)現(xiàn)象的假說(shuō)，然后我們用實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證這個(gè)假說(shuō)，再推廣結(jié)論將其普遍化，普遍化的過(guò)程當(dāng)中很可能又會(huì)發(fā)現(xiàn)一些解釋不了的現(xiàn)象，然后再提假說(shuō)，再驗(yàn)證，如此循環(huán)的過(guò)程。這種研究方法開(kāi)始于16—17世紀(jì)。在此之前物理學(xué)的研究主要是基于生活常識(shí)甚至于宗教經(jīng)典，是伽利略首次把觀測(cè)和實(shí)驗(yàn)確立為研究物理的核心方法，比如他通過(guò)大小兩個(gè)鐵球同時(shí)落地的比薩斜塔實(shí)驗(yàn)推翻了亞里士多德越重的東西落地越快的學(xué)說(shuō)，再比如他發(fā)明望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)天體運(yùn)動(dòng)確立了日心說(shuō)。在之后通過(guò)傳說(shuō)中落地的蘋(píng)果，牛頓意識(shí)到天體間的引力和地球上力學(xué)規(guī)律的一致性，從而實(shí)現(xiàn)了物理理論的首次大統(tǒng)一。在很多人印象中，牛頓是一個(gè)偉大的物理學(xué)家，數(shù)學(xué)家，就如同現(xiàn)在每年得諾貝爾獎(jiǎng)的那些偉大的科學(xué)家一樣。牛頓發(fā)明的微積分使人類對(duì)于世界的觀察計(jì)算，從靜態(tài)計(jì)算，擴(kuò)展到對(duì)于變化過(guò)程的瞬時(shí)動(dòng)態(tài)計(jì)算，以及對(duì)于長(zhǎng)期變化過(guò)程的累積效果的計(jì)算。人類第一次擁有了對(duì)于我們所處世界完整而精確的計(jì)算能力。牛頓定義了經(jīng)典力學(xué)的基本概念，提出了力學(xué)三定律，萬(wàn)有引力定律和光的粒子學(xué)說(shuō)，將數(shù)學(xué)，物理學(xué)和天文學(xué)，通過(guò)物質(zhì)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一了起來(lái)，形成了初代的大一統(tǒng)理論。基于牛頓的理論，1682年，英國(guó)天文學(xué)家哈雷，計(jì)算出一個(gè)彗星的軌道周期為76年。76年后這顆彗星居然真的如約而至，從此被命名為“哈雷彗星”，雖然當(dāng)時(shí)哈雷本人早已去世。1845年，英國(guó)天文學(xué)家約翰亞當(dāng)斯，利用萬(wàn)有引力定律，預(yù)言天王星后面還存在一顆行星在影響著天王星的軌道。一年之后，人們?cè)诶碚擃A(yù)言的軌道位置真的發(fā)現(xiàn)了這顆行星，也就是海王星。我們現(xiàn)代人其實(shí)很難想象這些事件給當(dāng)時(shí)的人帶來(lái)的震撼。因?yàn)樯裾f(shuō)要有光，世界上才有了光。你區(qū)區(qū)一個(gè)哈雷說(shuō)這顆星星76年后要回來(lái)，它就這么聽(tīng)你的話？你約翰亞當(dāng)斯看都沒(méi)看到，就說(shuō)那邊有顆星星，那邊還真有一顆星星。這不亂了套了嘛？一種全新的機(jī)械論世界觀開(kāi)始逐漸深入人心，也就是，我們這個(gè)世界不過(guò)大量機(jī)械運(yùn)動(dòng)的組合，它是可以被認(rèn)識(shí)的，它的規(guī)律是可以被掌握的，我們可以利用這些規(guī)律改造這個(gè)世界。用尤里烏斯凱撒的話來(lái)說(shuō)就是，我來(lái)，我見(jiàn)，我征服。在此之后的三百年里，力學(xué)、熱學(xué)、聲學(xué)、光學(xué)、電學(xué)，也就是中學(xué)實(shí)驗(yàn)室里就能學(xué)習(xí)、試驗(yàn)的“力熱聲光電”領(lǐng)域進(jìn)入了穩(wěn)步發(fā)展階段。進(jìn)入20世紀(jì)，相對(duì)論和量子力學(xué)這兩大“網(wǎng)紅”物理學(xué)理論突破了幾百年來(lái)的認(rèn)知限制，將物理學(xué)研究帶入到了“至快至強(qiáng)”的境地，也就是基本粒子在高能量下的接近光速的運(yùn)動(dòng)，但這也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題，就是這種運(yùn)動(dòng)完全超出了肉眼凡胎的感知范圍。如此一來(lái)，要如何對(duì)于科學(xué)家提出的假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證呢？比如之前我們可以用顯微鏡，也就是光的折射反射，來(lái)觀察肉眼不可見(jiàn)的細(xì)胞、分子、甚至原子，但當(dāng)研究的對(duì)象成了“光子”本身時(shí)，或者是接近光速運(yùn)動(dòng)的電子時(shí)，就無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有技術(shù)直接觀測(cè)了。如果無(wú)法對(duì)假說(shuō)進(jìn)行驗(yàn)證，物理學(xué)就成了無(wú)源之水，無(wú)根之木，將會(huì)完全淪為空想。我們大家都學(xué)過(guò)的中學(xué)物理對(duì)于這個(gè)世界的構(gòu)成有一個(gè)基本模型，帶正電的質(zhì)子和電中性的中子組成一個(gè)小小的原子核，外面廣闊的空間由帶負(fù)電的電子所構(gòu)成的“云”所占據(jù)，它們共同構(gòu)成一個(gè)原子。然后原子組成分子，原子分子組成我們這個(gè)世界上的一切。不知道大家有沒(méi)有想過(guò)這樣一個(gè)問(wèn)題，這個(gè)模型對(duì)于氫原子是完美的，但是一旦中間的質(zhì)子超過(guò)一個(gè)，那么多帶正電的質(zhì)子擠在那么小的原子核里，同性相斥，為什么沒(méi)有被彈開(kāi)來(lái)呢？很顯然這里缺了一些東西，我們需要更深刻的模型來(lái)解釋這個(gè)世界。粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型是以量子場(chǎng)論為表達(dá)方式，描述宇宙間基本粒子及其相互作用力（除引力外）的理論。組成我們這個(gè)世界的基本粒子分為費(fèi)米子和玻色子，其中費(fèi)米子組成物質(zhì)本身，而玻色子負(fù)責(zé)傳遞物質(zhì)之間的作用力。費(fèi)米子包括上夸克，下夸克，電子，中微子，以及它們分別有同類的另外兩代粒子。夸克相互結(jié)合形成的復(fù)合粒子，叫強(qiáng)子。強(qiáng)子中最穩(wěn)定的就是質(zhì)子和中子。其中，兩個(gè)上夸克加一個(gè)下夸克組成質(zhì)子，一個(gè)上夸克加兩個(gè)下夸克組成中子。中子質(zhì)子組成原子核，與電子一起組成原子，進(jìn)而構(gòu)成世間萬(wàn)物。而中微子是一種電中性的質(zhì)量極小的粒子，可以在宇宙中自由穿梭。規(guī)范玻色子包括，負(fù)責(zé)傳遞電磁作用力的光子，負(fù)責(zé)傳遞強(qiáng)相互作用力的膠子，以及負(fù)責(zé)傳遞弱相互作用力的w玻色子和z玻色子。我們生活中的電磁力，化學(xué)反應(yīng)，彈力，摩擦力，都是因?yàn)楣庾铀鶄鬟f的電磁作用。原子核中多個(gè)帶正電的質(zhì)子、以及不帶電的中子們之所以不會(huì)分崩離析，都是因?yàn)槟z子所傳遞的強(qiáng)相互作用力。強(qiáng)相互作用力在原子核尺度上的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于質(zhì)子之間的電磁排斥力。強(qiáng)力貢獻(xiàn)了強(qiáng)子的大部分質(zhì)量。以強(qiáng)子中的質(zhì)子為例，組成質(zhì)子的三個(gè)夸克的質(zhì)量?jī)H占質(zhì)子質(zhì)量的大約1%，質(zhì)子的主要質(zhì)量其實(shí)源于強(qiáng)相互作用能，核反應(yīng)釋放出的能量也是主要來(lái)自強(qiáng)相互作用能。我們?nèi)粘Ｉ钪械奈镔|(zhì)都是由原子分子組成，也就是靠電磁力連接的，如果我們有朝一日能造出類似三體中水滴的靠強(qiáng)力連接的材料，它將無(wú)堅(jiān)不摧。而原子核之所以衰變，是因?yàn)閣和z玻色子傳遞的弱相互作用力的影響，比如下夸克可以通過(guò)所謂β衰變成為上夸克，釋放出一個(gè)電子和一個(gè)中微子，中子也隨之就變成了質(zhì)子。而在這套體系里有一個(gè)最核心的粒子，也就是中間的希格斯玻色子。在2012年之前，希格斯玻色子只是粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型所預(yù)言的一種粒子。1964年，希格斯玻色子由以英國(guó)的彼得希格斯、比利時(shí)的弗朗西斯恩格勒為代表的6位物理學(xué)家先后預(yù)言。沒(méi)有它，世間萬(wàn)物便沒(méi)有質(zhì)量（結(jié)合能的等效質(zhì)量不包括在此）；沒(méi)有它，看似完美的標(biāo)準(zhǔn)模型理論便無(wú)法與現(xiàn)實(shí)相融洽。我們可以這樣粗糙做個(gè)比喻，以方便理解希格斯玻色子如何賦予其他粒子質(zhì)量。就好比上午十點(diǎn)，北京朝陽(yáng)大悅城開(kāi)門(mén)營(yíng)業(yè)，里面有不少工作人員。你、我、他作為普通顧客進(jìn)入商場(chǎng)，不會(huì)受到任何人的阻攔打擾，能快速地穿過(guò)商場(chǎng)大廳，直奔想去的店鋪。突然，蔡徐坤出現(xiàn)在商場(chǎng)里，那些ikun聞?dòng)嵢口s來(lái)，將他圍個(gè)水泄不通。這個(gè)要簽名、那個(gè)要拍照，明星花了半個(gè)小時(shí)才來(lái)到普通人三十秒就能走到的一處店鋪。在這里，ikun的作用就像是希格斯玻色子。普通顧客便是那些沒(méi)有質(zhì)量的粒子、比如光子。由于沒(méi)有希格斯粒子的作用，光子沒(méi)有質(zhì)量，從而能飛速運(yùn)動(dòng)。明星就是有質(zhì)量的粒子，比如質(zhì)子、中子。由于受到希格斯粒子的影響，被賦予了質(zhì)量，從而導(dǎo)致行動(dòng)緩慢。回到微觀世界，科學(xué)家怎么才能觀察到這些ikun？對(duì)撞機(jī)的存在意義，就是通過(guò)人為控制撞擊粒子，記錄之后的反應(yīng)事例，來(lái)研究這個(gè)“至快至強(qiáng)”的物理過(guò)程。大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)是將強(qiáng)子加速到接近光速，來(lái)進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，對(duì)撞的是強(qiáng)子中的質(zhì)子。被加速的質(zhì)子來(lái)自一瓶紅色的氫氣罐。通過(guò)直線加速器Linac4，氫負(fù)離子被加速到160 MeV的能量，然后注入到質(zhì)子加速助推器（PSB）中。之后，每個(gè)氫離子會(huì)被剝離兩個(gè)電子，只剩下一個(gè)質(zhì)子。將質(zhì)子加速到2GeV并注入到質(zhì)子同步加速器（PS），加速到 26 GeV。接下來(lái)，直徑為2公里的超級(jí)質(zhì)子同步加速器 （SPS） 將這些質(zhì)子的能量進(jìn)一步提高到 450 GeV，最終注入到LHC的27公里的加速器主環(huán)中。準(zhǔn)備對(duì)撞的粒子要想加速到足夠高的能量，需要在環(huán)里飛行約30分鐘，期間以接近光速飛行大約2000萬(wàn)圈，如果換成直線加速，長(zhǎng)度需要大約4萬(wàn)公里，得繞地球建一圈。環(huán)形相比于直線占地規(guī)模更小，但代價(jià)是，為了讓這些以近乎光速飛行的粒子乖乖聽(tīng)話地繞圈圈，就需要使用磁場(chǎng)極大的電磁鐵約束、彎曲粒子運(yùn)動(dòng)的路徑。為此，LHC使用了1232個(gè)主偶極磁鐵，來(lái)組成束流管道，每個(gè)長(zhǎng)15米，重35噸。配合主偶極磁鐵，LHC上還裝有數(shù)千個(gè)從各個(gè)方向方向擠壓粒子束流，保持粒子束流穩(wěn)定性、對(duì)撞前聚焦的四級(jí)磁鐵，此外，還有六極、八極和十極磁鐵，來(lái)查漏補(bǔ)缺。所有磁鐵加起來(lái)超過(guò)九千個(gè)，總重36000噸，磁場(chǎng)高達(dá)8.3特斯拉，比@地球磁場(chǎng)強(qiáng)10萬(wàn)多倍，是LHC最復(fù)雜的主要部件。如此高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，需要電磁線圈中通過(guò)一萬(wàn)多安培的電流。但電流越大發(fā)熱越嚴(yán)重，為了避免過(guò)熱，所有磁鐵部件都是用低溫超導(dǎo)材料鈮鈦（NbTi）制造的，整個(gè)浸泡在120 噸溫度只有2.17 K（-270.98℃）的超流體液態(tài)氦中在幾個(gè)星期，是世界上最大的低溫系統(tǒng)。有了低溫磁鐵讓粒子跑圈還不夠，為了避免LHC中的粒子束與加速器內(nèi)的氣體分子發(fā)生碰撞，管道內(nèi)還必須保持與太空一樣空曠的真空。LHC的真空管道總長(zhǎng)104公里，其中包括長(zhǎng)50公里、直徑0.3米、真空壓力需要降到約10(-6)毫巴的絕緣真空管道，LHC利用真空對(duì)磁鐵進(jìn)行隔熱，從而維持超導(dǎo)所需的極低溫度。隔絕液氦和超導(dǎo)磁體的絕緣真空管道各有25公里。此外，還有用于對(duì)撞粒子加速的兩束共54公里長(zhǎng)的束流管道。束流管道雖然位于絕緣真空管道內(nèi)，但它們相互獨(dú)立。這些束流管道中，有溫度保持在零下271.3度的48公里長(zhǎng)的彎曲弧段，和溫度保持在室溫的6公里長(zhǎng)的直線段。在弧段中，超高真空由9000立方米氣體的低溫抽吸來(lái)維持。當(dāng)束流管被冷卻到極低的溫度時(shí)，氣體冷凝并粘附在束流管內(nèi)壁上。在不到兩周的泵送時(shí)間里，管內(nèi)的壓力可降至10(-13)個(gè)大氣壓以下。束流管道內(nèi)的壓力在10(-10)到10(-11)毫巴之間，幾乎相當(dāng)于月球表面的真空程度。如今，LHC是世界上最大的可操作真空系統(tǒng)。質(zhì)子在7公里長(zhǎng)的真空管道一圈圈地加速，最終加速到光速的99.9999%，能量達(dá)到到6萬(wàn)5千億電子伏特（6.5TeV），在四個(gè)巨大的探測(cè)器內(nèi)的磁場(chǎng)作用下，兩束相向飛行的粒子發(fā)生碰撞，撞擊的能量達(dá)到了13萬(wàn)億電子伏特（13TeV）。碰撞之后的粒子進(jìn)入到4個(gè)探測(cè)器當(dāng)中，它們的運(yùn)動(dòng)軌跡隨之被記錄下來(lái)。在LHC運(yùn)行期間，探測(cè)器每天都會(huì)記錄140 TB的粒子對(duì)撞數(shù)據(jù)，幾乎相當(dāng)于每天寫(xiě)一億本《紅樓夢(mèng)》 信息量爆炸。這些探測(cè)器背后，有來(lái)自包括中國(guó)科學(xué)家在內(nèi)的全世界數(shù)千名科學(xué)家組成的合作組，合作組成員通過(guò)研究解讀實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，來(lái)尋找有關(guān)宇宙問(wèn)題的答案，來(lái)滿足這個(gè)星球上最聰明的那批人超脫于世俗之外的好奇心。兩千多年前，古希臘哲學(xué)家亞里士多德認(rèn)為，物體之所以會(huì)落下地面，是因?yàn)榈厍蛭巳f(wàn)物的質(zhì)量。物體越重，從高處落下的速度也越快。16世紀(jì)后期，為了駁斥深入大眾人心的上述觀點(diǎn)，意大利物理學(xué)家伽利略在比薩斜塔上做了個(gè)物體下落實(shí)驗(yàn)。證明了不論物體重量如何，都會(huì)以相同的速度下落。從人類第一次思考自然界的重力，到完成描述宇宙中四種基本相互作用力的理論框架，歷史的車(chē)輪已滾過(guò)了兩千多年。愛(ài)因斯坦之所以推崇麥克斯韋，是因?yàn)楹笳咄瓿闪藢?duì)電力和磁力的統(tǒng)一理論描述。在愛(ài)因斯坦的后半生里，繼承麥克斯韋的衣缽，統(tǒng)一電磁力和引力成了他最大的執(zhí)念。不過(guò)，他最終也未能如愿，因?yàn)橐υ谖⒂^尺度上影響實(shí)在太小，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型至今也沒(méi)有將引力的作用納入其中。自上世紀(jì)后半葉被逐步完善以來(lái)，粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型以近乎完美地表現(xiàn)，解釋了與電磁相互作用、弱相互作用以及強(qiáng)相互作用相關(guān)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，它所預(yù)言的基本粒子也一一被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。1995年，標(biāo)準(zhǔn)模型中最后一個(gè)夸克——頂夸克，被美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的對(duì)撞機(jī)Tevatron發(fā)現(xiàn)；2000年，最后一個(gè)中微子，τ中微子同樣被Tevatron發(fā)現(xiàn)，進(jìn)入21世紀(jì)，只剩下希格斯玻色子了。建造LHC的最初目標(biāo)，就是尋找它。為了驗(yàn)證希格斯玻色子的確存在，只有一條路:人工模擬宇宙大爆炸的過(guò)程，人為地創(chuàng)造這個(gè)被稱為“上帝粒子”的粒子。為了尋找它，人類花了半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間，匯集了全世界一百多個(gè)國(guó)家，超萬(wàn)名物理學(xué)家、工程師。為了尋找它，人們耗資百億美元，建造了大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC。LHC的首次運(yùn)行始于2009年，靠著每天撞出的海量數(shù)據(jù)，三年后的2012年，希格斯粒子被確認(rèn)發(fā)現(xiàn)！2012年7月，CMS和ATLAS兩大探測(cè)器實(shí)驗(yàn)組在CERN大會(huì)堂里聯(lián)合舉行了發(fā)布會(huì)，正式宣布發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子！83歲高齡的彼得希格斯和80歲的弗朗西斯恩格勒坐在臺(tái)下，熱淚盈眶。早在2008年，LHC剛剛建成運(yùn)行時(shí)，就曾遭到一些科學(xué)家和學(xué)界外人士聯(lián)合起訴，說(shuō)什么LHC有可能會(huì)制造出黑洞，將地球吞噬，因此要求永久關(guān)閉LHC。CERN為此花了差不多一年的計(jì)算論證，終于證明了所謂的“毀滅地球”是無(wú)稽之談，才壓下要求關(guān)閉的聲音。此后十多年來(lái)，在運(yùn)行與檢修間交替往復(fù)的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)，一次次撞擊著矗立在今天基礎(chǔ)科學(xué)前面無(wú)形的高墻。蒸汽機(jī)的原型早在公元一世紀(jì)就有了，緩慢發(fā)展到18世紀(jì)初，出現(xiàn)了用來(lái)給礦井排水的紐卡門(mén)蒸汽機(jī)。而瓦特跟之前這些發(fā)明家的區(qū)別就在于他在格拉斯哥大學(xué)系統(tǒng)地學(xué)習(xí)過(guò)高等數(shù)學(xué)和牛頓力學(xué)，他會(huì)根據(jù)科學(xué)分析和工程計(jì)算進(jìn)行創(chuàng)造發(fā)明。人類對(duì)于電和磁的觀察和描述可以追述到幾千年前，但直到麥克斯韋他提出了將電、磁、光表述為同一種現(xiàn)象的的理論，我們賴以工作、生活、娛樂(lè)的一切手機(jī)通信、電腦互聯(lián)、衛(wèi)星導(dǎo)航，才得以出現(xiàn)。早在1821年，便有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了具有半導(dǎo)體特性的材料，但是停留于經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，直到進(jìn)入二十世紀(jì)后，量子力學(xué)出現(xiàn)，才誕生了專門(mén)研究固體物質(zhì)在原子尺度的特性的固體物理，人類這才擁有了從理論層面解釋半導(dǎo)體機(jī)理的科學(xué)工具。現(xiàn)代社會(huì)離不開(kāi)各種電子設(shè)施。電腦、手機(jī)、電子顯微鏡、核磁共振儀等等工具，它們內(nèi)部的晶體管、二極管、微芯片、射頻系統(tǒng)等構(gòu)件的設(shè)計(jì)離不開(kāi)量子力學(xué)的理論支撐。GPS或者北斗導(dǎo)航靠的是天上的衛(wèi)星，而為了提供精準(zhǔn)的定位導(dǎo)航服務(wù)，必須考慮相對(duì)論效應(yīng)的影響。衛(wèi)星在地球軌道上的飛行速度約為14000公里每小時(shí)，在如此高的速度下，根據(jù)狹義相對(duì)論的計(jì)算，衛(wèi)星上的時(shí)間流逝每天會(huì)比地球慢7微妙。7微妙聽(tīng)起來(lái)不多，但如果不加修正，定位到地面上的精度可能會(huì)擴(kuò)大到好幾公里！而如果我們真的希望有一天，能夠?qū)崿F(xiàn)飛行汽車(chē)，長(zhǎng)生不老，星際探索，就必須要發(fā)現(xiàn)我們這個(gè)世界更深層次的規(guī)律，建立起新的理論體系。于是便有了將量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合，描述前面所說(shuō)的那個(gè)“至快至強(qiáng)”的世界的理論體系——量子場(chǎng)論。我想，在那一刻，人類完全有資格說(shuō)：正是凡人之軀，洞悉宇宙神明。人類認(rèn)識(shí)宇宙規(guī)律的過(guò)程就像是在茫茫大海中尋找寶藏。在無(wú)邊無(wú)際的大海上，人的思維智慧成槳，實(shí)驗(yàn)化作羅盤(pán)。沒(méi)有思維智慧，人類寸步難行；沒(méi)有實(shí)驗(yàn)手段，人類迷失方向。LHC就是當(dāng)下我們探索宇宙規(guī)律的那方羅盤(pán)。上帝粒子被發(fā)現(xiàn)，但故事并沒(méi)有結(jié)束！因?yàn)樗皇菢?biāo)準(zhǔn)模型的其中一環(huán)，但這個(gè)宇宙是如此浩瀚，以至于標(biāo)準(zhǔn)模型只解釋了其中一小塊的內(nèi)容。超出標(biāo)準(zhǔn)模型的物理是什么樣的？弦理論能被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證嗎？愛(ài)因斯坦尋覓半生的那個(gè)夢(mèng)：統(tǒng)一描述宇宙中的四種基本相互作用力，我們還能實(shí)現(xiàn)嗎？這些問(wèn)題撩動(dòng)著所有人的心緒。美國(guó)費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的加速器Tevatron是LHC建成前世界上最大的對(duì)撞機(jī)，頂夸克和τ中微子都是由它發(fā)現(xiàn)。截止到2022年，它已經(jīng)停止運(yùn)行了十一年，但針對(duì)該設(shè)施的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)還在分析中。今年4月初，也就是LHC重啟前幾天，Tevatron的實(shí)驗(yàn)人員發(fā)布了有關(guān)W玻色子（傳遞弱相互作用的基本粒子）質(zhì)量的最新分析結(jié)果——與標(biāo)準(zhǔn)模型的預(yù)言值有顯著差別。實(shí)驗(yàn)家激動(dòng)，理論家興奮，因?yàn)檫@或許意味著標(biāo)準(zhǔn)模型的確是一個(gè)并不完善的理論，在它之外，還有更多需要人類認(rèn)識(shí)、書(shū)寫(xiě)的東西。當(dāng)然，Tevatron的結(jié)果還需要進(jìn)一步驗(yàn)證，LHC此時(shí)也正好接過(guò)了交接棒。經(jīng)過(guò)三年多的檢修升級(jí)，開(kāi)始第三階段運(yùn)行的LHC整體性能得到了進(jìn)一步的提升，后續(xù)將達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的13.6萬(wàn)億電子伏（13.6 TeV）。ATLAS和CMS 實(shí)驗(yàn)將采集的碰撞數(shù)據(jù)比前兩個(gè)階段加起來(lái)還多。LHCb實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)量有望增加三倍，而研究重離子碰撞的ALICE實(shí)驗(yàn)升級(jí)最為突出，預(yù)計(jì)將增加50倍的數(shù)據(jù)采集量。暴增的數(shù)據(jù)將讓全球物理學(xué)家可以能更為詳細(xì)地研究希格斯粒子，更為準(zhǔn)確地測(cè)量W玻色子的質(zhì)量，將使粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型及其各種擴(kuò)展模型受到更為嚴(yán)格的測(cè)試。而下一階段更強(qiáng)大的粒子對(duì)撞機(jī)也在研究和籌備中，有可能中國(guó)人會(huì)接過(guò)接力棒。而這一切只為回答兩千多年前的古人提出的一串經(jīng)典的哲學(xué)問(wèn)題：我是誰(shuí)？人類從哪里來(lái)？宇宙要到哪里去？如果沒(méi)有解答這些究極問(wèn)題，人類只會(huì)像螻蟻般，在沒(méi)有出口的死胡同面前原地打轉(zhuǎn)，陷入自我懷疑與群體內(nèi)卷中無(wú)法自拔，更無(wú)法突破科學(xué)發(fā)展的隱形墻壁，在危機(jī)、紛爭(zhēng)與戰(zhàn)火中耗盡文明的氣數(shù)。現(xiàn)實(shí)中，我們可以靠粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型來(lái)干什么呢？目前為止誰(shuí)也不知道！從基因的角度來(lái)看，大腦不過(guò)是為了繁殖后代的工具，卻偏偏琢磨出了相對(duì)論，量子力學(xué)，預(yù)言了上帝粒子、黑洞、引力波。
[01]https://home.cern/news/news/accelerators/large-hadron-collider-restarts[02]https://home.cern/about/who-we-are/our-history[03]《粒子物理學(xué)導(dǎo)論》, 肖振軍/呂才典, 科學(xué)出版社（2016）[04] ATLAS images gallery https://home.cern/resources/image/experiments/atlas-images-gallery[05] How long does the LHC take to accellerate a particle to its full speed?https://physics./questions/659311/how-long-does-the-lhc-take-to-accellerate-a-particle-to-its-full-speed-how-long[06] Large Hadron Collider - Animation Videohttps://www./watch?v=FLrEghnKncA[07] Oxford Sparks: A quick look around the LHChttps://www./watch?v=BEnaEMMAO_s[08] Inside The World's Largest Particle Acceleratorhttps://www./watch?v=328pw5Taeg0[09] 《量子場(chǎng)論導(dǎo)論》, Michael E. Peskin / Daniel V. Schroeder, 世界圖書(shū)出版公司（2006-1）
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