大型強子對撞機(大型強子對撞機建造的目的是什么?)

大對撞機是什么 大型強子對撞機簡述

1、大型強子對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備，英文名稱為LHC。

2、歐洲大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型強子對撞機坐落于日內瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深，總長17英里（含環形隧道）的隧道內。2008年9月10日，對撞機初次啟動進行測試。

3、2019年8月1日，大型強子對撞機（LHC）的下一代“繼任者”——高亮度大型強子對撞機項目的升級工作正在進行，亮度將提升5到10倍。

大型強子對撞機是什么？

大型強子對撞機是粒子物理科學家為了探索新的粒子，和微觀量化粒子的‘新物理’機制設備，是一種將質子加速對撞的高能物理設備。歐洲大型強子對撞機是現在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型強子對撞機坐落于日內瓦附近瑞士和法國的交界侏羅山地下100米深，總長17英里（含環形隧道）的隧道內。

大型強子對撞機將是世界上最大、能量最高的粒子加速器，來自大約80個國家的7000名科學家和工程師。由40個國家建造。是一種將質子加速對撞的高能物理設備。它是一個圓形加速器，深埋于地下100米，它的環狀隧道有 27 公里長，坐落于在瑞士日內瓦的歐洲核子研究中心（又名歐洲粒子物理實驗室），橫跨法國和瑞士的邊境。

當兩個質子束在環形隧道中沿著反方向運動的時候，強大的電場使它們的能量急劇增加。這些粒子每運行一圈，就會獲得更多的能量。要保持如此高能量的質子束繼續運行需要非常強大的磁場。這么強的磁場是由冷卻到接近絕對零度的超導電磁體產生的。物理學家們最希望建造的是一個30公里長的機器，它能以至少5千億電子伏的能量將電子和正電子一起粉碎。

目前；對撞機已經發現了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升級后發現‘夸克奇異重子’五種夸克的‘味變’集合體存在，改造升級能量的加大還會‘探索發現’超對稱粒子和希格斯耦合粒子與粒子的額外維相存在。這個加速器、它的儀器和技術方面的基礎設施的操作器，都安裝在歐洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑內。在這里，大型強子對撞機內的粒子流將在加速器環周圍的4個區域相撞，這4個區域與粒子探測器的位置相對應。

物理哲學家：大型強子對撞機已經打破了物理學

除了希格斯玻色子之外，大型強子對撞機（LHC）還沒有發現任何新的基本粒子。這對粒子物理學家來說無疑非常失望，因為他們相信這個巨型的粒子加速器應該能找到更多的新粒子、額外的空間維度、微型黑洞、新的對稱性、暗物質，或者其他完全不同的東西。然而，這些期望全都落空。

之所以粒子物理學家相信，大型強子對撞機能發現除希格斯玻色子之外的東西，是因為目前最好的物理學理論——粒子物理標準模型，不是“自然的”。

論點大致是這樣的：希格斯玻色子有別于標準模型中的其他粒子。其他粒子的自旋位1或或者1/2，但希格斯粒子的自旋為0。正因為如此，量子漲落對希格斯粒子的質量做出了更大的貢獻。這讓粒子物理學家認為，一旦碰撞能量足夠高，在制造出希格斯粒子的同時，一定會有別的東西隨之出現。

在物理學中，自然性（Naturalness）是指物理理論中出現的自由參數或物理常數之間的無量綱比值應該取“1數量級”的值。也就是說，一個自然理論的參數比應該是2.34，而不是234000或0.000234。從這個意義上來講，令人滿意的物理學理論應該是“自然的”，這一要求是上世紀60年代在粒子物理學領域興起的一種思潮。它是一種美學標準，而非物理學標準。

然而，粒子物理標準模型在技術上是不自然的觀點并沒有實際意義，因為這些被認為是麻煩的量子貢獻是無法觀測到的。因此，自然性的缺乏完全是一個哲學上的難題，關于它的辯論源于一個根本性的困惑：什么東西一開始需要用科學解釋？如果不能觀測到，那就沒有什么好解釋的了，為什么我們還要談這個？

數十年來，總有人會相信自然論。但事實上，基于自然論的大型強子對撞機預測并沒有奏效。那么，粒子物理學家最終會拋棄自然性的觀點嗎？

然而，粒子物理學家對他們此前所做出的明顯失敗的預測保持沉默。除了歐洲核子研究組織（CERN）理論小組負責人、自然論最有力的倡導者之一Gian Francesco Giudice在2017年發表了一篇承認有問題的論文之外，沒有人愿意承認有什么地方出了嚴重的問題。

也許粒子物理學家只是希望沒有人會注意到他們的錯誤，更不用說這些錯誤已經在所有出版的文獻中出現了。一些粒子物理學家正忙于發明新的自然論，預測新的粒子只會出現在下一個更大的對撞機上。

對于粒子物理學家而言，這可能是一個不好的情況，但對于哲學家而言，這是一個很好的情況，因為他們對別人的問題最感興趣。南加州大學（University of Southern California）的物理哲學家David Wallace認為，大型強子對撞機已經打破了物理學。為此，他最近寫了一本名為《自然性與涌現》（Naturalness and Emergence）的書。

關于粒子物理學家預測的失敗，Wallace在書中寫道：

“我認為，任何這種自然性的失敗，都有可能破壞我們對理論間還原的整個理解結構，因此，物理領域的危機可能比人們有時認為的要嚴重得多。”

在科學哲學中，“理論間還原”是指在一定條件下，一個適用范圍更廣的理論可以還原為形式更為簡潔的理論。例如，在速度遠小于光速的情況下，狹義相對論可以還原為牛頓力學。

Wallace在書中進一步寫道：

“如果自然論在粒子物理學和宇宙學中完全失敗，則就沒有可靠的方法論論據來假設它們無處不在（比如在統計力學中）。”

迄今為止，粒子物理標準模型已經成功地解釋了來自大型強子對撞機的每一個數據片段。不管怎樣，這個理論都是非常成功的理論。如果有人使用一個標準來評估理論的好壞，那么，出問題的會是提出標準的人，而不是理論本身。

大型強子對撞機有多大？

　　它的周長有17英里（約27.3千米）。

大型強子對撞機（Large Hadron Collider）確實很龐大，它的周長有17英里（約27.3千米），是這個星球上最大的對撞機。但是它名字后部分有一定的誤導性。這是因為在LHC中對撞的只是強子內部很小的部分，而不是強子本身。

強子是由夸克和膠子組成的復合粒子。其中膠子傳遞著強相互作用力，讓夸克緊緊地粘在一起，形成單個粒子。LHC中最主要的對撞粒子是被稱為質子的強子。質子由三個夸克和難以計數的膠子組成。（質子又進一步組成原子，而原子構成世界萬物）

如果把一個質子放大到籃球那么大，它看起來會顯得空蕩蕩。和原子一樣，質子也幾乎完全是空的。質子中的單個夸克和膠子是非常小的，只有不到整個質子直徑的萬分之一。

大型強子對撞機到底是何物，浪費時間金錢研究值得嗎？

大型強子對撞機(LHC)是現代粒子物理學的一個奇跡，它使研究人員能夠探測到現實世界的深處。它的起源可以追溯到1977年，根據物理學家托馬斯•肖納-薩迪尼烏斯(Thomas Schorner-Sadenius) 2015年發表的一篇歷史論文，當時歐洲核子研究中心(CERN)前主任約翰•亞當斯爵士(Sir John Adams)建議建造一條地下隧道，以容納能夠達到超高能量的粒子加速器。20年后的1997年，該項目正式獲得批準，并開始建造一個16.5英里(27公里)長的環形軌道，該軌道經過法國和瑞士邊境，能夠將粒子加速到99.99%的光速，并將它們撞擊粉碎在一起。

博科園-科學科普：在環內，9300個磁鐵以每秒11245次的速度將帶電粒子以兩個相反的方向引導到一起，最終實現正面碰撞。該設備每秒能產生6億次碰撞，釋放出難以置信的能量，并且每隔一段時間，就會產生一種從未見過的奇異重粒子。大型強子對撞機運行能量是美國費米實驗室退役泰的威頓（Tevatron）粒子加速器6.5倍，LHC的建造總共花費了80億美元，其中5.31億美元來自美國。來自60個不同國家的8000多名科學家參與了這項實驗。加速器在2008年9月10日首次開啟，僅在其原始設計強度的千萬分之一時間內碰撞粒子。

世界上最大的粒子加速器，大型強子對撞機，在法國和瑞士的邊界下形成了一個17英里(27公里)長的環。圖片：Maximilien Brice/CERN

在它開始運作之前，一些人擔心新的原子加速器會摧毀地球，也許會創造一個吞噬一切的黑洞。但任何著名的物理學家都會說這種擔心是沒有根據的。歐洲核子研究中心主任Robert Aymar說：LHC是安全的，任何認為它存在風險的說法都是虛構的。這并不是說，如果使用不當，該設施就不會產生潛在的危害。如果你把你的手插進光束中，它會把一艘航空母艦運動時的能量集中到一毫米以下，它會在光束中形成一個洞，然后隧道中的輻射會殺死你。

開創性的研究

在過去的10年里，大型強子對撞機為了兩個主要的實驗（ATLAS和CMS）將原子擊碎在一起，這兩個實驗分別操作和分析它們的數據。這是為了確保兩種合作都不會影響到對方，并且每一種合作都提供了對其姐妹實驗的檢查。這些儀器已經發表了2000多篇關于基本粒子物理學許多領域的科學論文。2012年7月4日，當LHC的研究人員宣布發現希格斯玻色子(Higgs boson)時，科學界屏息以待。希格斯玻色子是已有50年歷史的物理學標準模型(Standard Model of physics)中的最后一塊拼圖。標準模型試圖解釋所有已知的粒子和力(除了重力)及其相互作用。早在1964年，英國物理學家彼得·希格斯(Peter Higgs)就寫過一篇關于這種現在以他的名字命名的粒子論文，解釋了質量是如何在宇宙中產生的。

這張大型強子對撞機的合成圖像是由一位3D藝術家創作。電子束管用透明的電子管表示，反向旋轉的質子束用紅色和藍色表示。圖片：Daniel Dominguez/CERN

希格斯玻色子實際上是一個能滲透到所有空間的場，并拖曳著每一個穿過它的粒子。一些粒子在磁場中跋涉得更慢，這與它們的質量更大相對應。希格斯玻色子是這一領域的一種表現，物理學家們已經追求了半個世紀。LHC就是為了最終捕獲這個難以捉摸的目標而建造。最終發現希格斯粒子的質量是質子的125倍，彼得·希格斯粒子和比利時理論物理學家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因預測其存在而在2013年獲得諾貝爾獎。即使有希格斯粒子在手，物理學家們也不能休息，因為標準模型仍然有一些洞。首先，它不涉及引力，而引力是愛因斯坦相對論的主要內容。它也沒有解釋為什么宇宙是由物質而不是反物質構成，反物質應該在時間之初以大致相等的數量被創造出來。

在暗物質和暗能量方面，它是完全沉默的，當它剛被創造出來的時候，還沒有被發現。在大型強子對撞機啟動之前，許多研究人員可能會說，下一個偉大的理論是超對稱理論，它為所有已知的粒子增加了類似但質量大得多的雙子星。這些重伙伴中的一個或多個可能是構成暗物質的粒子的完美候選者。超對稱性開始解釋重力，為什么它比其他三種基本力弱得多。在希格斯玻色子被發現之前，一些科學家希望這個玻色子最終會與標準模型預測的略有不同，這暗示著新的物理學。但是當希格斯粒子出現的時候，它是非常正常的，正好在標準模型所說的質量范圍內。

雖然這對于標準模型來說是一個偉大的成就，但它卻讓物理學家們沒有任何好的線索。一些人開始談論“失去的幾十年”，追尋那些表面上聽起來不錯，但似乎與實際觀察不符的理論。許多人希望大型強子對撞機的下一次數據采集將有助于清理這一混亂局面。LHC于2018年12月關閉，進行為期兩年的升級和維修。當它重新上線時，它將能夠以每秒兩倍的碰撞次數，以略微增加的能量粉碎原子。到時候它會發現什么，誰也說不準。人們已經在討論用更強大的粒子加速器來取代它，它位于相同的區域，但體積是LHC的四倍。這一巨大的替代工程可能需要20年時間和270億美元（1812.1億元人民幣）的建設資金，所以你覺得再用20年花1812億元造對撞機值得嗎？

建造大型強子對撞機有什么用？楊振寧等科學家為何反對我國建造？

提起大型強子對撞機，大家想起的可能是撞出黑洞，有人想起的可能是希格斯玻色子。對撞機撞出黑洞是來自于人們對黑洞這種奇異天體的恐慌，而撞出希格斯玻色子則是歐洲大型強子對撞機（LHC）最輝煌的實驗成就。

大型強子對撞機有什么用？

大型強子對撞機是一種大型的實驗儀器，通過超強的電磁場在較大的環形軌道里加速帶電粒子，把帶電粒子加速到接近光速的高能狀態下進行對撞實驗，用以驗證微觀力學的理論預言。它的軌道周長直接決定了其所能加速粒子的能量上限，一旦理論預期發現新粒子所需的能級超過現有對撞機的能量上限，這個對撞機的歷史使命就算是終結了。

為何我國要建大型強子對撞機？

隨著希格斯玻色子的發現，27公里長的歐洲大型強子對撞機的歷史使命也算完成，由于軌道周長的限制，它的對撞能級下已經難有重大發現，因此，世界高能物理學界和超弦理論學界期待新一代更強大的對撞機出現，以驗證他們的理論，目前計劃建造的對撞機軌道周長都是百萬公里級的。但建造大型強子對撞機的投入異常巨大，一般的國家都負擔不起，作為超級大國的美國已經指望不上了，因為在上世紀美國才因不斷追加的超額投入停掉過一個大型對撞機項目。而歐盟那邊雖然已經規劃建造，但是歐盟的執行力是有目共睹的，從全球衛星定位系統項目就可見一斑……因此各國科學家就把目光投向了GDP全球第二的我國。

于是，以超弦理論界為首高能物理界為輔的全球科學家一致建議我國建造大型強子對撞機，以驗證超弦理論的基礎超對稱理論。

反對者出現

當建造的聲音來勢洶洶，且都是是國際上極具威望的人物，這時一個人站了出來，站在了他們的對立面，他就是物理學界的泰斗我國科學家楊振寧。他堅決反對我國在現階段斥巨資建造大型對撞機，他給出了7條理由。我總結了一下他的中心思想是：高能物理能做的事已經不多，難有重大發現；超對稱理論是空中樓閣，期望找到超對稱粒子很可能竹籃打水一場空；這大型項目的投入將極大地壓縮其它領域的科研經費，這將限制了其它領域的發展。

實際上反對建造對撞機的科學家一定不在少數，但由于種種原因，鮮有科學家敢站出來公開叫板高能物理界和超弦界，只有楊振寧堅定地站了出來，憑一己之力對抗整個高能物理界。

孰對孰錯？科研經費該去往何方？

“文明不斷增長和擴張，但宇宙中的物質總量保持不變。”

這是《三體》里葉文潔提出的第二條公理，羅輯據此發現了黑暗森林法則。今天，我要把這條公理改一改：“科研項目眾多，但我國科研經費總量不變。”這正是楊振寧反對建造對撞機的一個重要原因。如果把巨大的經費都投入到一個可能一事無成的項目，這不單是對科研經費的巨大浪費，還同時造成了其它項目因缺乏經費而停頓。作為一個發展中國家，我國應該把經費更多投入到那些有產出的領域。楊振寧指出，高能物理的成就在未來3、50年內，對我們的生活都不會產生什么積極的影響。

美國是怎么做的？

楊振寧的其中一個論據就是上世紀美國把大型強子對撞機項目停掉了。這是由于不斷增加的預算，一開始申請44億美元的預算，建造未過半，預算已經將近翻了一番，達到80億美元，最終在項目進行的第三任總統克林頓廢止了該項目，隨即投入200億美元到國際空間站項目中。很顯然，美國不差錢，但他們認為國際空間站更值得花。

我國該怎么做？

我國計劃建造的大型強子對撞機首期正負電子對撞機的投入預算為360億元，第二期的質子對撞機的投入將高達千億。這還是僅僅初步計劃的基礎投入，縱使不超支，對撞機建成后的運行投入也依然是個巨大的坑，且不說維護成本，單就耗電量就是個巨坑，目前的歐洲大型強子對撞機的耗電量是200兆瓦，即20萬千瓦。這相當于一個大型水電站的發電量……按照1元/度電的電費算，運行一個小時的電費就高達20萬，而中國計劃建造的對撞機周長是它的4倍……

我國需要科研經費的項目太多了，航天、量子信息、芯片等等，這些都是直接與國防和經濟掛鉤的科研項目，是否更值得作為發展中國家的我們去投入呢？美國選擇了把大型強子對撞機的經費投到了航天領域，我們呢？

航天技術與國防技術是相通的，量子信息技術在信息安全方面意義重大，芯片更加不用說，近年網上已經有足夠的信息讓我們知道它的重要性，至于其它領域就不一一列舉。

你贊成我國建造對撞機嗎？

從網上科學興趣群里了解到，絕大多數非高能物理專業的科學愛好者都是支持楊振寧的，那么你認為我國該建不該建？

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