财讯：霍金、凯恩：中国应该建造巨型对撞机，荣耀将被历史永远铭记

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作者简介:斯蒂芬·霍金( stephen hawking )，英国著名物理学家和宇宙学家，英国皇家学会士( 1974年，当时最小的院士)，美国科学院外籍院士( 1992年)，1979年至2009年剑桥大学卢 戈登·凯恩( gordon kane )，美国密歇根大学维克多·魏斯科夫( victor weisskopf )优秀教授，密歇根理论物理中心荣誉主任 美国物理学会颁发的朱利叶斯·埃德加林菲尔德奖(年)、j.j .樱井( j. j. sakurai )理论粒子物理学奖(年) 译者简介:鲜于在清华大学取得物理学博士学位，目前从事在哈佛大学取得博士学位后的研究，第一个研究方向是粒子物理和宇宙学理论。 科学读物fromthegreatwalltothegreatcollider ( by丘成桐，steve nadis )中文版《从长城到巨大对撞机:中国探索宇宙最深奥的奥秘》的译者之一。 本文原文发表在iccm notices上，中译文刊登在《数理人文》杂志上，澎湃信息经《数理人文》授权转载。 霍金(左)和凯恩(右)纵观人类文明史，特别是近四世纪，理解我们所处的宇宙是无数人的理想，也是物理学的焦点。 进入20世纪末，我们终于获得了粒子物理学的标准模型和宇宙学的标准模型。 他们对世界的描述成功了但不完全。 成功是因为在最高的能量和整个宇宙范围内成立，实现了物理学以前的目标。 不完全的地方是，这两个标准模型都是说明性的理论，不知道它们是如何正确的。 另外，这两个标准模型没有说明提供万有引力，特别是重力的量子理论。 什么是扩散到宇宙中的暗物质，为什么宇宙在大爆炸开始时含有等量的物质和反物质，现在反物质只有物质的十亿分之一等，无法说明重要的问题。 过去几十年，物理学前沿的阵地迅速扩大，物理学家的目标也越来越雄伟。 从20世纪70年代开始，物理学家致力于用更基本的相互作用力统一描述一些看起来不同的已知相互作用。 在这个过程中，他们发现超对称性非常有助于理解这个统一，80年代出现的通货膨胀理论和弦理论进一步强化了这些观念。 回顾当时，欧内斯特·卢瑟福( ernest rutherford )在20世纪20年代说:“在我的院系里，不要让我听到谁在谈论宇宙。 但是随着时间的推移，诚如斯蒂芬·温伯格( steven weinberg )所说，“过去和现在的物理学家的区别不仅仅是他们知道得比我们多。 关于探索知识的目标和方法，他们的看法也完全不同。 “物理学进步的动力是新的粒子对撞机和探测器等新概念和新工具。 确认希格斯粒子的存在从根本上改变和加深了我们对宇宙的理解。 但是，如果没有欧洲原子核中心( cern )的大型强子对撞机( lhc )，这就什么也说不出来了。 小人类可以理解整个宇宙，在害怕我们内心的同时得到安慰 位于cern的大型强子对撞机的cms探测器cern图，1993年美国废除的超导超级对撞机( ssc )成为了历史的反面教材。 美国因此失去了基本粒子物理学的领导地位，但中国给了走向这个位置的机会。 各方面详细记录表明，ssc失败的原因多种多样，政治环境、偶发事件、管理失误、依赖国际合作、诸多不利因素重叠。 其中，经费超支不是第一原因 cern在年发现了希格斯玻色子，为理解宇宙迈出了重要的一步。 由此可见，粒子物理学的标准模型可以很好地描述我们的世界，以及产生质量的对称缺损机制。 希格斯相互作用在其中起着重要的作用。 如果电子不与希格斯粒子相互作用获得质量，原子的尺寸就会和宇宙一样大，我们的世界也就不能存在了。 但是，如果电子通过与希格斯场的相互作用获得质量，量子修正就会使其成为黑洞。 除非一个新物理使电子的质量稳定在实际值。 构思中的这台对撞机寻找这条新的物理线索 计划中的中国对撞机分为两个阶段 第一阶段是“环形正负电子对撞机”( cepc )，第二阶段是“超级质子对撞机”( SPC )。 两者都需要长的环状隧道，预计其周长将达到100公里。 第一阶段，物理学家集中研究希格斯物理，试图从中阐明更深入的基本理论。 量子修正的理论表明，已经发现的希格斯粒子不是标准模型的希格斯粒子，但lhc关于希格斯粒子衰变的数据表明希格斯粒子几个衰变模式的分岔比与标准模型的预期一致。 但是，lhc的数据仍然允许有相当不同的结果 其中最重要的过程是希格斯粒子衰变成为传播弱相互作用的两个z粒子。 该衰变模式分支比的lhc测定值与标准模型预言之比为1.3±0.3 lhc的进一步运行只能使其不明确度小一点，但cepc可以将精度提高一位，真正告诉我们希格斯粒子是否与标准模型的预言一致。 其他几种衰变模式的情况也是如此 另外，根据希格斯玻色子的现有理解，应该也有随之而来的粒子。 发现这些粒子需要能量更高的新对撞机，探索这些粒子成为将来对撞机的首要目标。 新的对撞机可以提供更好的数据，研究希格斯粒子的性质，更深入地理解希格斯物理的重要作用。 现在，在日本的ilc (国际直线对撞机)项目与cepc的目标相似。 cern也计划了下一代对撞机，其中clic这种直线正负电子对撞机也有与cepc同样的目标。 不同国家和地区的加速器和对撞机也有同样的物理目标，至今为止很常见。 这不仅对科学研究，对建设它们的国家和地区也非常有价值，所以在这里讨论。 与ilc和clic等其他方案相比，cepc的一大特征是其第二阶段sppc以更高的能量与质子碰撞。 sppc可以直接采用cepc隧道 我们有充分的理由至少把总能量从lhc的两倍提高到三倍。 能量可能最终是lhc的6~7倍，但需要开发强度更高的超导磁铁。 质子碰撞可以提供注意预期信号所需的高亮度，我们可以为此制定长达数十年的研究计划。 更高能量的对撞机有两个首要目标。 一个是理解希格斯粒子本身是如何获得质量的，另一个是用更高的能量寻找新的突破。 除了希格斯玻色子物理以外，我不知道cepc和SPC将来会发现什么，但兴趣的可能性之一是“超对称”这一基本对称性。 正如电荷共轭对称性告诉我们每个粒子都有其反粒子一样，超对称性意味着可以找到标准模型粒子的伙伴粒子。 通过研究超对称伙伴粒子的性质，发现如果超对称确实存在，sppc希望以更高的能量发现它们。 lhc至今没有发现超对称伙伴和其他新现象，认为发现这些的可能性很小。 但这违背了历史经验 1979年发现底夸克时，物理学家预计顶夸克比底夸克重数倍。 其实顶级夸克确实存在，但比底层夸克重41倍，经过近20年才被发现。 超对称伴子也比z -波森重41倍的话，在lhc和后续升级中找不到，但sppc还有机会。 超对称理论的另一个卓越性质是可以把对撞机提取数据的尺度和更深层理论自然存在的尺度，即普朗克尺度联系起来，有助于发现更深的基本理论。 cern也计划建设更高能量的质子对撞机fcc，预计能量最初可以从lhc的2倍升级到3倍，最多升级到lhc的6倍。 由于成本高昂，这些高能量的对撞机计划最终很可能只付诸实践。 建设cepc及其后续的升级版本对中国有很大的好处。 值得注意的是，当我们进入知识前沿时，新技术和新构想是继续进步的前提。 否则，尖端无关。 只依靠现有的技术和设备，我们不会走得太远。 在这方面，lhc作为一个很好的案例，在网格计算等很多行业都有足够的文献证据。 网络对世界经济的巨大影响当然是必须的，但那是物理学家为了粒子物理的研究必须在cern中发明的。 据说如果每次采用网络都需要向cern支付一便士，粒子物理学界就绝对不用担心经费。 粒子物理探测器的迅速发展还可以使磁铁技术和未来的超导线技术等至少几十亿美元的工业技术越来越多。 这些新技术产生的价值将远远超过建设对撞机的投资。 蒂姆·博纳斯利发明了万维网，以便在cern工作期间，管理和传达大型强子对撞机产生的大量数据。 世界上第一个网站是博纳斯利于1991年在cern设立的，博纳斯利获得了年图灵奖。 cern图可以说是cern发明的万维网引起了第三次产业革命。 同样，建设cepc所需的材料和技术，以及对数据的获取、保存和访问的要求，也有助于点燃第四次工业革命。 高能物理领导了第三次产业革命最初几十年的进程，工业界也只在近年来超越。 历史有可能重演第四次 cern培养的博士将近半数转移到工业界等粒子物理以外的行业，为这些行业注入了新的活力。 cepc也是如此 这产生了显着的效果。 另一方面，基础研究刺激创新创业，另一方面，lhc为创业企业的第一批产品提供市场，增加成功的机会，降低创业风险。 中国的对撞机也是如此 粒子物理必须站在前端，更深入地探索自然，所以需要新的做法和新的技术，所以新的技术一定会出现。 投资高水平的对撞机将有助于加快中国经济的快速发展。 这项事业的最大利益可能是吸引许多中国青年才俊。 在这个过程中，这些年轻人对科学不同的行业做有趣的事，转向所有的科学行业，大大促进中国科学事业的迅速发展。 培养许多科学家对中国的教育系统来说也是重大而极其有益的挑战和机遇。 cepc有机会作出根本的重大发现 但是，尽管如此还是需要质子对撞机，通过长环状隧道和成千上万的高强度磁铁发现了越来越多的新粒子，探究它们的性质。 在这一点上，历史再次提供了指南:物理学家首先在低能量设备中发现了标准模型中负责传播力的沃尔沃( w，z粒子和橡胶)。 cern接下来花了20年建设和运行正负电子对撞机lep，研究了标准模型和其他替代理论，最终确立了标准模型的正确性。 之后，物理学家利用lep的隧道建设了能量更高的质子对撞机lhc，最终发现了希格斯玻色子。 发现新粒子或排除新粒子的存在除了高能对撞机以外还有别的方法吗？ 物理学家其实也发明了巧妙的做法，使质子和电子加速到更高的能量。 遗憾的是，所有这些新方法都没有提供足够的亮度来找到新物理。 这些最多每十年可以提供一些东西，我们每年需要几十个或几百个。 在20世纪80年代计划使用ssc的时期，ssc的反对者主张将出现新的磁铁技术来代替成熟的超导磁铁。 但是，40年过去了，这样的新磁铁技术还没有出现，可能不存在。 最近，史蒂夫·纳迪斯( steve nadis )和丘成桐合著的《从长城探索巨大对撞机:中国探索宇宙最深奥秘》一书，从科学和文化的角度阐述了这架对撞机的重要性，波士顿国际出版社( InternationalPS ) 中国已经有一些中等规模的科学装备。 例如，中国科学院高能物理研究所和物理研究所运行，最近成功开机的中国散裂中子源是世界四大同类设备之一。 在高能物理行业，cern现在是绝对的领导者。 拥有世界一流的高能物理中心，世界上成千上万的物理学家在这里工作，许多访问者访问了cern的实验室和探测器。 如果中国建设cepc和SPC这样的大科学装备，将取代cern的地位，成为高能物理的国际中心。 cern也计划了同类对撞机，但这需要在大型强子对撞机升级运行后放置。 因为这需要十多年的时间。 位于广东东莞的裂变中子源装置视觉中国图中国至今明智地援助了许多大科学设备，但从科技、投资规模和文化影响较大的角度来看，其中许多还没有达到世界领先水平。 至少在一些重要行业继续进步，达成世界领先地位对中国很重要。 科学重要性和技术影响受到很大的测量，根据bepc年的经验，cepc是最好的选择。 大部分消费发生在中国。 如果中国推进这项事业，其他国家也将参加，在人类共同的目标引导下，在和平和谐的气氛中，极大地促进国际合作。 对撞机建设现在是成熟的技术 通过专家审查，预算和日程计划可以相当准确地符合实际。 中国的人均gdp还没有达到发达国家水平，这不是拒绝冲突机的理由。 相反，冲突机为越来越多的人提供新的事业机会推进经济增长。 中国的gdp总量已经进入世界最高阵营，因此有能力投资未来的冲突机。 正如王李芳指出的那样，cepc甚至sppc的经费占gdp的比例，不会超过现在能源低但运行成功的北京正负电子对撞机( bepc )在建设时所占的比例。 这种投入带来的技术进步帮助迅速的发展中国家成为经济领袖。 对中国来说，继续聪明地投资基础研究很重要。 而且，支持冲突机和支持其他科研行业必须并行不悖，互相不干涉。 各个行业的经费应该可以维持健康迅速发展。 北京正负电子对撞机( bepc )的直线注入器中国科学院高能物理系图中国的粒子物理学界已经迅速发展成熟。 他们通过北京对撞机bepc掌握了低能的对撞机技术。 很多中国物理学家也在cern和费米实验室等对撞机实验室工作。 如果中国领导这样的尖端研究，外国同行也会参加合作，确保最大的成功。 由此得到的任何新突破都一定会名声大噪 大型对撞机项目的推动者和项目领导人获得了诺奖，在粒子物理学界经常有先例。 加速器物理学家西蒙·班德尔米尔和卡洛尔维亚在cern的对撞机上获得诺奖，更早的先例还有图表夸克的发现，获奖者是丁肇中和伯顿·里希特( burtonriccet )。 我们也为此期待着中国的诺奖。 如果没有新的对撞机设备，会出现推动科学快速发展的新理论、新概念和新工具吗？ 当然可以 新的想法当然会招致新的见解 但是，无论理论多么美丽，如果没有数据的支持，我们就无法知道它能否解释和解释实际自然界的方方面面。 如果不是希格斯粒子的发现，很多人怀疑在希格斯场描绘真空状态的正确性。 天体物理和宇宙学的观测，例如宇宙的微波背景也可以提供重要消息，但这些结果不能明确顶级夸克的存在、质量的起源、希格斯物理、相互作用的统一等。 什么是暗物质？ 你能把有关相互作用力的理论统一、简化和产生质量的希格斯机制联系起来吗？ 是什么引起了宇宙早期的快速膨胀？ 为了回答这些重大问题，实验数据对我们的理论很重要。 利用实验数据和逻辑推理，把我们对物理宇宙的理解扩展到时间的起点和宇宙的边界，是人类文明的卓越成果。 通过未来冲突机提供的新结果，中国有机会带领我们进入理解宇宙的新领域。 通过粒子物理和宇宙学解释自然运行的内部规律是人类文明的核心事业。 把这项事业推向新高度的国家，其荣耀和成果将永远铭刻在历史上。 (本文来自澎湃信息，越来越多的原始信息请下载“澎湃信息”APP )