www.5524.com为什么杨振宁反对中国现在建对撞机,复旦教授解读寻找希格斯玻色子的意义

CERN 的大型粒子对撞机为科学发展做出了很大贡献,但除了 Google
街景里的一些照片外,大家似乎并没有很好的途径去对其内在做更多的瞭解。不过现在,BBC
去那里拍摄了一段 4K 分辨率的 360
度视频,让你可以更身临其境地去看看粒子飞过的隧道、Compact Muon Solenoid
探测器(用于寻找暗物质、希格斯玻色子)以及更多壮观的科学「美景」。感兴趣的话,就快点去继续阅读里瞧瞧吧。

4月底,在中科院大学的讲堂里,一位高能物理研究所的研究员,再次向杨振宁请教关于,中国现阶段建造大型粒子对撞机这件事的看法,杨振宁的态度依然是旗帜鲜明地反对。

编者按:瑞典皇家科学院于2013年10月8日北京时间18:45分,授予弗朗索瓦·恩格勒(François
Englert)和彼得·希格斯(Peter W.
Higgs)诺贝尔物理学奖,获奖原因是他们预测了希格斯机制。

YouTube

www.5524.com 1

本文由复旦大学物理系教授吴咏时授权果壳网首发

有关注过这件事的读者应该了解,早在2016年杨振宁就已经发表文章阐述了七大反对理由,其核心观点是反对现阶段建造,因为建造大型对撞机成本高昂,超过200亿美元,应该把这笔钱用到科研回报率更高的科学领域;而以王贻芳院士为代表的中科院的科学家则认为中国现阶段应该建造,这可以为中国吸引更多国外的优秀人才,也有利于提高中国基础科学的地位。

复旦物理学系吴咏时教授 口述   陶韡烁 整理

www.5524.com 2

 

关于是否建造对撞机这件事,当时在社会上引起了热议,许多人认为中国不差钱,几百万美元对于中国来说只是个小数目,甚至有阴谋论者认为杨振宁在阻碍中国科学发展。

什么是希格斯玻色子

希格斯玻色子是物理学标准模型当中最后一个待发现的粒子。7 月 4
日欧洲核子研究中心(CERN)的科学家宣布,在寻找希格斯玻色子的过程中,他们发现了一个新粒子,与希格斯玻色子有吻合之处。一般认为,至少要到今年年底或更长的时间,才可能确认它是否真是标准模型中的希格斯玻色子。

标准模型是我们当前人类对自然界的一个基本物理理论。它告诉我们自然界 4
种力中的 3 个:电磁力、强力和弱力是如何发挥和实现作用的。

标准模型的理论分成两部分,一部分是
“杨振宁-米尔斯规范场理论”(Yang-Mills Gauge
Theory),在强相互作用和电磁相互作用中,杨振宁-米尔斯理论是发挥作用的。但在弱相互作用中,杨振宁-米尔斯规范场理论要发挥作用还需要希格斯玻色子的配合。理论上,希格斯玻色子将为杨振宁-米尔斯理论中传递弱相互作用的粒子赋予质量,使得弱力成为短程力,以符合实验的结果。

这种质量赋予是怎样进行的呢?真空中希格斯玻色子的场可以处于一种非常特殊的状态,理论上叫做凝聚态,打个比方就像稀糖浆或者蜜糖这样的状态。当别的粒子经过这个
“糖稀”
时,也就是经过希格斯玻色子场的这个凝聚态时,就获得了质量。(实际上,每种玻色子总和一定的场相对应。)

总而言之, 希格斯玻色子本身有三个极其重要的理论意义 :一是它是
标准模型中的最后一个待发现的粒子 ;二是它
给杨振宁-米尔斯规范场理论中传递弱相互作用的粒子赋予了质量
;此外呢,实际上,
希格斯玻色子给几乎所有的基本粒子以质量,除了传递电磁相互作用的光子和传递强相互作用的胶子

 

大多数读者其实并不完全了解这件事,这里就为大家细致地分析一下。

发现希格斯玻色子的重要学术与现实意义

迄今为止,物理学的标准模型的分成两个部分,一个就是杨振宁-米尔斯规范场理论,另一个就是与希格斯玻色子有关的对称性破缺的理论。
杨振宁-米尔斯理论在理论上是相当完美的,它能给我们很多确定的预言,而且很多都被相当精密的实验所证实。但是与之相比,希格斯玻色子相关的理论虽然在定性上非常重要,
但是在定量上还很不完善,很不成熟。由于多年没有在实验上找到希格斯玻色子,这部分理论处于一种捉摸不定的神秘状态中。因此,如果希格斯玻色子被发现,第一个重要意义实际上就是,
在希格斯玻色子相关理论的研究上,促进物理学标准模型的完善和发展

现有的理论对希格斯玻色子的质量完全不能预言。这次欧洲科学家发现的新粒子,它的质量约为氢原子核的
133
倍,如果将来证实它确是希格斯玻色子,这就是一个很重要的结果。这个结果为我们将来研究基本粒子理论提供了指导性的方向。例如,在众多的未来需要探索的问
题中,一个可能的方向就是,研究为什么有一种玻色子(甚或就是希格斯玻色子),它的质量是氢原子核的
133 倍。

可以期待,这次进展将使标准模型有关希格斯玻色子的部分,通过理论和实验,在研究上进一步完善和发展。现在有关希格斯玻色子的研究,定性方面就有了一定的基础,但定量还基本没有。物理学的研究,不仅仅满足于定性的研究,还要探索定量的研究,而且是非常精确的定量研究,定量要越准确越好,使得科学知识达到准确、精密的程度。

另外一个重要的理论意义,是对未来宇宙早期演化的研究具有重要的推动作用。也就是说,希格斯玻色子的研究不仅能促进我们对微观世界的理解,也能促进我们对宇观尺度的理解。这也是基础物理学里一个很有趣的现象——极小尺度的现象与极大尺度的现象具有一些微妙的连接。比如说,早期宇宙某个时段的能量标度和我们现在加速器上微观粒子的能量标度是接近的(注:现在的宇宙由于自身膨胀、能量衰减,其能标已经很低了)。这次发现的新粒子的质量是氢原子核的
133
倍,如果证实是希格斯玻色子,这也是宇宙学进一步开展研究的重要的能量标度。

至于这次发现的现实意义,我有一个这样的看法:好像是一个艺术家,做出了一个很完美的艺术品,这也许和我们日常生活,吃、喝、用,不见得有什么直接联系;但是,在精神上,在科学的理解上,满足了大家的好奇心和对真知的追求,如同我们对艺术审美的需求一样。

这次的科学进展,使我们在寻找希格斯玻色子的征途上又前进了一大步,使人们知道标准模型在希格斯玻色子这一块定性的想法看来还是不错的。随着研究深入和完善,将来物理学的标准模型将进一步完善和发展,这将使得人类对自然界的认识登上一个新的高峰、铸就一个新的里程碑。

 

首先,什么是大型粒子对撞机?它有什么用?

CERN 发现的重要价值

具体说来,此次欧洲核子研究中心(CERN)学术会上公布的最新的科研成果,有几个十分重要的进展:

一是 新粒子在几个衰变模式当中都同时出现
。当然,因为物理科学的极端严谨性,在学术会上,科学家还是说没能确定是哪个玻色子。因为从最严谨的角度讲,要在众多的衰变模式中都出现,而且都具有完全相同的性质,才能确认这个新的粒子就是希格斯玻色子。

第二个就是 这个发现的统计精确度达到了 5 倍的标差 。 这就意味着
99.99994%
可信概率,这是新粒子发现的一个判据。物理学上,标差的倍数越高,代表可信度越高。
5 倍标差代表了 99.9999%
以上的可信度。在科学上必须要这么高的概率,否则,如果放在几十亿的事件和数据中统计,它的误差就可能很大。举个例子,前些日子,美国费米国家实验室也宣布发现了希格斯玻色子的迹象,但是他们只有
2.9 倍的标差,这个结果就完全不能算是新发现一个粒子。

第三个、也是更重要的一个结果,就是 CERN 确定新粒子的质量在氢原子核的
133 倍左右

。如果将来确认为希格斯玻色子,这就为相关的物理确定了一个重要的能量标度。这对下一步的标准模型里的希格斯玻色子相关理论和实验的发展,都具有指导性的意义。

CERN
下一步的研究方向,其实是已经规划好了的。作为近期一个重要的任务,寻找希格斯玻色子看来已经取得了比较好的进展。沿着这个方向,我相信,下一步他们将进一步
“改进统计”,积累更多的数据和事例,然后在更多的衰变模式当中寻找并确认希格斯玻色子。

另一方面,CERN
的科学家还在寻找标准模型里没有的粒子,比如超对称粒子。如果人类能够发现标准模型里没有的粒子,那将真正是具有改变世界意义的重大突破。发现标准模型里没有的粒子,将完全改变理论物理学家看待自然世界的方式。

此外,CERN
还在寻找一些新的物理现象,如小黑洞、额外维度等等。这些现象目前只是理论物理学家的假设和猜测,还没有形成系统的理论。寻找一些全新的物理现象,这也是
CERN 和全世界物理学界的一个重要任务。

 

简单来说,大型粒子对撞机就是将微观粒子例如质子,在巨大的环形管道内通过电磁场加速到接近光速,让微观粒子之间相互碰撞,使原本难以分割的粒子发生结构上的改变。例如用氦的原子核去撞击83号铋原子,有极小的几率使铋原子丢失4个质子,83号铋原子就变成了79号金原子,也就是黄金。

我国粒子物理研究的开展情况简要介绍

这次 CERN
的实验研究,有中国科学院高能物理研究所和北京大学的研究团队参与其中。我国在粒子物理研究的另外一些领域也做出了很有影响的工作,比如在大亚湾进行的中微子振荡实验,首次测出了一个重要参数的数值。这显示我国对中微子振荡领域的研究,在国际上已占有一席之地。这个方面的研究,实际上也是和希格斯粒子的物理有重要的关联。

中国正在进行的寻找暗物质的研究,也是一项值得期待和关注的粒子科学前沿的探索。但是,中国在这些粒子物理前沿领域的理论研究上,还需要进一步努力,去赶超国际领先水平。

 

www.5524.com 3

更多相关内容

  • 果壳直播:CERN 新闻发布会
  • 关于希格斯粒子你不知道的 10
    件奇事

 

目前,世界上最大的粒子对撞机是位于瑞士的大型强子对撞机,它深藏于地底100米左右的深度,环形总长度接近27公里,由30多个国家的2000多名物理学家共同参与实验。它的成名作是发现了上帝粒子,它是使基本粒子获得质量的关键,2013年的诺贝尔物理学奖,就颁给了成功预测上帝粒子存在的科学家。

www.5524.com 4

功率越大的大型对撞机能够将粒子加速到非常接近光速,这意味着粒子之间碰撞会被轰击得越碎,能观察到更多神奇的物理现象,深度探寻物质的本质。

为什么杨振宁要反对建造呢?

杨振宁认为费用过高,欧洲的大型对撞机花费了100亿美元,美国也曾建造超导超级对撞机,但因实际建造成本远超预算,最终项目停止还浪费了30亿美元,而中国准备建造的是环形周长100公里的对撞机,成本将超过200亿美元,并且很难估量。而王贻芳认为应该建造,目前已有成熟的预算体系和建造经验,已经建造的正负电子对撞机实际成本只比预算高了不到5%。

www.5524.com 5

有句话说得好,没有贵不贵,只有值不值,如果花200亿美元真的能给中国科学带来重大变革,那绝对是超值的。但对撞机项目属于高能物理领域,这个领域是基础科学,它探索的是自然界的发展规律,揭示本质的一门学科,与人类生活没有明显关系,即便有重大成就也无法很快应用,只是为了理论的逻辑自洽和完整性做的研究。杨振宁也曾提到,过去70年来高能物理上的重大成就,并没有给人类生活带来便捷,并且未来30到50年也不会有。像航天工程和量子通信都属于很快能对人类生活产生影响的应用科学,它们就不属于基础科学。

中国建造对撞机也会压缩其它科学领域的经费,不着急研究的项目投大钱,着急研究的项目经费却被压缩,并且中国的医疗、教育和养老这些民生问题都还没解决,钱应该更合理分配。

www.5524.com 6

中国高能物理所的科学家数量在世界上的占比不到1%,如果中国的对撞机建成,大概率只会有10%的中国科学家,其余都是国外科学家主导,有成果也是别人的,岂不是变成了帮别人发展。要知道欧洲的大型强子对撞机可是30多个国家的科学家一起参与的,仅靠一个国家很难独立完成。

高能物理的研究方向也应该有所转变,30年前与对撞机相关的高能物理是热门领域,而现在已经遇到了瓶颈,有人可能要说前几年不是才用对撞机发现上帝粒子吗?霍金还因此输掉了100美元。但上帝粒子是6000多人一起努力的结果,每篇论文的署名都是几千人,想要继续深入研究,需要建造一个更大的对撞机,现阶段完全没有必要为了“虚无缥缈”的理论花费大价钱。

中国可以建造对撞机,但不是现阶段。

相关文章