巨型对撞机、粒子物理与中国科学发展

因坎德拉

《从万里长城到巨型对撞机》讲述了一个非凡的故事，那就是人类对微观世界从原子到夸克的好奇心如何同时改变了我们对宇宙以及对我们自身存在的理解。这个故事穿越两千年，从古希腊的原子论者出发，在随后的千年中缓慢推进，而从汤姆孙（J.J.Thomson）发现电子到近来发现希格斯玻色子这大约120年里，它则以惊人的步伐加速前进。

2012年7月4日，欧洲核子研究中心（CERN）宣布发现希格斯玻色子，这是整个科学史乃至人类全部历史中的重大里程碑，向我们揭示了关于宇宙的非凡事实。如今我们知道，我们的宇宙填充着一种量子场，它对于我们自身的存在，以及我们所知的一切存在物都至关重要。若不是它，电子就没有质量，原子就不会形成，因而也就没有恒星，没有地球，没有人类！希格斯玻色子的发现完成了粒子物理学的标准模型，这是人类有史以来对自然界在最基本的层次上最全面的描述。但这并不是故事的终结。的确，在一本激动人心的著作中，最好将这看作其中一章的结束。

希格斯玻色子虽然回答了许多重要而深刻的问题，但是它提出的新问题比它解决的问题还要多。在标准模型外，在我们所能确切解释的事实外，还有新的奥秘。如今我们知道，宇宙物质的绝大多数并非我们熟知的物质，而是一种我们看不见且尚无任何理解的暗物质。不过我们知道，暗物质能够解释宇宙的大尺度结构，而且还能解释恒星在星系中令人困惑的运动。这种暗物质也许与超对称有关。超对称是一种非常基本的理论，它提出了一系列新的基本粒子。目前CERN正在积极搜寻它们。或者，暗物质也可能全然是另一种东西，很可能大大出乎人们的预料。不过大致可以确定的是，无论它是什么，都与希格斯玻色子有着某种联系，所以这种新粒子很可能就是给这段光辉历史进程打开下一篇章大门的钥匙。

正因如此，中国乃至全世界的粒子物理学家，都对在中国建造巨型对撞机的可能性激动不已。中国巨型对撞机的第一阶段将是环形正负电子对撞机（CEPC），它使正负电子在240吉电子伏能量尺度发生对撞。这正是产生在CERN发现的那种希格斯玻色子所需的能量。这台对撞机将大量产生希格斯玻色子，从而使我们以空前的精度研究其性质。事实上，物理学家可以通过精确测量寻找对粒子物理标准模型预言的细微偏离，从而提供关于新物理领域的无可争辩的证据，并对今后的实验与理论给予重要指引。当然，实验结果对标准模型没有任何偏差也将是同等重要的事实，因为这将为我们提供宝贵线索，帮助我们排除许多假想的新物理模型。无论如何，这台机器将在一个全新的基本层次上观察自然，也会将中国推向基础科学的最前沿。

在粒子物理学家看来，中国巨型对撞机所能取得的潜在突破非常清楚，并且意义重大。而中国从中所能取得的收益也同样清楚和引人注目。粒子物理学既有许多实在的益处，又有一些巨大而无形的效益。首先，从最基本的层面研究宇宙如何运转是历史悠久的传统，对这一领域的贡献将是永恒的。因而这在文化层面上就极端重要。它能带来声誉、承载历史意义、并鼓舞人心。我想指出，物理学经常是通过关于我们在宇宙中的位置这样的大问题吸引年轻人，然而一旦他们进入物理学领域，就还会看到像拓扑绝缘体这样美妙的东西，他们从前肯定想象不到会对之发生兴趣，而且这些东西还有巨大的实用价值。粒子物理俘获想象力，并极大地推动了科学进步，这对所有科学领域都大有裨益。此外，我们还有像万维网这样的意外收获。粒子物理领域还创造了超导线与超导强场磁铁，同时为医学诊断研发了加速器，将辐射探测器应用到医学影像学中。

《从万里长城到巨型对撞机》一书讲述了粒子物理学如何改变了我们日常生活的精彩故事，尽管在任何时候，粒子物理看上去似乎都与我们的日常生活毫无关系。本书还讲述了粒子物理学怎样为了一个更伟大的目标，而成就了迄今为止全球和平与合作的最佳典范。而这一点将是未来世界所愈加需要的。最后，此书描述了一台位于中国的巨型对撞机的激动人心的可能性，它将成为通往下一个重大突破和进入粒子物理学新篇章的桥梁。

中国人是当今现代世界中最伟大的民族之一，因此，在人类对宇宙最为古老、最为基础、最为深刻的研究进行到最为激动人心的关头，中国完全适合成为其新的领导者。