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【新華日報】“建設超大環形對撞機,我們有十年窗口期”
2019-05-13|文章来源:新华日报 杨频萍 张宣 文/摄 |【
 

  新华日报 杨频萍 张宣 文/摄

    基础科学似乎离我们很近,但又离我们很远。黑洞照片、“上帝粒子”都曾经刷爆我们的朋友圈,但其中的科学内涵却少有人知。5月8日,周刊记者来到中國科學院高能物理所,访问世界顶尖的粒子物理学家王贻芳院士,站在基础科研的世界尖端,他所做的研究,可能会颠覆我们对这个世界的认识。

  實驗物理,

  有望搭橋量子世界和相對論

  對物理學的外行,王贻芳有個經常要解釋的科普問題是“高能物理是研究什麽的?”

  “高能物理就是研究物質最基本的結構,最小最小的結構。”王贻芳介紹,研究這個最小的結構,能夠幫助我們了解宇宙的起源和豐富多彩的物質世界。

  “物質的結構越小,能量越高。能量越高,就越接近時間的零點,也就是更接近宇宙大爆炸的時刻。所以我們所關心的物理過程,跟在宇宙演化的初始時刻是一樣的。”王贻芳介紹,一個龐然大物和草芥微塵,兩者只有在宇宙大爆炸的時候才有聯系,因爲能量都達到最高,在這個最高能量點上,我們能夠將微觀世界和宏觀世界聯系起來。

  衆所周知,現代物理學有兩大基石,廣義相對論和量子力學。前者描述了暗物質和黑洞等身處的宏觀世界,後者則對基本粒子的微觀世界作出精妙描述,推動和造就了我們對現代世界的認識。量子力學和廣義相對論在各自領域出色地描述著我們生活的世界,當今物理學家的目標之一就是將它們合並在一起,“打個比方,就像是牛頓第二定律F=ma,用同一個公式去描述蘋果從樹上掉下來和天上的天體運行這兩個現象。”王贻芳說,如果能有一套理論,能夠將微觀世界和宏觀世界用同一個公式表示出來,不是更簡單、更漂亮嗎?

  目前,已經有不少物理學家,提出了不少理論來嘗試在數學上將兩者統一,比如《生活大爆炸》裏謝耳朵癡迷的“弦理論”。那麽這個理論是否完美?王贻芳解釋道,從科學上來說,任何一個理論要成立,首先它要能夠描述所有過去的實驗現象,第二也是更重要的是,要能成功預測新的現象,弦理論到目前爲止只滿足了第一個條件,它對未來的所有預言都還不可檢驗。

  “廣義相對論和量子力學到目前爲止,經受了大量的實驗檢驗都沒有錯誤,但這兩套理論是分別從宏觀、微觀兩頭方向去描述世界,我們的高能物理實驗就是希望研究其背後更高層次、更深層次的新物理。”王贻芳說。

  打開未來新物理發現的窗口

  微觀世界的運行規律是什麽?這個問題繞不開一個聽起來平淡無奇的名字“標准模型”,但上個世紀的諾貝爾物理學獎當中,超過四分之一都和標准模型有關。

  2012年,標准模型迎來了一次偉大的勝利,科學家苦苦追尋,霍金曾打賭預測不會找到的希格斯粒子,竟然在粒子加速器中被找到了!隨著希格斯粒子的發現,人類補上了標准模型的最後一塊拼圖——但接下來呢?

  “標准模型中存在的問題,大部分與希格斯粒子相關。”王贻芳說,物理學的發展正處在一個轉折點上,用標准模型來描述這個世界,已經走到了盡頭。

  在粒子動物園裏,有12種粒子。“中微子、電子、誇克都是構成物質世界的最小磚塊,而希格斯粒子跟它們都不一樣,它可以跟所有的粒子發生作用,這個作用給其它粒子‘披’了件衣服,給予它們一個後天賦予的質量。”王贻芳說,我們所謂的標准模型面臨各種缺陷和不理想,其實都跟質量問題有關,即跟“上帝粒子”有關系,“我們認爲,未來新物理的發現窗口很可能就在這裏”。

  要研究這個粒子,就需要建立超大對撞機,因爲現有的對撞機都無法滿足能量或亮度要求。歐洲核子研究中心最近也公布了“未來環形對撞機”的概念設計報告,計劃斥巨資分兩步建設新一代超級對撞機,于本世紀50年代完成。

  對此,王贻芳表示,歐洲的對撞機方案跟中國相比略晚一點。都是周長100公裏,技術路線都是先搞電子對撞而後升級到質子加速。當然,兩者的造價不一樣,中國的全部費用約爲歐核費用的一半左右。時間上中國比歐核要早10年左右。正是在這個意義上,王贻芳等科學家認爲,對中國高能物理研究來說,建設超大環形對撞機是一次重大機遇。“我們有10年的窗口期,有非常大的把握取得成功,可能改變世界高能物理研究的格局。如果錯過這個機遇,我們就只能繼續做拾遺補缺的工作了。”

  基礎科學研究本身是人類文明的一部分

  盡管中國超級對撞機的建設已經取得巨大進展,獲得諾獎得主謝爾頓·格拉肖、戴維·格羅斯的力挺,但自2016年以來,超級對撞機面臨了較大的爭議,諾獎得主楊振甯的反對,引發了事關全球高能物理未來發展方向的一場大爭論,可以說是載入科學發展史冊的大“對撞”。

  面對爭議,王贻芳並非沒有壓力,但他從來沒有望而卻步。王贻芳坦承,任何一個國家在這樣的問題上,都需要做完整、全面、徹底的論證,從科學、技術、組織管理等各個方面去做論證,但論證前各方必須占有足夠的資料和相關的知識。建設超級對撞機,對中國、對世界甚至對科學本身都有著非凡的意義。

  “談到性價比,這裏面牽涉到相關技術的溢出效益。高能物理發展有比較強大的技術帶動作用,一旦建成,能帶動一批世界領先的企業和他們的技術。此外,中國想要成爲世界的所謂的科學的領導者,應當有世界的科學中心,這對人才培養、科技體制改革、地方經濟發展等等都會有非常重要的一個推動作用。”

  如何看待基礎科學研究跟經濟發展之間的關系?王贻芳認爲,首先要知道所謂“沒用”的基礎研究,在掌握了舉一反三的規律之後,最終會對“有用”的經濟産生巨大的效果。第二就是國家對基礎研究和應用研究的投入要有一個合適的比例,既顧眼前也要顧長遠,既考慮到未來的10年,也要考慮到未來的50年。

  基礎科學研究本身是文明的一部分。在改變了世界文明面貌的偉大科學洞見上,“麥克斯韋統一了我們對電和磁的認識,爲今天的絕大多數技術提供了理論基石。愛因斯坦的質能方程打開了核子時代的大門。而中國古代雖有四大發明,但我們只停在了‘發現’階段,並沒有進一步發展出抽象的、純粹的科學,也不知其所以然。”有了推動人類文明的基礎科研成果,中國才會具有更大的軟實力和世界影響力。

  (原載于《新華日報》2019年5月9日第13版:科技周刊·星光,http://xh.xhby.net/mp3/pc/c/201905/09/c629422.html)


 
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