作者：陈修真(中国科学院高能所特任青年研究员) )。

在根据科幻小说《三体》改编的同名电视剧中，对撞机可以说是最重要的工具。 ——，“三体人”利用它们的高科技产品“智子”影响了地球对撞机的实验，使物理实验结果不规则，从而瓦解了一些科学家的信念，走上了自毁之路。 那么，作为实际存在的科研设备，什么是对撞机呢？ 那对人类有什么作用呢？

碰撞型加速器概念图。 由中国科学院高能所提供

粒子物理学的“标准模型”。 欧洲核研究中心

1.对撞机因何而生？

研究微观世界的大科学装置

直到十九世纪末期，人类对世界运行规律的认识几乎还停留在宏观物体和现象上。 19世纪末，从发现x射线、发现J.J .汤姆森电子、发现卢瑟福射线和射线等实验来看，物理学家开始集中于微观世界的物理现象。 特别是20世纪20年代量子力学问世后，物理学家们逐渐意识到，在微观尺度上存在着与宏观世界大不相同的世界，其尺度如此之小，科学家必须使用特殊的实验仪器来观测这一现象。

早期微观世界的研究通常观测天然放射性物质和宇宙射线。 当时的科学家们将微观尺度的现象放大到宏观尺度进行观测，——科学家们使用可以曝光几种放射线的照片底片，或者使用入射粒子在过饱和蒸汽中以一系列电离原子为凝结核形成粒子轨迹上形成一系列雾的“云室”等

20世纪30年代前后，更强大的粒子物理研究工具问世，——劳伦斯发明了回旋加速器粒子加速器。 其基本结构是两个半圆d型箱和d型箱之间的交流电场，两个半圆d型箱被施加了使带电粒子偏转的磁场。 加速器中心放置有粒子源，发射的带电粒子受到电场的作用而加速，进入半圆d型箱的磁场中时，通过磁场偏转反向，再次进入d型箱之间的交流电场。 如果时间调整适当，此时交流电场的方向正好反转，带电粒子再次被加速。 这样多次往复后，带电粒子就会加速到具有高能量，可以控制其能量和方向，从而大幅提高微观粒子的研究能力。

通过粒子加速器，人类可以控制地获得具有高能的微观带电粒子，从而可以更加准确地研究这些粒子的性质。 但由于相对论效应，高能粒子的回旋周期随能量的提高而变化。 因此，科学家们还调整了回旋粒子加速器的均匀磁场及电场变化频率，以使带电粒子最大限度地获得能量。 这种电场和磁场可以控制的粒子加速器称为同步加速器。 通过同时改变电场和磁场，带电粒子在加速时不需要经历连续变化的半径，同步加速器可以呈环形。

由于量子效应的存在，研究更细粒子的结构必须获得更高的能量。 加速器使粒子物理学家们获得了前所未有的可控高能，粒子物理的主要研究方式变成了利用高能粒子加速器的研究。 因此，粒子物理学现又称高能物理学。

早期的加速器主要用于加速带电粒子，碰撞原子靶，统计分析碰撞产物。 随着粒子物理实验的深入，粒子物理的理论也得到了蓬勃的发展。 虽然预言了能量更高的粒子，但要产生这些粒子，需要建设能量更高的实验设备。 而且，利用加速后的粒子束固定靶的实验形式，几乎所有的能量都浪费在碰撞生成物的动能上。 因此，实验物理学家们开发了一种可以大幅节约能源的方法。 那就是加速两个运动方向相反的粒子，用极其精细的操作控制粒子们的位置，使其在极小的空间中碰撞。 利用该方法可以最大化利用粒子的动能，这是目前粒子物理学研究最重要的研究设备——对撞机。

国际磁浮列车形象。 由中国科学院高能所提供

2.对撞机有什么用？

科学发现的助推器，高技术应用的试验田

作为粒子物理学最重要的研究设施碰撞型加速器可以直接决定粒子物理学许多研究方向的发展水平。 粒子物理学的研究直接面对物质最基本的组成成分和物质间最基本的相互作用这一研究对象，探索质量起源、宇宙演化、暗物质等最深刻、最神秘的课题。 物质最基本的成分和相互作用的探索不仅满足了人类的好奇心，也为今后几十年到一百年后的应用积累了知识。

在科学技术健康发展的社会，基础科学的研究水平应该已经超过了现在的时代。 只有这样，影响人类生活的技术才能在科学理论的指导下发展。 基础科学研究停滞不前，过了一段时间，技术的发展也因为没有科学依据而难以进步。 正因为这样的逻辑，《三体》的小说和电视剧都有“三体人”利用干涉碰撞实验“锁定”人类科技的故事。

然而，对撞机不仅在粒子物理学的研究中起着重要的作用。 作为世界上最宏伟、最先进的基础研究设施，对撞机也始终是最新、最大胆技术的实验田。 例如，人类首次大规模使用超导磁体是在美国芝加哥郊外的费米实验室建造的Tevatron对撞机。

例如，万维网的诞生与对撞机密切相关。

互联网诞生于20世纪60年代至70年代，但早期的互联网没有网站，因此互联网的使用是一项高度技术性和专业性的工作。 20世纪80年代末，在欧洲核研究中心的大型正负电子碰撞加速器正式投入使用的前夕，欧洲核研究中心的数据科学家蒂姆伯纳斯-李为了让粒子物理学家们更有效地共享信息，使用了超文本传输协议(HTTP ) 不久，欧洲核研究中心的科学家们按照这一协议构建了人类历史上第一台万维网(www )服务器。 由此，用户可以登录服务器上的网站，浏览web页面并获取信息。 网络的出现彻底改变了人们的信息交换方式，将“互联网”从一项高度技术性的专业工作变成了人人都能做的简单事情。

一个由成千上万个不同部件组成的、汇聚了成千上万科学家和工程师智慧的设施——对撞机，它的发展也能带动许多不同应用领域的发展。

北京正负电子对撞机上安装的北京谱仪。 由中国科学院高能所提供

3.未来对撞机什么样？

实现“希格斯工厂”对撞机

像国内许多现代学科一样，中国粒子物理实验的发展历史比较短，道路也很曲折，但中国高能物理学科发展迅速。

20世纪50年代，中国物理学家曾考虑在苏联科学家的帮助下，在中国建造自己的粒子加速器。 然而，到了改革开放初期，我国粒子加速器的最终建设方案已经成型。

1981年12月22日，邓小平同志亲自听取了中科院建设22亿电子伏正负电子对撞机的建议汇报会，并在会上表示：“这项工程已经进行到了这个地步，不能中断。 他们提出的方案比较可行，我赞成批准，不再犹豫。” 1984年10月7日，北京正负电子对撞机正式破土动工。 1988年10月18日，北京正负电子对撞机首次成功相撞。 至此，北京正负电子对撞机开始了30多年的科研生涯，运行在北京正负电子对撞机上的北京谱仪实验也成为我国主导的第一项国际合作科学实验。

目前，经过几次重大升级改造后，北京正负电子对撞机仍在运行中，是粲能区物理领域全球最重要的研究设备。 它还使中国能够在世界粒子物理研究舞台上占有一席之地，启发了许多科幻作品——电视剧《三体》中有关对撞机的部分都是在北京正负电子对撞机的加速器隧道内拍摄的。

那么，未来冲突的机会如何发展呢？ 中国有什么机会？

其实，对撞机物理一直在稳定发展。 2012年，在欧洲大型强子对撞机上，科学家发现了能给其他基本粒子提供质量的粒子。 该粒子被称为“希格斯粒子”，由于该粒子与质量的特殊关系，也被媒体经常称为“神的粒子”。 希格斯玻色子不仅是物质质量的起源，早期宇宙演化过程中，暗物质等待探索的区域也与希格斯玻色子密切相关。 因此，未来对希格斯玻色子的正确研究是国际粒子物理学界的共识。

在发现这种粒子的同时，科学家们测量了它的质量，推导出了最有效地产生这种粒子的方法。 那就是用特定的能量使正负电子碰撞，以这种形式能够大量产生希格斯玻色子的对撞机被称为“希格斯工厂”。

有了这个信息，世界粒子物理研究的主要强国纷纷提出了各自未来“希格斯工厂”的方案。 其中，2012年下半年，我国科学家率先提出在我国建设环形正负电子对撞机的方案，欧洲科学家也紧随其后，提出了欧洲版环形正负电子对撞机方案。 日本粒子物理学家调整了现有的线性对撞机运行计划的能量，使日本的对撞机计划也能大量产生希格斯玻色子。

在近几年欧美日等国家和地区制定的粒子物理发展规划中，希格斯粒子的研究无一例外都处于核心地位。 欧洲粒子物理发展战略认为，“希格斯工厂”是未来发展的最高优先顺序。根据美国粒子物理战略讨论报告，美国将参与希望早日实现“希格斯工厂”对撞机的项目。 2016年中国物理学会高能物理分会的决议中还明确提出我国提出的环形正负电子对撞机是我国未来高能加速器物理发展的优先项目。

与国际上其他一些“希格斯工厂”方案相比，中国方案在时间线、粒子生产效率和制造成本方面具有一定优势，因此也被国际粒子物理学界视为未来旗舰型项目的主要选择之一。 由于新一代对撞机的强大能力，国际上普遍认为，最先实现的“希格斯工厂”对撞机将成为未来国际粒子物理研究的核心。

应该说，如果中国能抓住建设“希格斯工厂”的机遇，新一代中国粒子物理学家就真的有机会站在国际粒子物理学研究舞台的正中央。

《光明日报》 (年02月09日版16 ) ) )。

资料来源：光明网- 《光明日报》