大型强子对撞机(大型强子对撞机建造的目的是什么?)

大对撞机是什么 大型强子对撞机简述

1、大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的‘新物理’机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备，英文名称为LHC。

2、欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深，总长17英里（含环形隧道）的隧道内。2008年9月10日，对撞机初次启动进行测试。

3、2019年8月1日，大型强子对撞机（LHC）的下一代“继任者”——高亮度大型强子对撞机项目的升级工作正在进行，亮度将提升5到10倍。

大型强子对撞机是什么？

大型强子对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子，和微观量化粒子的‘新物理’机制设备，是一种将质子加速对撞的高能物理设备。欧洲大型强子对撞机是现在世界上最大、能量最高的粒子加速器。大型强子对撞机坐落于日内瓦附近瑞士和法国的交界侏罗山地下100米深，总长17英里（含环形隧道）的隧道内。

大型强子对撞机将是世界上最大、能量最高的粒子加速器，来自大约80个国家的7000名科学家和工程师。由40个国家建造。是一种将质子加速对撞的高能物理设备。它是一个圆形加速器，深埋于地下100米，它的环状隧道有 27 公里长，坐落于在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心（又名欧洲粒子物理实验室），横跨法国和瑞士的边境。

当两个质子束在环形隧道中沿着反方向运动的时候，强大的电场使它们的能量急剧增加。这些粒子每运行一圈，就会获得更多的能量。要保持如此高能量的质子束继续运行需要非常强大的磁场。这么强的磁场是由冷却到接近绝对零度的超导电磁体产生的。物理学家们最希望建造的是一个30公里长的机器，它能以至少5千亿电子伏的能量将电子和正电子一起粉碎。

目前；对撞机已经发现了‘希格斯粒子希格斯玻色子的存在，升级后发现‘夸克奇异重子’五种夸克的‘味变’集合体存在，改造升级能量的加大还会‘探索发现’超对称粒子和希格斯耦合粒子与粒子的额外维相存在。这个加速器、它的仪器和技术方面的基础设施的操作器，都安装在欧洲粒子物理研究所控制中心的同一座建筑内。在这里，大型强子对撞机内的粒子流将在加速器环周围的4个区域相撞，这4个区域与粒子探测器的位置相对应。

物理哲学家：大型强子对撞机已经打破了物理学

除了希格斯玻色子之外，大型强子对撞机（LHC）还没有发现任何新的基本粒子。这对粒子物理学家来说无疑非常失望，因为他们相信这个巨型的粒子加速器应该能找到更多的新粒子、额外的空间维度、微型黑洞、新的对称性、暗物质，或者其他完全不同的东西。然而，这些期望全都落空。

之所以粒子物理学家相信，大型强子对撞机能发现除希格斯玻色子之外的东西，是因为目前最好的物理学理论——粒子物理标准模型，不是“自然的”。

论点大致是这样的：希格斯玻色子有别于标准模型中的其他粒子。其他粒子的自旋位1或或者1/2，但希格斯粒子的自旋为0。正因为如此，量子涨落对希格斯粒子的质量做出了更大的贡献。这让粒子物理学家认为，一旦碰撞能量足够高，在制造出希格斯粒子的同时，一定会有别的东西随之出现。

在物理学中，自然性（Naturalness）是指物理理论中出现的自由参数或物理常数之间的无量纲比值应该取“1数量级”的值。也就是说，一个自然理论的参数比应该是2.34，而不是234000或0.000234。从这个意义上来讲，令人满意的物理学理论应该是“自然的”，这一要求是上世纪60年代在粒子物理学领域兴起的一种思潮。它是一种美学标准，而非物理学标准。

然而，粒子物理标准模型在技术上是不自然的观点并没有实际意义，因为这些被认为是麻烦的量子贡献是无法观测到的。因此，自然性的缺乏完全是一个哲学上的难题，关于它的辩论源于一个根本性的困惑：什么东西一开始需要用科学解释？如果不能观测到，那就没有什么好解释的了，为什么我们还要谈这个？

数十年来，总有人会相信自然论。但事实上，基于自然论的大型强子对撞机预测并没有奏效。那么，粒子物理学家最终会抛弃自然性的观点吗？

然而，粒子物理学家对他们此前所做出的明显失败的预测保持沉默。除了欧洲核子研究组织（CERN）理论小组负责人、自然论最有力的倡导者之一Gian Francesco Giudice在2017年发表了一篇承认有问题的论文之外，没有人愿意承认有什么地方出了严重的问题。

也许粒子物理学家只是希望没有人会注意到他们的错误，更不用说这些错误已经在所有出版的文献中出现了。一些粒子物理学家正忙于发明新的自然论，预测新的粒子只会出现在下一个更大的对撞机上。

对于粒子物理学家而言，这可能是一个不好的情况，但对于哲学家而言，这是一个很好的情况，因为他们对别人的问题最感兴趣。南加州大学（University of Southern California）的物理哲学家David Wallace认为，大型强子对撞机已经打破了物理学。为此，他最近写了一本名为《自然性与涌现》（Naturalness and Emergence）的书。

关于粒子物理学家预测的失败，Wallace在书中写道：

“我认为，任何这种自然性的失败，都有可能破坏我们对理论间还原的整个理解结构，因此，物理领域的危机可能比人们有时认为的要严重得多。”

在科学哲学中，“理论间还原”是指在一定条件下，一个适用范围更广的理论可以还原为形式更为简洁的理论。例如，在速度远小于光速的情况下，狭义相对论可以还原为牛顿力学。

Wallace在书中进一步写道：

“如果自然论在粒子物理学和宇宙学中完全失败，则就没有可靠的方法论论据来假设它们无处不在（比如在统计力学中）。”

迄今为止，粒子物理标准模型已经成功地解释了来自大型强子对撞机的每一个数据片段。不管怎样，这个理论都是非常成功的理论。如果有人使用一个标准来评估理论的好坏，那么，出问题的会是提出标准的人，而不是理论本身。

大型强子对撞机有多大？

　　它的周长有17英里（约27.3千米）。

大型强子对撞机（Large Hadron Collider）确实很庞大，它的周长有17英里（约27.3千米），是这个星球上最大的对撞机。但是它名字后部分有一定的误导性。这是因为在LHC中对撞的只是强子内部很小的部分，而不是强子本身。

强子是由夸克和胶子组成的复合粒子。其中胶子传递着强相互作用力，让夸克紧紧地粘在一起，形成单个粒子。LHC中最主要的对撞粒子是被称为质子的强子。质子由三个夸克和难以计数的胶子组成。（质子又进一步组成原子，而原子构成世界万物）

如果把一个质子放大到篮球那么大，它看起来会显得空荡荡。和原子一样，质子也几乎完全是空的。质子中的单个夸克和胶子是非常小的，只有不到整个质子直径的万分之一。

大型强子对撞机到底是何物，浪费时间金钱研究值得吗？

大型强子对撞机(LHC)是现代粒子物理学的一个奇迹，它使研究人员能够探测到现实世界的深处。它的起源可以追溯到1977年，根据物理学家托马斯•肖纳-萨迪尼乌斯(Thomas Schorner-Sadenius) 2015年发表的一篇历史论文，当时欧洲核子研究中心(CERN)前主任约翰•亚当斯爵士(Sir John Adams)建议建造一条地下隧道，以容纳能够达到超高能量的粒子加速器。20年后的1997年，该项目正式获得批准，并开始建造一个16.5英里(27公里)长的环形轨道，该轨道经过法国和瑞士边境，能够将粒子加速到99.99%的光速，并将它们撞击粉碎在一起。

博科园-科学科普：在环内，9300个磁铁以每秒11245次的速度将带电粒子以两个相反的方向引导到一起，最终实现正面碰撞。该设备每秒能产生6亿次碰撞，释放出难以置信的能量，并且每隔一段时间，就会产生一种从未见过的奇异重粒子。大型强子对撞机运行能量是美国费米实验室退役泰的威顿（Tevatron）粒子加速器6.5倍，LHC的建造总共花费了80亿美元，其中5.31亿美元来自美国。来自60个不同国家的8000多名科学家参与了这项实验。加速器在2008年9月10日首次开启，仅在其原始设计强度的千万分之一时间内碰撞粒子。

世界上最大的粒子加速器，大型强子对撞机，在法国和瑞士的边界下形成了一个17英里(27公里)长的环。图片：Maximilien Brice/CERN

在它开始运作之前，一些人担心新的原子加速器会摧毁地球，也许会创造一个吞噬一切的黑洞。但任何著名的物理学家都会说这种担心是没有根据的。欧洲核子研究中心主任Robert Aymar说：LHC是安全的，任何认为它存在风险的说法都是虚构的。这并不是说，如果使用不当，该设施就不会产生潜在的危害。如果你把你的手插进光束中，它会把一艘航空母舰运动时的能量集中到一毫米以下，它会在光束中形成一个洞，然后隧道中的辐射会杀死你。

开创性的研究

在过去的10年里，大型强子对撞机为了两个主要的实验（ATLAS和CMS）将原子击碎在一起，这两个实验分别操作和分析它们的数据。这是为了确保两种合作都不会影响到对方，并且每一种合作都提供了对其姐妹实验的检查。这些仪器已经发表了2000多篇关于基本粒子物理学许多领域的科学论文。2012年7月4日，当LHC的研究人员宣布发现希格斯玻色子(Higgs boson)时，科学界屏息以待。希格斯玻色子是已有50年历史的物理学标准模型(Standard Model of physics)中的最后一块拼图。标准模型试图解释所有已知的粒子和力(除了重力)及其相互作用。早在1964年，英国物理学家彼得·希格斯(Peter Higgs)就写过一篇关于这种现在以他的名字命名的粒子论文，解释了质量是如何在宇宙中产生的。

这张大型强子对撞机的合成图像是由一位3D艺术家创作。电子束管用透明的电子管表示，反向旋转的质子束用红色和蓝色表示。图片：Daniel Dominguez/CERN

希格斯玻色子实际上是一个能渗透到所有空间的场，并拖曳着每一个穿过它的粒子。一些粒子在磁场中跋涉得更慢，这与它们的质量更大相对应。希格斯玻色子是这一领域的一种表现，物理学家们已经追求了半个世纪。LHC就是为了最终捕获这个难以捉摸的目标而建造。最终发现希格斯粒子的质量是质子的125倍，彼得·希格斯粒子和比利时理论物理学家弗朗索瓦·恩格勒(Francois Englert)因预测其存在而在2013年获得诺贝尔奖。即使有希格斯粒子在手，物理学家们也不能休息，因为标准模型仍然有一些洞。首先，它不涉及引力，而引力是爱因斯坦相对论的主要内容。它也没有解释为什么宇宙是由物质而不是反物质构成，反物质应该在时间之初以大致相等的数量被创造出来。

在暗物质和暗能量方面，它是完全沉默的，当它刚被创造出来的时候，还没有被发现。在大型强子对撞机启动之前，许多研究人员可能会说，下一个伟大的理论是超对称理论，它为所有已知的粒子增加了类似但质量大得多的双子星。这些重伙伴中的一个或多个可能是构成暗物质的粒子的完美候选者。超对称性开始解释重力，为什么它比其他三种基本力弱得多。在希格斯玻色子被发现之前，一些科学家希望这个玻色子最终会与标准模型预测的略有不同，这暗示着新的物理学。但是当希格斯粒子出现的时候，它是非常正常的，正好在标准模型所说的质量范围内。

虽然这对于标准模型来说是一个伟大的成就，但它却让物理学家们没有任何好的线索。一些人开始谈论“失去的几十年”，追寻那些表面上听起来不错，但似乎与实际观察不符的理论。许多人希望大型强子对撞机的下一次数据采集将有助于清理这一混乱局面。LHC于2018年12月关闭，进行为期两年的升级和维修。当它重新上线时，它将能够以每秒两倍的碰撞次数，以略微增加的能量粉碎原子。到时候它会发现什么，谁也说不准。人们已经在讨论用更强大的粒子加速器来取代它，它位于相同的区域，但体积是LHC的四倍。这一巨大的替代工程可能需要20年时间和270亿美元（1812.1亿元人民币）的建设资金，所以你觉得再用20年花1812亿元造对撞机值得吗？

建造大型强子对撞机有什么用？杨振宁等科学家为何反对我国建造？

提起大型强子对撞机，大家想起的可能是撞出黑洞，有人想起的可能是希格斯玻色子。对撞机撞出黑洞是来自于人们对黑洞这种奇异天体的恐慌，而撞出希格斯玻色子则是欧洲大型强子对撞机（LHC）最辉煌的实验成就。

大型强子对撞机有什么用？

大型强子对撞机是一种大型的实验仪器，通过超强的电磁场在较大的环形轨道里加速带电粒子，把带电粒子加速到接近光速的高能状态下进行对撞实验，用以验证微观力学的理论预言。它的轨道周长直接决定了其所能加速粒子的能量上限，一旦理论预期发现新粒子所需的能级超过现有对撞机的能量上限，这个对撞机的历史使命就算是终结了。

为何我国要建大型强子对撞机？

随着希格斯玻色子的发现，27公里长的欧洲大型强子对撞机的历史使命也算完成，由于轨道周长的限制，它的对撞能级下已经难有重大发现，因此，世界高能物理学界和超弦理论学界期待新一代更强大的对撞机出现，以验证他们的理论，目前计划建造的对撞机轨道周长都是百万公里级的。但建造大型强子对撞机的投入异常巨大，一般的国家都负担不起，作为超级大国的美国已经指望不上了，因为在上世纪美国才因不断追加的超额投入停掉过一个大型对撞机项目。而欧盟那边虽然已经规划建造，但是欧盟的执行力是有目共睹的，从全球卫星定位系统项目就可见一斑……因此各国科学家就把目光投向了GDP全球第二的我国。

于是，以超弦理论界为首高能物理界为辅的全球科学家一致建议我国建造大型强子对撞机，以验证超弦理论的基础超对称理论。

反对者出现

当建造的声音来势汹汹，且都是是国际上极具威望的人物，这时一个人站了出来，站在了他们的对立面，他就是物理学界的泰斗我国科学家杨振宁。他坚决反对我国在现阶段斥巨资建造大型对撞机，他给出了7条理由。我总结了一下他的中心思想是：高能物理能做的事已经不多，难有重大发现；超对称理论是空中楼阁，期望找到超对称粒子很可能竹篮打水一场空；这大型项目的投入将极大地压缩其它领域的科研经费，这将限制了其它领域的发展。

实际上反对建造对撞机的科学家一定不在少数，但由于种种原因，鲜有科学家敢站出来公开叫板高能物理界和超弦界，只有杨振宁坚定地站了出来，凭一己之力对抗整个高能物理界。

孰对孰错？科研经费该去往何方？

“文明不断增长和扩张，但宇宙中的物质总量保持不变。”

这是《三体》里叶文洁提出的第二条公理，罗辑据此发现了黑暗森林法则。今天，我要把这条公理改一改：“科研项目众多，但我国科研经费总量不变。”这正是杨振宁反对建造对撞机的一个重要原因。如果把巨大的经费都投入到一个可能一事无成的项目，这不单是对科研经费的巨大浪费，还同时造成了其它项目因缺乏经费而停顿。作为一个发展中国家，我国应该把经费更多投入到那些有产出的领域。杨振宁指出，高能物理的成就在未来3、50年内，对我们的生活都不会产生什么积极的影响。

美国是怎么做的？

杨振宁的其中一个论据就是上世纪美国把大型强子对撞机项目停掉了。这是由于不断增加的预算，一开始申请44亿美元的预算，建造未过半，预算已经将近翻了一番，达到80亿美元，最终在项目进行的第三任总统克林顿废止了该项目，随即投入200亿美元到国际空间站项目中。很显然，美国不差钱，但他们认为国际空间站更值得花。

我国该怎么做？

我国计划建造的大型强子对撞机首期正负电子对撞机的投入预算为360亿元，第二期的质子对撞机的投入将高达千亿。这还是仅仅初步计划的基础投入，纵使不超支，对撞机建成后的运行投入也依然是个巨大的坑，且不说维护成本，单就耗电量就是个巨坑，目前的欧洲大型强子对撞机的耗电量是200兆瓦，即20万千瓦。这相当于一个大型水电站的发电量……按照1元/度电的电费算，运行一个小时的电费就高达20万，而中国计划建造的对撞机周长是它的4倍……

我国需要科研经费的项目太多了，航天、量子信息、芯片等等，这些都是直接与国防和经济挂钩的科研项目，是否更值得作为发展中国家的我们去投入呢？美国选择了把大型强子对撞机的经费投到了航天领域，我们呢？

航天技术与国防技术是相通的，量子信息技术在信息安全方面意义重大，芯片更加不用说，近年网上已经有足够的信息让我们知道它的重要性，至于其它领域就不一一列举。

你赞成我国建造对撞机吗？

从网上科学兴趣群里了解到，绝大多数非高能物理专业的科学爱好者都是支持杨振宁的，那么你认为我国该建不该建？

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