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【新华日报】“建设超大环形对撞机,我们有十年窗口期”
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,周刊记者来到中国科学院高能物理所,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。

  实验物理,

  有望搭桥量子世界和相对论

  对物理学的外行,王贻芳有个经常要解释的科普问题是“高能物理是研究什么的?”

  “高能物理就是研究物质最基本的结构,最小最小的结构。”王贻芳介绍,研究这个最小的结构,能够帮助我们了解宇宙的起源和丰富多彩的物质世界。

  “物质的结构越小,能量越高。能量越高,就越接近时间的零点,也就是更接近宇宙大爆炸的时刻。所以我们所关心的物理过程,跟在宇宙演化的初始时刻是一样的。”王贻芳介绍,一个庞然大物和草芥微尘,两者只有在宇宙大爆炸的时候才有联系,因为能量都达到最高,在这个最高能量点上,我们能够将微观世界和宏观世界联系起来。

  众所周知,现代物理学有两大基石,广义相对论和量子力学。前者描述了暗物质和黑洞等身处的宏观世界,后者则对基本粒子的微观世界作出精妙描述,推动和造就了我们对现代世界的认识。量子力学和广义相对论在各自领域出色地描述着我们生活的世界,当今物理学家的目标之一就是将它们合并在一起,“打个比方,就像是牛顿第二定律F=ma,用同一个公式去描述苹果从树上掉下来和天上的天体运行这两个现象。”王贻芳说,如果能有一套理论,能够将微观世界和宏观世界用同一个公式表示出来,不是更简单、更漂亮吗?

  目前,已经有不少物理学家,提出了不少理论来尝试在数学上将两者统一,比如《生活大爆炸》里谢耳朵痴迷的“弦理论”。那么这个理论是否完美?王贻芳解释道,从科学上来说,任何一个理论要成立,首先它要能够描述所有过去的实验现象,第二也是更重要的是,要能成功预测新的现象,弦理论到目前为止只满足了第一个条件,它对未来的所有预言都还不可检验。

  “广义相对论和量子力学到目前为止,经受了大量的实验检验都没有错误,但这两套理论是分别从宏观、微观两头方向去描述世界,我们的高能物理实验就是希望研究其背后更高层次、更深层次的新物理。”王贻芳说。

  打开未来新物理发现的窗口

  微观世界的运行规律是什么?这个问题绕不开一个听起来平淡无奇的名字“标准模型”,但上个世纪的诺贝尔物理学奖当中,超过四分之一都和标准模型有关。

  2012年,标准模型迎来了一次伟大的胜利,科学家苦苦追寻,霍金曾打赌预测不会找到的希格斯粒子,竟然在粒子加速器中被找到了!随着希格斯粒子的发现,人类补上了标准模型的最后一块拼图——但接下来呢?

  “标准模型中存在的问题,大部分与希格斯粒子相关。”王贻芳说,物理学的发展正处在一个转折点上,用标准模型来描述这个世界,已经走到了尽头。

  在粒子动物园里,有12种粒子。“中微子、电子、夸克都是构成物质世界的最小砖块,而希格斯粒子跟它们都不一样,它可以跟所有的粒子发生作用,这个作用给其它粒子‘披’了件衣服,给予它们一个后天赋予的质量。”王贻芳说,我们所谓的标准模型面临各种缺陷和不理想,其实都跟质量问题有关,即跟“上帝粒子”有关系,“我们认为,未来新物理的发现窗口很可能就在这里”。

  要研究这个粒子,就需要建立超大对撞机,因为现有的对撞机都无法满足能量或亮度要求。欧洲核子研究中心最近也公布了“未来环形对撞机”的概念设计报告,计划斥巨资分两步建设新一代超级对撞机,于本世纪50年代完成。

  对此,王贻芳表示,欧洲的对撞机方案跟中国相比略晚一点。都是周长100公里,技术路线都是先搞电子对撞而后升级到质子加速。当然,两者的造价不一样,中国的全部费用约为欧核费用的一半左右。时间上中国比欧核要早10年左右。正是在这个意义上,王贻芳等科学家认为,对中国高能物理研究来说,建设超大环形对撞机是一次重大机遇。“我们有10年的窗口期,有非常大的把握取得成功,可能改变世界高能物理研究的格局。如果错过这个机遇,我们就只能继续做拾遗补缺的工作了。”

  基础科学研究本身是人类文明的一部分

  尽管中国超级对撞机的建设已经取得巨大进展,获得诺奖得主谢尔顿·格拉肖、戴维·格罗斯的力挺,但自2016年以来,超级对撞机面临了较大的争议,诺奖得主杨振宁的反对,引发了事关全球高能物理未来发展方向的一场大争论,可以说是载入科学发展史册的大“对撞”。

  面对争议,王贻芳并非没有压力,但他从来没有望而却步。王贻芳坦承,任何一个国家在这样的问题上,都需要做完整、全面、彻底的论证,从科学、技术、组织管理等各个方面去做论证,但论证前各方必须占有足够的资料和相关的知识。建设超级对撞机,对中国、对世界甚至对科学本身都有着非凡的意义。

  “谈到性价比,这里面牵涉到相关技术的溢出效益。高能物理发展有比较强大的技术带动作用,一旦建成,能带动一批世界领先的企业和他们的技术。此外,中国想要成为世界的所谓的科学的领导者,应当有世界的科学中心,这对人才培养、科技体制改革、地方经济发展等等都会有非常重要的一个推动作用。”

  如何看待基础科学研究跟经济发展之间的关系?王贻芳认为,首先要知道所谓“没用”的基础研究,在掌握了举一反三的规律之后,最终会对“有用”的经济产生巨大的效果。第二就是国家对基础研究和应用研究的投入要有一个合适的比例,既顾眼前也要顾长远,既考虑到未来的10年,也要考虑到未来的50年。

  基础科学研究本身是文明的一部分。在改变了世界文明面貌的伟大科学洞见上,“麦克斯韦统一了我们对电和磁的认识,为今天的绝大多数技术提供了理论基石。爱因斯坦的质能方程打开了核子时代的大门。而中国古代虽有四大发明,但我们只停在了‘发现’阶段,并没有进一步发展出抽象的、纯粹的科学,也不知其所以然。”有了推动人类文明的基础科研成果,中国才会具有更大的软实力和世界影响力。

  (原载于《新华日报》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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