互动科普

《环球科学》：本期特别策划的完成，要感谢你作为客座总编的参与和帮助：不仅推荐多位粒子物理专家负责翻译，还逐字逐句审校每一篇文章。这种尽心尽责、热心科普的精神让我们深受感动。

建造周长几十千米的巨型圆环，把质子加速到高能状态，让它们迎头相撞，以此寻找神秘的希格斯粒子——本期特别策划中，科学家预言了物理学新纪元的到来。但对大多数读者而言，粒子物理离自己生活非常遥远，恐怕连“希格斯”这三个字都无异于“天方夜谭”。作为一位粒子物理学家，你认为粒子物理的前沿研究，究竟会对我们的日常生活产生什么样的影响？

陈和生：坦率地讲，现在来讨论利用LHC寻找希格斯粒子对人类生活到底能有什么影响，还为时太早。对于物理学的基础研究，特别是物质结构最前沿的研究来说，我们不能期望它立即产生实用技术。科学首先必须认识物质结构的内在规律，然后才能考虑这些规律的实际应用。

回想19世纪末，居里夫人研究原子核衰变的时候，只是想认识物质结构的规律，并不知道研究成果有什么“用”。但是后来，随着人类对原子核结构的深入了解，核物理在武器、能源、医疗等领域的应用，都对人类的社会生活产生了巨大的影响。同样，上世纪初对量子理论的研究成果，在上个世纪中后期产生了半导体、计算机、激光、电视、手机、GPS等技术，深刻地改变了人类的生活方式。我相信，对于希格斯粒子或LHC即将带来的其他发现，一旦认识了它们的规律，就可能逐步发现它们的应用，会对人类日常生活产生深远的影响。

这个问题还可以从另一个角度来回答。现代粒子物理研究，需要依赖LHC这样的大型科学装置。在这些装置的建造及运行过程中，科学家和工程师会发展很多先进技术。它们不一定和希格斯粒子有直接关系，但会直接影响我们的生活和社会发展。以欧洲原子能研究中心的上一台大型加速器——大型正负电子对撞机（LEP）为例，它就大大推动了超导、高频、微波、精密机械和自动控制等诸多高技术的发展。

LEP对人类社会所做的最大贡献，当数万维网（World Wide Web）的发明。在LEP实验的数据分析和物理研究过程中，为了让分布在世界各地参与LEP实验的物理学家能够高效充分地交换和共享信息，顺利开展研究工作，一位名叫蒂姆·伯纳斯－李（Tim Berners-Lee）的英国科学家发明了万维网。这项技术给全球信息的交流和传播带来了革命性的变化，不仅迅速推广和普及了互联网技术，还大大改变了人类的生活方式。这就是粒子物理前沿研究对社会产生直接影响的一个典型例子。伯纳斯－李当时声明放弃专利权，把这项发明无偿地奉献给全人类。粒子物理学家常开玩笑说，如果像微软那样收取专利费的话，全世界的粒子物理研究就不愁经费了。

大型高能物理加速器还逐步衍生出多种先进的大型交叉研究平台，如同步辐射装置、散列中子源、自由电子激光等。这些平台为生命科学、资源环境、纳米科学、凝聚态物理、化学化工等诸多领域提供了先进的研究手段，大大推动了这些领域的发展。发达国家以这些装置为中心，形成了大型的多学科研究基地，成为了这些国家科技创新体系的重要单元。

回到今天的LHC，它正在带动新一代网络技术——网格技术的发展。网格和互联网技术最大的区别就在于：互联网技术只能提供相对较少的共享信息，比如通过网页浏览几KB到几MB的信息，或者通过FTP下载几个GB的文件；网格技术则是海量数据和超级计算能力的共享。这里所说的海量数据是指几十个PB（1PB=100万GB）的数据，相当于目前普通硬盘容量的数百万倍；而超级计算能力，则至少相当于几万台最新型CPU运算能力的总和。LHC的实验数据和几万台CPU的处理能力分散在欧洲、美国、日本、中国等许多地方，全世界的研究人员在自己的研究所里就能共享数据和处理能力。LHC计算网格是第一个真正投入实用的大规模网格，是高能物理对信息技术发展的又一个重大贡献。

《环球科学》：随着LHC的建成，粒子物理学将迎来“黄金时期”，涌现出一大批新发现，这已经是许多科学家的共识。粒子物理学的进步，将如何带动整个物理学向前迈进？

陈和生：20世纪物理学的发展，不仅为许多学科提供了先进的研究手段，还促进了不同学科之间的交叉与融合，产生了许多交叉前沿。比如，研究最微观世界的粒子物理学，就和研究最宏观世界的宇宙学和天体物理学发生了密切交叉。按照现在公认的理论，宇宙诞生于一场大爆炸。在诞生之初，宇宙中的能量密度非常高。我们无法回到宇宙早期去作实地观测，要了解那一时期的物理规律，就必须求助于高能物理。换句话说，我们必须用粒子物理学规律，去解释宇宙的起源和演化所涉及的种种复杂过程。

上个世纪初，英国物理学家开尔文男爵在展望20世纪物理学前景时说，物理学美丽而晴朗的天空中飘着两朵乌云。因为当时的物理学看似完美，只有迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验得不到解释。而今天的物理学天空中，不能只说是两朵乌云，而应该说是黑云压城。尽管20世纪的物理学取得了伟大的成就，并对人类社会的发展做出了巨大的贡献，但对宇宙最新的观测表明，物理学只能解释仅占宇宙成分4%的已知物质。宇宙其余96%的成分由暗物质和暗能量构成——它们的本质，物理学还无法解释。

“两朵乌云”成了推动20世纪物理学发展的契机：迈克尔逊—莫雷实验导致了相对论的诞生，黑体辐射实验则发展出了量子力学，成就了20世纪物理学的两大支柱。同样，我们对暗物质和暗能量的全然不知，是对21世纪物理学的挑战，也是物理学发展的又一个重大历史机遇。如果LHC能够找到暗物质粒子，就将成为钻透黑云的第一缕阳光，彻底改变物理学天空的面貌——这将是我们对微观世界和宏观世界认识的一次重大革命。

《环球科学》：30多个国家参与了LHC的建造和实验，这么大规模的国际合作在粒子物理学领域好像司空见惯。为什么会形成这样的合作机制？

陈和生：粒子物理实验的研究代表了一种科学研究全球化的趋势。之所以形成一套成熟的国际合作机制，首先是有这样一种需求。粒子物理研究的能量范围越来越高，实验所需的大型科学设施也越来越大。这些设施所需的资金、人力、物力和技术，已经超过了任何一个国家的承受能力，即使经济实力最雄厚的美国也无法独力承担。因此国际合作是粒子物理研究的唯一选择。另一方面，粒子物理是物质结构科学最前沿的基础研究，在可以预见的将来，不会产生任何商业利益，因此大家比较容易合作。如果存在重大商业利益或潜在的巨大应用前景，情况就会复杂得多。

LHC的合作能够成功，还离不开欧洲原子能研究中心（CERN）。它是欧洲20多个国家合作建立的一个大型粒子物理研究机构，具有成熟的合作机制。在这个基础上，再吸收中国、美国、日本、加拿大、印度等其他国家的科研力量，就比较容易进行。如果没有这一基础，国际合作就会非常困难。十多年前，美国超级超导对撞机也想寻求国际合作，最后却夭折了。其中一条重要因素就是，他们不像CERN，没有一个良好的国际合作机制和一个历史悠久的国际机构。

《环球科学》：我国参与粒子物理国际合作的整体情况如何？粒子物理研究在世界上处于什么位置？

陈和生：我国现有中国科学院高能物理研究所、清华大学、北京大学、中国科学技术大学、山东大学、南京大学、华中师范大学、原子能科学研究院等多家单位，参加了LHC 4个实验的国际合作。这是迄今为止，中国物理学家在基础科学领域，参与的规模最大的国际合作项目。高能物理研究所参与了CMS和ATLAS两个探测器的建造和安装，还将参与探测器的运行，同时将积极准备物理研究数据分析。

CMS探测器端盖上的μ子探测器，有1/3由我们高能物理研究所建造，还有1/3由美国的几家大学和研究所合作完成，另外1/3则是俄罗斯完成的。这台探测器由三国科学家共同设计，共同研制，然后分在3个地方大批生产，最后再集中起来组装和调试。三个国家组成了一个统一有机体，共同完成端盖上μ子探测器的建造工作。从这个例子就可以想象，整台对撞机的国际合作规模有多大。

除了参与CERN的LHC以外，我们还和其他粒子物理研究机构有着密切合作，包括德国汉堡电子同步加速器研究中心、美国费米国家加速器实验室、斯坦福直线加速器中心、日本高能物理研究机构等。在走出国门参与国外合作的同时，我们还在国内开展高能物理实验，吸引外国科学家参与进来，包括北京正负电子对撞机上的北京谱仪、西藏羊八井国际宇宙线观测站和大亚湾反应堆中微子实验等。

历史上，我国粒子物理研究曾经取得过不小的成就。王淦昌先生在1942年就提出了一种利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案。改革开放以后，从北京正负电子对撞机开始，我国的高能物理研究迅速回到了国际前沿，许多成果成了国际粒子物理研究的热点。比如，我们对粲夸克的研究成果，就让一度沉寂的粲物理重新活跃起来。应该说，我国科学家在世界高能物理研究领域，已经占有了一席之地。