郭晓明

大型对撞机与基础科学和技术进步

郭晓明

最近，多位知名科学家公开讨论中国是否应该建造大型对撞机的问题，引发了大众对高能物理的热情。高能物理也曾称粒子物理，是最接近哲学的前沿科学，它是逼近终极理论的理论，它研究什么是物质，什么是能量，什么是质量，什么是电荷。它的研究范围，有比质子、中子更小的粒子，也有大到宇宙的诞生，宇宙的构成等问题。这个学科推进的重要方法之一，就是以建造越来越高能量的对撞机为路径。

高能物理源于人类对原子核的认识的需要，起始于人类对原子核的认知的一个理论。原子核由质子和中子组成，一些放射性衰变原子核会放射出电子，因此，要了解原子核的结构，必须弄清楚质子、中子和电子的相互作用。本来质子和中子被称为基本粒子，1955年毛泽东认为不是基本粒子，认为还有内部结构。同年物理学家就用高能电子束测出质子和中子有电荷和磁距分布，证明有内部结构，不是基本粒子。经过物理学家长期努力，经过粒子对撞试验和理论发展，主流物理学家已经达成共识，就是质子和中子由夸克组成。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而这些夸克的特性又有不同颜色。用两个夸克解释两个核子，而且符合碰撞实验验证，可以说是粒子物理的一大进步。然而，构建夸克理论用到的对称性，假设了有六个夸克，其他夸克组合成许多其它粒子，这些数量众多的粒子陆陆续续不是被宇宙射线观测证实，就是被人工粒子碰撞机发现证实。……