美国为何不建对撞机

美国为何不建对撞机

本文来自公众号:醋话集(ID:cuhuaji),作者:醋醋,题图来自:图虫创意 前情提要: 擅使数学葵花剑的国际超弦教,为解难言之隐,联手高能物理界,前来中国寻枪,被杨振宁等科学家极力阻止:这柄枪极其昂贵,就算造出来了,基本上也没啥(luan)用。 然而一位网管小哥,

十年鸽了六次,欧盟上个火星怎么这么难?
抄韩国的作业吧
电影院何时才能再开门?

本文来自公众号:醋话集(ID:cuhuaji),作者:醋醋,题图来自:图虫创意

前情提要:

擅使数学葵花剑的国际超弦教,为解难言之隐,联手高能物理界,前来中国寻枪,被杨振宁等科学家极力阻止:这柄枪极其昂贵,就算造出来了,基本上也没啥(luan)用。

然而一位网管小哥,差点让超弦11维时空梦想成真。

“实验没有问题,我们观测到了超光速。”作为深受业界尊敬的严谨科学家,他平静地宣布了第二次实验结果。

两年前,当他第一次观测到中微子速度超过了光速,震惊程度与全世界一样——这不可能是真的,爱因斯坦相对论光速上限摆在那儿呢。

他是意大利大型中微子振荡实验(OPERA)小组领导人安东尼奥·伊拉蒂塔托(Antonio Ereditato)。过去两年中,他托率领180名研究人员,观测到了16000次“超光速”现象。

醋醋的朋友房师说,哪怕是“你懂的”快乐,当你经历16000次之后,也都麻木了。

这个小组又反复检查了六个月,排除了所有可能的实验误差,包括月球潮汐影响,地球自转影响,地震影响,温度和云层对GPS信号传递的影响等等。考虑到所有这些后,实验小组相信这一结果的置信度达到99.9997%。

伊拉蒂塔托决定公开这个石破天惊的消息。

180名研究人员郑重其事签名,在世界上最权威的科学杂志之一《自然》发表他们的论文:

人类步入超光速时代。

果然全世界一片哗然,物理学家们脸上写着大大的两个字“不信”。

伊拉蒂塔托换了一班人马,重复了实验,在精确性、统计分析等多方面得到改进,他拍着胸脯信誓旦旦保证:

“我们对实验结果非常有信心。我们一遍又一遍检查测量中所有可能出错的环节,却什么也没有发现。我们想请同行们独立核查”。

这不是科幻小说。

事情发生在2011年,OPERA小组于当年9月22日公开超光速消息,在11月17日再次确认实验没错,实验过程是这样的:

位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心(CERN),利用超级质子同步加速器(SPS),生成定向的μ子中微子束,飞向730公里之外的意大利大萨索山。

山的那边有意大利格兰萨索(GSNL)国家实验室。就在地下1400米深处,一套重达1800吨的的电子照相装置严阵以待,OPERA小组用其观测来自CERN的中微子束。

中微子,宇宙中最多的物质粒子,每秒万亿计中微子穿过我们的身体,我们对此毫无察觉,有“幽灵粒子”之称。

OPERA小组只能捕获到极少的幽灵粒子,由于超强的穿透性,绝大多数中微子穿透了地球,奔向茫茫太空。

让他们懵逼的是,这些中微子以光速的1.0000248倍运行,每秒比光子快了7.4公里。

超光速消息宣布3周后,全世界最大的科学论文网站arxiv给出了80多种解释,其中最激动人心的是超弦多维空间。

CERN发出的中微子有可能振荡成了一种惰性中微子,它可以在多维空间中“抄近路”,然后再振荡回普通中微子,这样看起来中微子就跑得比光快了,同时还不违背相对论。

超弦教一片欢呼,多年的猜想有望获得证实,还顺带拯救了相对论。

美国费米实验室威胁要重复实验,不过他们从头开始需要两年时间。

世界没有等到那一刻。2012年2月22日,CERN在另一本权威科学杂志《科学》上公布了调查结果,OPERA小组错了,原因如下:

他们的GPS光缆与一台电脑的集成电路卡连接不良。

千算万算,谁都没算到网管的机房布线帮了中微子的忙。

网管小哥以一己之力,推动人类进入超光速时代整整5个月。

01美国关停本土最大对撞机

中微子超光速事件是科学史上罕见的乌龙,让负有领导责任的欧洲核子研究中心(CERN)脸上无光。

4个多月后,欧洲大型强子对撞机(LHC)发现了有“上帝粒子”之称的希格斯粒子,为CERN扳回一城。

希格斯粒子与中微子,标准模型61个基本粒子中最特殊的两个。一个“上帝粒子”,一个“幽灵粒子”,代表了当前基础物理学两大研究方向。

有了前车之鉴,CERN在2012年7月4日发布新闻字斟句酌,不敢把话说满了,强调这是疑似上帝粒子的新亚原子粒子。

CERN有说不得的苦衷。就在两天前,又是费米实验室挑事,在2012年7月2日宣布其数据接近证明上帝粒子,CERN不得不冒险跟发新闻。

如果费米实验室的粒子对撞机Tevatron真的发现了上帝粒子,前前后后投入100亿美元的LHC将是有史以来最昂贵的陪练。

CERN提心吊胆,反复测算了8个多月,终于在2013年3月14日确认,新粒子就是上帝粒子。

所幸这段时间,费米实验室没有出什么幺蛾子。

CERN与费米实验室的竞争由来已久,早在2009年2月,费米实验室就放风Tevatron发现上帝粒子的概率,最坏的情况下为50%,最理想的情况下是96%。

英美一家亲,英国媒体趁机煽风点火:CERN在竞争中已经处于劣势,美国Tevatron有可能后来居上。

面对美国的诈胡,欧洲人只能干着急,因为他们的LHC在2008年9月开机运行没多久,就经历了一连串事故,让计划一拖再拖。

2008年9月10日,LHC启动当天,就遭遇黑客入侵,距离探测器的计算机控制系统仅“一步之遥”。 

2008年9月17日,一台30吨重的变压器发生故障,工程人员18日更换了变压器,才令对撞机重新启动。

2008年9月19日,由于焊工手艺不精,两块磁铁之间的电连接部件出现故障,导致1公吨液态氮渗入隧道,LHC紧急关闭长达一年之久,吊足了全世界的胃口。

美国为何不建对撞机插图

LHC焊接事故泄露液氮

据说CERN存在一条鄙视链:搞理论的瞧不起搞实验的,搞实验的瞧不起搞工程的,搞工程的瞧不起搞维护的,搞维护的瞧不起焊工网管,焊工大叔与网管小哥瞧不起全世界。

美国费米实验室瞧不起CERN。

趁你病,要你命。抓住CERN抢修LHC的空档,费米实验室加快了Tevatron的研究,它已经运行了25年以上,逼近退休。

“这是一项激烈的竞争,是谁取得胜利就是谁取得胜利,来不得半点虚假。”2009年2月,费米实验室的德米特里·德尼索夫(Dmitri Denisov)透露,欧洲那边,CERN在争分夺秒解决故障,甚至放弃了圣诞节休假两月的一贯做法。

这种加班精神,让国内996们佩服不已。

德尼索夫是Tevatron巨型探测器D-Zero的负责人,另一个巨型探测器CDF负责人罗布·罗塞(Rob Roser)是他的竞争对手,LHC的出现让两人“化敌为友”。

罗塞说,“我绝不想看到LHC击败我俩中的任何一个——这就像兄弟俩,谁都不能碰我弟弟一根指头,只有我可以。”

然而团结一致的Tevatron终于未能回光返照,它于2011年10月1日停止运行,终年28岁,关闭前没有发现上帝粒子。

当美国能源部决定关闭Tevatron时,一些物理学家依依不舍,恳求再宽限它3年寿命,以对希格斯粒子做最后一搏。

谁说科学家都是冷冰冰的,他们对常年相伴的机器感情笃厚。

CERN科学家理查德·雅各布松(Richard Jacobsson)照管一台粒子探测器长达十年,对它的每一寸构造都了如指掌,甚至了解它的心情和癖性。

当工程人员来拆卸它更换成LHC的时候,雅各布松情难自禁。“泪水在我眼睛里打转,”他说,“当他们切断电缆的时候,我总以为会有血喷出来。”

Tevatron虽死犹生,它留下了大量数据遗产,让费米实验室还能再忙活至少两年。

导致Tevatron寿终正寝的最大原因,并非它老旧无法运行,也不是LHC的竞争压力,而是……省钱,费米实验室一个实验启动需要经费。

这就是上面说的重复意大利OPERA小组的中微子实验,名叫MINOS,看看到底有没有超光速。

虽然CERN主动认错,美国也未止步中微子实验,反而越做越大。MINOS之后是Nova中微子实验,接下来的“深地下中微子实验(DUNE)”,成为美国物理未来几十年的旗舰项目。

2019年12月18日最新消息,日本拟建全球最大中微子探测器,于近日批准了“顶级神冈”中微子探测器建造计划。

中微子,到底是何方神圣?

02天不变道亦不变

1940年,中国大地烽火连天,日寇铁蹄踏遍华北华东。

中国最优秀的一批知识精英,被转移到西南腹地,延续文明的火种。

除了著名的西南联大,浙江大学师生也在西迁之列,他们跋山涉水,奔赴一方净土。

美国为何不建对撞机插图(1)

浙江大学遵义校址

浙江大学物理系教授王淦昌走建德、过吉安、赴宜山、抵遵义,一路颠簸流离,劳累过度,加上营养不良,生活困难,抵达遵义时,他患上了肺结核。但他躺在病榻上,仍以惊人的毅力对中微子问题苦苦思索。

中微子关系能量守恒定律的生死存亡。学过中学物理都知道,这是自然界的基本定律,能量既不能自生也不能自灭。

董仲舒向汉武帝上《举贤良对策》说:

道之大原出于天,天不变,道亦不变。

道就是定律。海可枯,石可烂,定律不可移。

一切实体都在变化,不变的是背后的定律。道之恒常,搅动的是人生无常。


读罢《红楼梦》,你会感叹人生如梦亦如幻。人如是,原子核也如是。

不稳定的原子核,会放射出粒子或能量变成另一种元素,这个过程叫衰变。共有α、β与γ三种衰变,其中β衰变最不老实,总是搞事,第一次就差点把能量守恒挑落马下。

当原子核放出β粒子即高能电子,发生β衰变后,科学家大吃一惊,β射线是连续的,这意味总能量比衰变前要低。

一部分能量凭空消失了,这是不亚于超光速的震撼事件。

天变了?这一次,实验没有错,科学家们争吵了10年,终于在1924年,量子力学之父玻尔打算放弃能量守恒,他提出了一个假说。

能量在单个微观相互作用可以不守恒,而只需在统计意义上守恒。

玻尔这种和稀泥的解释无法服众,又是坏脾气的泡利首先开火,他直言玻尔在玩危险的游戏。

泡利号称“拳打爱因斯坦,脚踢玻尔”,是物理学江湖知名的自负天才,曾提出“泡利不相容”定理扬名立万,而为人也如此,以批评尖刻、不留情面著称。

1931年,泡利“孤注一掷”,提出一个补救办法,β衰变中,还释放出了没有电荷质量很轻的未知粒子,它神不知鬼不觉逃离现场,并盗走了那部分消失的能量。

原子能之父费米对假说给出了数学描述,并将这个未知粒子命名为中微子。

中微子太神秘了,当时任何仪器都检测不出来蛛丝马迹,连泡利自己都信心不足,他甚至以一箱香槟打赌,人类永远都不能发现中微子。

但泡利提出了一个实验上可以检验的预言:如果能量守恒,β射线谱应该有明晰的上限,而不是一个强度逐渐减弱的长尾巴。

当时王淦昌在柏林大学就读,师从犹太裔女物理学家迈特纳(l.meitner),在其指导下,他选取镭E的β谱进行研究,用自制的计数管测量,精准得出其β谱上限。

1932年1月,王淦昌在德国《物理学期刊》第74卷上发表题为《关于镭E的连续β射线谱的上限》的论文,历史上第一个证实了泡利关于β谱有明晰上限的预言,有力地支持了中微子假说。

此后埃利斯(c.d.ellis)、莫特(n.f.mott)与亨德森(w.j.henderson),都做了类似的实验,得出了一致的结果,玻尔假说不攻自玻。

爱因斯坦痴迷大统一,玻尔挑战能量守恒律,这两位物理学的泰山北斗,到达巅峰后的封神一战,都败得灰头土脸,与凡夫俗子无异。

03 1942年发自中国西南的论文

然而,这些实验只是捍卫了能量守恒定律的神圣不可侵犯,中微子在哪还找不着北。

中微子是如此难找,在微观层面上引力可以忽略不计,剩下的三大基本力电磁力、强力与弱力,只有弱力才能掀开中微子一点衣角。

β衰变就是由弱相互作用引起的,俗称弱力。

电磁力,让我们看见光。当恋人拥吻,实际是电磁力在传达绵绵情意,让彼此感觉到触碰与心跳。

中微子拒绝电磁力鸿雁传情,她就是永远触不到的梦中情人。

在当时条件十分艰苦的遵义,王淦昌冥思苦想的就是如何捕捉这个神秘的中微子。在思考了一年之后,他有了一个极富创举的想法。

核范围内不光能量守恒,动量也要守恒。能量守恒的本质是时间对称,自然规律在几亿年前与今天一样;动量守恒的本质是空间对称,自然规律在几亿光年外与地球上的一样。

普通β衰变让一个原子核母体产生了三个子体,即电子、反冲原子核与中微子,人们观测前两者的动量和能量,来测算中微子的存在数据。

麻烦的是,这就如星球的三体运动一样难解,王淦昌注意到一种特殊的β衰变,就是原子核俘获核外轨道电子,只产生中微子和反冲核两个子体,三体运动变成了二体运动。

美国为何不建对撞机插图(2)

三体人:又躺枪,关我毛事

这种运动,往往是原子核俘获最靠近它的K层轨道电子触发,因此也叫做K俘获β衰变。

如此一来,反冲核的能量和动量仅仅依赖于所放射的中微子,测算反冲核的数据,就能倒推出中微子的庐山真面目!

王淦昌不仅给出了中微子的测算思路,还建议用铍-7做实验,它是最轻元素的放射性同位素中的一个,核的质量愈轻,则它所经受的反冲作用也越显著。

而铍-7,正是通过K俘获的方式衰变成了锂-7。

这已经是一个可执行的实验方法,唯一的问题是,当时积贫积弱战火燃烧的中国根本不具备实验条件。

抚平心中的无奈与惆怅,王淦昌写成论文《关于探测中微子的一个建议》,于1941年10月13日寄到美国《物理评论》,并在1942年1月发表,希望美国同行完成他的实验。

美国物理学家阿伦(J.S.Allen)立即按照王淦昌的建议进行实验,并很快取得肯定结果。两个月后,即1942年3月16日,阿伦把他的题为《一个中微子存在的实验证据》的论文寄到《物理评论》,并在该刊1942年6月发表。

阿伦在文中一开始就明确指出,这个实验是王淦昌最近建议的。

“王淦昌-阿伦实验”是世界上第一个比较确切地验证中微子存在的著名实验,可惜实验精度不够,未能测出单能反冲。

后来许多人继续工作,直到1952年,雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)终于做成功。

04 撩开她的面纱

这还不是最理想的结果,王淦昌提出的实验构思,只能间接看到中微子逃逸后的尾迹,人们梦想将中微子拥入怀中,撩开她的面纱,一睹芳容。

难办的是,中微子是典型的冰美人,拒人光年之外,其平均自由程λ≈4.7×10^14公里,这意味着,在穿越一千亿个地球之后,平均一个中微子才可能与一个原子核发生亲密接触。

人们对此几乎绝望,直接窥探中微子的萍踪魅影,简直是不可能完成的任务。

1947年3月,王淦昌在美国《物理评论》上发表论文《建议探测中微子的几种方法》,又提出一个全新的思路:

通过重原子核裂变,产生极快极多的中微子,去打靶探测器产生核反应。

不能让一个中微子穿越一千亿个地球,那就让一千亿个中微子穿越一个地球。

例如一个装满水的探测器的长度为10厘米,当有5×10^18个中微子通过该探测器时,就有一个中微子能够在探测器中产生核反应。

弱水有三千,只取一瓢饮。

王淦昌提出的这个思路,对于中微子实验影响深远,上文提到的美国与意大利的21世纪中微子实验,本质上也是这种探测方式。

但王淦昌还是只能停留在纸上,当时中国正在打内战,哪有条件玩核裂变。

这一次又是美国人捷足先登。1953年,在萨凡纳河核电厂的地下室里,柯温(C.L.Cowan)和莱茵斯(F.Reines)实施了他们的“鬼魅计划”。

他们建造了一个中微子探测器,用水和氯化镉配成溶液,其中置入三个液体闪烁计数器。

萨凡纳河核反应堆每秒能产生一百万亿个反中微子,它们轰击水中的氢原子核即质子靶,产生中子和正电子。中子被镉吸收,正电子与水中的电子湮灭,释放出光子产生γ射线,令闪烁液体发出荧光。

本来不发光的中微子,通过一系列关联反应发光,暴露在人类的肉眼之下显出真身。

实验进行了3年,到了1956年,柯温和莱茵斯每小时可以俘获3个中微子,通过足够多的样本测出中微子的截面值,与理论预期吻合得很好。

又过了将近40年,诺贝尔奖委员会才确认了这次中微子的发现,给莱茵斯颁发了1995年的诺贝尔奖。而此时柯温长眠地下已有21年。

美国为何不建对撞机插图(3)

日本超级神冈中微子实验室,布满了光传感器小球

1956年是一个神奇的年份,柯温和莱茵斯发现中微子,β衰变的宇称不守恒,也在这一年发现。

这一次老天没有亏待中国人,发现者就是杨振宁与李政道,他们凭此获得了第二年的首个华人诺贝尔奖。

宇称不守恒,也就是左右不对称,本质上是只有左手旋中微子,没有右手旋中微子造成的,中微子打破了宇称的对称性即对称破缺。

消息传出后,泡利第一个不相信,他好不容易把中微子引进来捍卫能量守恒,这小子居然不是卫道士,而是披头士。“上帝不可能是一个左撇子!”泡利坚信,只有左手右手一个慢动作,才能带给你快乐。

然而很快另一位华人科学家吴健雄女士出手,她用无可争议的实验证明了宇称不守恒,泡利只好举双手投降。

值得一提的是,在杨振宁李政道1956年发表论文前几个月,另一位前苏联物理学家皮亚捷茨基-沙皮罗(Piatetski-Shapiro)也写好了差不多同样的论文,寄给当时苏联物理学扛把子朗道,后者眼皮一翻,就扔到了一边。

当然后来朗道肠子都悔青了,他只好安慰沙皮罗,宇称守恒(P)这小子是有点皮,但是电荷守恒,即电荷有正负(C)还是有操守的,用C来调教P,这对CP一定守恒,天长地久不分手。

朗道再一次遭受打击,1964年两位美国核物理学家詹姆斯·克罗宁(James Watson Cronin)与瓦尔-菲奇(Val Logsdon Fitch)发现CP也不守恒即CP破坏,是谁棒打鸳鸯拆散了这对CP?目前公认的重点嫌疑对象仍是中微子。

能量动量守恒这样的全域对称性,保证我们世界根基的稳定,是道亦不变,易之不易;宇称在β衰变中不守恒,这样的局域对称性,催生了世界的变化,是人之无常易之易。

静若处子,动如脱兔。世界在对称与对称破缺中平衡发展。

而CP不守恒更加不得了,它是我们世界赖以存在的基石。

05 叫一次王淦昌同志

抚今追昔,如果当年是一个富强的中国,给予王淦昌优良的实验条件,他很可能就拿到了这发现中微子的诺贝尔奖。

或许王淦昌根本就不在乎诺奖的荣耀呢,1959年他发现了世界第一个反西格马负超子,轰动了整个国际物理学界,如果继续研究下去,诺贝尔奖就在前方。

然而短短两年后,正值巅峰时期的王淦昌突然消失,就如中微子一样当了“隐身人”,连家人都找不到他,大漠深处却多了一个叫“王京”的老头。

原来1961年4月,王淦昌受命秘密参加原子弹研制,奔赴大西北核试验基地,负责物理实验方面的工作。时任第二机械工业部部长刘杰问他是否愿意改名,王淦昌的回答只有短短6个字:

我愿以身许国。

在离诺贝尔奖最近的时候,他选择了放弃,用生命中最辉煌的岁月,隐姓埋名搞科研,托举起一个国家的核大国地位。

他没有过怨言,直到一年除夕夜,才终于真情流露,他和他的学生邓稼先在帐篷里喝酒,邓稼先哽咽着说:

叫了王京同志几十年,今天,叫一次王淦昌同志吧。

两人相拥而泣。

由于消失在国际物理界太久,王淦昌早年对发现中微子做出的巨大贡献,也逐渐被人们遗忘,如提到中微子的存在实验时,往往只有戴维斯的工作,却把王淦昌的原始构想忽略了。

有感于此,对王淦昌充满敬意的杨振宁心怀不平,他与中科院高能物理研究所教授李炳安合写了一篇文章《王淦昌先生与中微子》,发表在中国《物理》杂志1986 年15 卷12 期上,澄清了这一历史事实真相,并广泛引起了世人的注意。 

1994年,浙江大学科技哲学硕士刘宏葆,与浙江大学哲学社会学系副教授何亚平合写了文章《王淦昌与中微子的早期研究》,发表在《自然辩证法通讯》第16卷第6期上,进一步全面细致地梳理了王淦昌的中微子研究贡献。

我国还有很多科学家遭遇了类似王淦昌的不公,如物理学家赵忠尧,1930年首次观测到正反物质湮没,发现了反物质正电子,却错失1936年诺贝尔奖。现在闹得沸沸扬扬的环形正负电子对撞机(CEPC),其研制的理论基础就来自于他。

半个多世纪后,当人们重新审视当年的诺贝尔评奖过程,发现了赵忠尧的贡献,这其中就有杨振宁、李炳安合写文章廓清事实。李政道也不遗余力在各种场合,澄清这桩历史公案。

回顾这些科技史,并非是贬低国外科学家的工作,而是要还历史本来面目。

长期来看,历史是公平的,历史也不会忘记,尽管王淦昌两次与诺贝奖擦肩而过,但他获得了比诺贝尔奖更大的荣耀——

两弹元勋。

美国为何不建对撞机插图(4)

王淦昌先生(1907年~1998年)

06 挖出8艘航空母舰

如果你记住了王淦昌的名字,不要回头,前方中微子有更大的惊喜。

美国南达科他州霍姆斯特克(Homestake )矿山,运营着北美埋藏最深、最富有的金矿,拥有126年的开釆史。

2001年霍姆斯特克矿山关闭,五年后,Barrick Gold矿业公司将该矿产捐赠给了南达科他州作为地下实验室。同年,慈善家桑福德(T.Denny Sanford )给该项目捐赠了7000万美元,因此,实验室在建成后以桑福德来命名。

2017年7月21日,一向平静的实验室迎来喧嚣。

一群科学家、工程师和应邀的社会显要人物聚集于此,他们乘坐一个简陋的升降机,下到约1500米深的矿洞中,见证桑福德地下实验室扩建开工。

这里将安放美国有史以来最大的中微子探测器,进行“深地下中微子实验(DUNE)”,承载未来几十年美国物理界的希望。

在这个地下洞穴中,科学家们铲开第一锹土,随后工人们需要挖掘80万吨岩石,相当于8艘尼米兹级航空母舰的重量,再运进7万吨液氩。

美国为何不建对撞机插图(5)

3500辆20吨重型卡车满载液氩,从墨西哥湾沿岸和东海岸出发,将液氩运至霍姆斯特克矿山。为减轻管道压力,工作人员会将液氩转换为气体,通过管道送到地下,并在零下185.8°C的低温下重新冷凝成液体,注入四个接近四层楼高的超纯液氩大罐,其纯度只含万亿分之一的杂质。

据费米实验室工程师,低温基础设施LBNF项目经理戴维·蒙塔纳里(David Montanari)估计,填充满一个液氩大罐需要7个月至一年的时间。研究人员计划2019年开始构建DUNE探测器,并在2024年完成。

DUNE实验只是一个更大型项目LBNF/DUNE的一部分。

LBNF是指长基线中微子设施,位于费米实验室,一旦DUNE实验室建造完毕,费米实验室会在2016年发射世界最强的中微子束,通过地下射向距其1300公里重达7万吨的DUNE探测器。

美国为何不建对撞机插图(6)

届时无穷无尽的氩原子将与中微子发生相互作用,从而被科学家们探测到。

LBNF/DUNE主要由美国能源部资助,预计总投入15亿美元,不算夭折的超导超级对撞机(SSC),这是迄今美国高能物理界最昂贵的一笔投资。

07 桑迪飓风刮不走的会议

2012年10月29日,周一,百年难遇的桑迪飓风袭击了美国东海岸。

长岛断电,一片漆黑,犹如世界末日。长岛—芝加哥的航班也被取消了。

布鲁克海文国家实验室的物理学家米林德·迪万(Milind Diwan)与14位科学家被困长岛,无法前往芝加哥郊外的费米实验室参加项目评审会议。

长基线中微子实验(LBNE)项目是LBNF/DUNE的前身,迪万是LBNE项目联合发言人。

飓风袭击之下,迪万等人只能通过手摇发电机给手机充电,全天远程参与评审会发表专业意见。这很不容易,要全力摇动15分钟才能获得一格电量,科学家们干的就是体力活。

美国为何不建对撞机插图(7)

2012年10月29日,纽约,被吹倒的树和输电线

他们不能放弃,LBNE项目生死一线,成败在此一举。

受SSC中途下马的影响,美国政府对大型基础物理实验犹豫再三,致使LBNE项目审批过程一波三折。

因为12-15亿美元的高昂预算,2010年美国国家科学委员会打回了实验计划,将其转给美国能源部。随后,物理学家和美国能源部官员进行了讨价还价。

2012年初,传出消息能源部官员打算终止为中微子实验提供经费,因为预算已经捉襟见肘。

针对能源部2013年高能物理学研究预算,当年的美国总统奥巴马大笔一挥削减了600万美元,减至7.57亿美元,跟过去10年相比缩水了15%。LBNE项目费用在能源部的预算中占很大比重。

时任费米实验室主任皮埃尔·奥多纳(Pier Oddone)很无奈,鉴于高能物理学研究经费未来10年不可能增加,对于启功这样一项大规模研究计划,能源部可能无钱可用,他指出:

管理层关注的是先进的制造和能源技术,高能物理学和核物理学研究面临压力。

来自大约75个研究所的450多名科学家参加了LBNE合作,能源部的表态让美国物理学界炸开了锅。2012年1月,40多名著名理论物理学家据理力争,致信能源部科学办公室负责人威廉·布林克曼(William Brinkman),呼吁为这项实验提供经费。

这封请愿信共有3名诺贝尔奖得主签名,其中就包括标准模型奠基人之一斯蒂芬·温伯格(Steven Weinberg),他在1987年推动了超导超级对撞机(SSC)上马。

物理学家们做出了让步,提出了多个廉价的分阶段折中方案,甚至委曲求全要在地面上放置便宜的探测器,能源部勉强通过了第一阶段审批。

2012年10月30日星期二,美国能源部对LBNE项目进行至关重要的第二阶段评审会。

桑迪飓风也未能让评审会延期,科学家的坚持换来了回报。2012年12月,能源部通过了二阶段审批,同意科学家们建立近地表中微子探测器。

尽管相比初始计划大打折扣,迪万依然很高兴,称这是十多年来的一个里程碑。

重重压力下,奥多纳于2012年8月宣布将于2013年7月1日退休,结束了对费米实验室长达8年的领导,专心科学写作与打理私家葡萄园。

奥多纳撂挑子不干,费米实验室董事会只好发起全球猎聘,在物色了9个月人选后,终于锁定了物理学家奈杰尔·洛克耶(Nigel Lockyer)

洛克耶有两重身份,他是费米实验室的熟面孔,之前在Tevatron对撞机的CDF探测器上研究了22年。同时他也是加拿大粒子与核物理国家实验室TRIUMF负责人,是一位国际友人。

事后证明,费米实验室董事会的眼光很准,推动LBNE变身LBNF/DUNE项目上马,洛克耶的国际身份功不可没。

2015年1月,经过长达3年的博弈,能源部不仅批准了计划,还同意将实验恢复到初始范围,将地表探测器换成昂贵的深地下探测器,经费达到上限15亿美元,于是才有了上文的一幕。

至此,美国资助高能物理的战略路线清晰可见:

1993年美国国会下马耗资20多亿美元的SSC,还专门拨款6.4亿美元把挖好的隧道填掉,够狠。

2011年美欧竞争发现希格斯粒子,战斗正酣之际,美国悍然封存Tevatron,给中微子实验让路。

2015年美国能源部将不多的预算押宝LBNF/DUNE中微子实验。

美国高能物理的战略路线图呼之欲出:

坚决不走对撞机道路,集中力量瞄准中微子开火。

在2011年~2015这四年时间,是什么原因让美国态度发生180度翻转,决定投入巨资支持中微子实验?

08 决定美国高能物理命运的会议

2013年7月29日,正是一年最热的时候,700多位高能物理学家不惧酷暑,前往明尼苏达大学双子城分校,参加一场决定美国物理命运的盛会——斯诺马斯(Snowmass)会议。

斯诺马斯小镇座落于科罗拉多州落基山脉,是全球顶级滑雪胜地,一年四季风景美不胜收。从1982年开始,每隔几年, 美国粒子物理学会都在此华山论剑,召开夏季研讨会。

美国为何不建对撞机插图(8)

斯诺马斯小镇

上一次斯诺马斯会议召开还是在2001年,之后12年美国粒子物理学会寂寂无声。

2013年会址改在大学校园,原因很简单,随着政府拨款逐年递减,美国粒子物理界囊中羞涩,在学校开会可以节省大笔食宿开支。有些来自费米和阿贡国家实验室的参会人员为了省钱,甚至采用了拼车的出行方式。

之所以还叫斯诺马斯会议,在于研讨会性质、任务以及会议组织者、参会者都与往年无异,这其中恐怕还包括了对美好岁月的怀念。

就算缺钱,也要发扬艰苦奋斗精神,在2013年劳师动众开一场大会,是因为2012年物理学界发生了两件大事,美国粒子物理界面临下一步怎么走,“红旗”还能扛多久的问题。

美国为何不建对撞机插图(9)

2013年斯诺马斯会议讨论美国物理学下一步怎么走

一件大事,就是广为人知的欧洲LHC发现了希格斯粒子,另一件大事知道的人就不多了。

2012年3月8日,中国主导的大亚湾国际中微子实验组宣布,测到了最难测,也是最后一个中微子振荡混合角参数 θ13,且远高于理论预期,这意味三种中微子都会彼此振荡变身。

中国知名物理学家李淼在第二天3月9日发文,敏锐地指出这也许是在中国本土首次测量到的基本物理学参数。“我们一点也不过分地说,这是中国对基础物理学最大的贡献。”

主持这个实验的,正是我们的老朋友,中科院高能物理研究所所长王贻芳。

据美国能源部资助的科学杂志《对称》在2012年8月10日报道,大亚湾中微子实验推动了LBNE至关重要的二阶段审批。如果测得θ13值很小,那么LBNE将无法完成它的主要实验目的——全面观测三种中微子的振荡模式。

LBNE还要感谢另一位华人,时任美国能源部部长朱棣文,他不仅是首个诺奖部长,也是首位亚裔人士部长。朱棣文研究方向在凝聚态领域,他用激光冷却俘获原子获得1996年诺贝尔物理学奖。

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这里醋醋忍不住要插一句,2012年3月《三联生活周刊》针对此事发布重磅报道《“捕获”中微子》,梳理了发现中微子的前世今生,却只字不提王淦昌,这是很可悲的。

2012年的两件物理学大事,促成美国物理学家在2013年召开斯诺马斯会议,划清分歧,统一思想,确定美国粒子物理学的未来方向。

欧洲人出大王压死,中国人甩出三张同花顺,美国人怎么跟?

09 “上帝粒子“与”幽灵粒子“的对决

这是一场“上帝粒子”与“幽灵粒子”的对决。

经过9天的激烈讨论,与会人士一致认为,对希格斯粒子、中微子以及暗物质都需做更精确的测量。它们是漂浮在新物理大海的一个个岛屿,看似遥不可及,但可能彼此存在很深的联系,甚至是一个大陆露出水面的不同山峰。

但会议同时也指出,在有限的经费前提下,美国人不可能三个方向同时发力。

到底是秉承SSC(超导超级对撞机)的遗志,优先发展环形周长100公里的VLHC(超大强子对撞机),还是长基线中微子实验LBNE,成为争论的焦点。

普林斯顿理论物理学家尼玛·阿卡尼-罕默德(Nima Arkani-Hamed)是VLHC计划的支持者之一。加州大学圣塔巴巴拉分校理论物理学家戴维·格罗斯(David Gross)则猛烈抨击LBNE,他认为中微子物理学研究领域过于狭窄,不足以支持美国国家计划。“即使我们测量了所有的参数,该计划终会走向尽头“。

这两位仁兄的名字是不是有些眼熟,没错,他们就是醋醋上篇文章《杨振宁的最后一战》提到的两位超弦教中坚,尼玛是后起新秀,格罗斯是教主导师。

争论的结果是LBNE胜出,VLHC搁置。这不奇怪,自1993年美国国会下马SSC后,对撞机在美国就不待见,2011年美国关闭费米实验室Tevatron对撞机,美国本土再无大型对撞机运行,VLHC想复活SSC,不亚于复活木乃伊的难度。

作为美国物理界的少数派,尼玛与格罗斯碰壁之后转向中国,在2014-2016年联合一帮超弦教难兄难弟鼓吹CEPC-SppC,相当于把VLHC拆成两半凑一块。

2016年,清华大学高能物理研究中心和工程物理系教授何红建、清华大学数学科学中心主任丘成桐两人,采访了一圈世界顶级物理学家,包括霍金、格拉肖、温伯格等人,以获得他们支持在中国建超大对撞机的言论。

这些物理学家都是场外摇旗呐喊,属于啦啦队的性质。而超弦教一行,却是几次专程赶到中国四处游说,尼玛还于2013年底担任中科院高能所前沿研究中心主任,联络各种活动,那是下场打球的姚明。

霍金、格拉肖、温伯格等人的学术成就已有定论,超大对撞机对他们而言是锦上添花,如果撞出新东西,皆大欢喜,撞不出来也没啥损失。需要成百上千亿资金?反正又不是我掏钱,who cares?(谁在乎?)

但是威腾、格罗斯与尼玛等超弦教兄弟,研究半生的理论还悬在空中,对撞机对他们而言是雪中送炭,能不急吗?

10 对撞机与超弦教的裙带关系

醋醋有必要科普一下,好叫大家弄清楚超弦教与对撞机的裙带关系。

在标准模型中,基本粒子的质量由希格斯粒子赋予,后者应是一个大质量粒子,但是LHC测出其质量远远小于理论值。

这就好比你在健身房远远看到有人在举200公斤重的杠铃,你以为是施瓦辛格,走近一看却是林志玲,你会不会傻眼。

有两个解释,一是在标准模型中,非常精细地调节参数,让两个巨大的数字几乎(但又不完全)相互抵消,使得希格斯粒子拥有较小的质量。

但这种参数调节很不自然,就好比林志玲说她练了九阴真经,内力深厚,所以能举杠铃,你信吗?

另一种解释就是大名鼎鼎的超对称理论,每个基本粒子都有个超对称伙伴粒子,林志玲的超对称伙伴是施瓦辛格,他扶着林志玲“嘿哧嘿哧”举杠铃,这就很自然了。

美国为何不建对撞机插图(10)

用物理学行话讲,就是超对称粒子保护了希格斯粒子的质量,避免其质量平方发散,令其回归自然性。

什么,你看不见施瓦辛格?那是当然啦,超对称粒子还没撞出来呢。

超对称不光能保证希格斯粒子的自然性,还是暗物质的有力候选者。更重要的是,它迈向大统一理论,提供了在高能标处统一三种相互作用力(电磁,弱,强相互作用)耦合强度的可能性。证明超对称,那物理学真是中大奖了。

事实上,基于超对称理论,希格斯粒子质量(m)要很小。据爱因斯坦质能方程E=mc^2换算,小于120GeV/c^2,将是对超对称的有力支持。相反,如果大于130GeV/c^2,则可以给超对称判死刑。

老天爷搞了个恶作剧,LHC发现的希格斯粒子,恰恰在125GeV/c^2附近,超对称刚好半死不活。由于LHC是强子对撞,本底干扰太多,加上希格斯粒子质量不确定性,该数值不够精准。

CEPC精细测量希格斯粒子的一大目的,就是检验超对称理论的真伪,而超对称又构成了超弦的“超”。如果检验发现超对称理论还没死透,那么就再花千亿升级成SppC,直接撞出来超对称粒子也就有理由了,所以这个项目从来都是CEPC-SppC的连接体。

至此,对撞机与超弦教的七大姑八大姨关系浮出水面。

CEPC对于超弦教的意义就是:活要活个通透,死要死个明白。

醋醋看到不少所谓的物理学专业人士批判《杨振宁的最后一战》一文,把板子打在“CEPC与超对称超弦无关”上,这不是揣着明白装糊涂,就是把物理学知识还给老师了。

从人性的角度考量其实很简单,超弦教多次组团来中国鼓吹超大对撞机项目,如果与这个项目没有一毛钱关系,难道他们都是像白求恩一样好的国际友人?

然而,杨振宁等科学家给了超弦教当头一击,CEPC-SppC项目在中国陷入人民战争的汪洋大海。

11 P5报告一锤定音

一边是超弦教四处碰壁,另一边美国粒子物理界北上还是南下,总得划出个道道,不能原地踏步走。

斯诺马斯会议大体吵出了方向,要形成历史决议一锤定音,还需制定一份P5报告

P5的英文全称Particle Physics Project Prioritization Panels,即“粒子物理学项目优先级小组”,由美国能源部和美国国家科学基金会在2004年联合组建。

P5小组有25个成员,来自物理界各个领域大牛,他们受命制定未来十年美国粒子物理的详细路线图,向联邦高能物理咨询24人小组汇报。

2008年5月,P5小组发布了第一份报告,给出三个发展方向,暗合2013年斯诺马斯会议的讨论结果。

1、能量前沿:优先发展高能粒子对撞机,撞出希格斯粒子以及其他理论上预言的新粒子,如超对称粒子,实现基本力的大统一理论。

2、强度前沿:优先发展高强度质子束产生足够强度的中微子,揭示中微子性质并观察振荡过程,获得超越标准模型之外的新物理学。

3、宇宙前沿:优先使用基于地下的探测器和太空的望远镜,揭示暗物质和暗能量的本质,并接收宇宙射线高能粒子探测新物理现象。

能量前沿对应希格斯粒子,强度前沿对应中微子,宇宙前沿对应暗物质暗能量兼顾中微子,宇宙射线含有大量的高能中微子。

三个方向,中微子独中两元。

2008年的P5报告给中微子留了一手,让政府拨款保护霍姆斯特克矿坑,将地下水抽出,为后来的LBNF/DUNE中微子实验奠定了基础。

至于能量前沿的对撞机项目,P5报告只是说这个如何如何重要,却没有啥实质性的项目建议。

这是可以理解的,上一届2001年斯诺马斯会议达成共识,优先建造国际直线对撞机(ILC)。就在P5报告发布的前一年2007年,美国人变卦了,把项目推给日本。碍于美国的面子,后者只得笑纳,但日本人也不傻啊,要建可以,谁出另一半钱我就建,由于大家都不傻,ILC也就拖成了贾跃亭下周回国。

可见美国人真是不来电对撞机,不管它是弯的还是直的。

本来按计划,第二份P5报告要在下一个十年2018年发布,因为美国粒子物理界走到了十字路口,就提前至2014年5月发布。

这份P5报告,基于斯诺马斯会议的讨论结果,在2013年11、12月召开三场专题会议,针对三个前沿方向展开讨论,于2014年3月1日发布有关建议实验重点的初步报告,最终报告于2014年5月1日发布,5月22日联邦高能物理咨询24人小组投票通过了该报告。

美国为何不建对撞机插图(11)

报告名为《全球背景下的美国粒子物理战略计划》,就一个中心意思——LBNE中微子实验是美国粒子物理学的头等大事,这是自寻找希格斯粒子以来最重要的物理实验。

有趣的是,国际物理界看到美国来真的了,纷纷表示要加入一起干,英国、印度、意大利都抛出了橄榄枝,前提是要玩就玩大的,近地表中微子探测器不够劲,要建在深层地下,越深越好,可以有效屏蔽宇宙射线干扰,方便检测来自宇宙的中微子与地球本身产生的中微子。

美国人很鸡贼,本来承诺由能源部资助10亿美元,剩下5亿美元众筹,一看大家很热情,反而全出了15亿美元,当然也加强了对实验的掌控权。大亚湾中微子实验有美国深度参与,LBNE中微子实验截至目前,还没看到有中国加入。

2015年1月30日,LBNE组织正式解散,由P5推荐的新合作组织将实验名字改成了LBNF/DUNE,意思就是长基线中微子设施-深地下中微子实验,兼具了强度前沿与宇宙前沿。

看到这里,可能你会疑惑,中微子不都发现半个多世纪了吗,为啥世界各国还在不厌其烦反复折腾它?

12 超级赛亚人变身!

让我们再次回到曾经挖出黄金的霍姆斯特克矿山,这里是中微子“神奇之旅”的起点,也有可能是它的……终点。

太阳是一个天然的核聚变反应堆,释放出大量中微子。1968年,雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis)在1500米深矿井中埋了一个615吨氯乙烯溶液的大容器,以捕获来自太阳的中微子。

这个戴维斯,就是上面提到那一位,他将王淦昌的间接检测中微子实验做到了最好,这哥们几十年如一日,跟中微子卯上了,中微子决定give him color see see(给他点颜色瞧瞧)

让他困惑的是,每次捕到的中微子都只是标准太阳模型理论值的1/3,戴维斯百思不得其解,整日茶饭不思,为中微子消得人憔悴。

这个中微子失踪之谜持续了30年,直到1998年日本超级神冈探测器首次发现了中微子振荡的确切证据,才给出了一个合理的解释:

有2/3的中微子在飞行过程中振荡变身,躲过了戴维斯的探测。

就如超级赛亚人有三阶一样,中微子也有三代:第一代电子中微子、第二代μ子中微子、第三代τ子中微子。

美国为何不建对撞机插图(12)

事实上,标准模型中,电子、夸克等所有物质基本粒子都有三代,如μ子是第二代电子,τ子是第三代电子,一代比一代重。为什么只有三代,这是一个谜。

超级赛亚人可以在三阶中任意切换,中微子也能在三代中振荡变身:基于物质效应,大约2/3的电子中微子在太阳内部飞行的过程中振荡变身,转换成了μ子中微子和τ子中微子,戴维斯的探测器只能观测电子中微子,于是产生了失踪之谜。

1984年,由加州大学华人物理学家陈华森提出实验构想,通过重水可以将三代中微子一网打尽。

由于1987年陈华森不幸因白血病去世,加拿大女王大学教授亚瑟·麦克唐纳(Arthur B. McDonald)践行其遗愿,在2001和2002年率领SNO合作组火速出动,将所有中微子全部捉拿归案,证明捕获到的中微子与理论值保持一致,太阳中微子失踪案终于告破。

科学家如此关注中微子振荡,在于这背后有一个天大的秘密,振荡即意味着中微子有质量,哪怕极小,也与标准模型预言的0质量有天壤之别。

标准模型英文简写SM,顾名思义,这个模型特别虐人,物理学家明知SM有大问题,没有包括引力,不能解释暗物质暗能量,但就是深陷其中不能自拔,不管怎么做实验,SM预言的各种物理现象都与理论吻合得很好。

《杨振宁的最后一战》中,标准模型相当于物理学家玩密室逃脱,预言的61个粒子都找到了,就是没找到钥匙。直到中微子振荡表明中微子有质量,才将密室的大门打开一道裂纹。

据标准模型,基本粒子的质量来源是希格斯粒子,中微子不与希格斯场相互作用,所以是0质量,如今发现中微子有质量,则说明还有一个神秘的质量来源。

中微子振荡,是当前唯一超越标准模型的新物理发现。

但这还不是中微子最大的秘密。

13 寻找6颗无限宝石

神说:要有光。

138亿年前,宇宙大爆炸后是一片光的海洋,正反物质不断相互湮没转换成高能光子。

随着宇宙不断膨胀逐渐冷却,反物质消亡殆尽,留下了一个物质的世界。

宇宙起源的标准理论认为,物质与反物质在大爆炸之初是成对或等量产生的。那么原初反物质究竟是怎样消失的呢?

答案或许藏在中微子振荡中,要全面描述中微子振荡,需要6个参数:

美国为何不建对撞机插图(13)

其中θ是混合角,表示振荡的振幅,θ12就是第一代中微子与第二代中微子振幅,依此类推;

美国为何不建对撞机插图(14)

上图是第二代中微子与第一代中微子质量平方差,表示振荡的频率;

δ C P 是 CP破坏相角,表示正反中微子振荡的概率不同。

是不是被一堆数学符号绕晕了?你可以把中微子振荡看成是灭霸的无限手套,6个参数就是6颗无限宝石,一旦集齐嵌入手套,科学家就能变身灭霸,一拳将标准模型的密室大门打破,打个响指,把宇宙的另一半抹去。

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目前已经测得4个参数,分别是θ12、θ23、θ13以及:

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半个参数:

美国为何不建对撞机插图(17)

不晓得它是正数还是负数,即不知道m3与m2谁大;CP破坏相角, δ C P 还藏在云深不知处。

这个CP,就是我们上面说的电荷宇称守恒。C是电荷守恒,P是宇称守恒,科学家已经证明CP破坏了,δ就是那个破坏相角,如果测出它的值很大,就能指证是中微子破坏的。

δ C P ,就是我们要找的最后一颗心灵宝石,六颗无限宝石中最强大的一颗。

漫威系列电影中,灭霸最早得到心灵宝石,他送给了洛基,然后落到钢铁侠手中创造了幻视。在《复仇者联盟3》片尾,灭霸敲开幻视的额头得到了心灵宝石,6颗宝石集齐,宇宙一半的生命化为乌有。

心灵宝石是唯一一颗本身具有思想并且可以控制人们心神的宝石,灭霸消灭宇宙一半生命的计划,或许就是被心灵宝石控制想法而做出的决定。

现实宇宙比漫威宇宙狠多了,别说生命,甚至连一半的存在都被抹去,那就是反物质世界。按理说正反物质数量一样,它们相互湮没转化为纯能量,宇宙中应该空空如也,没有星系,没有太阳地球,也没有你我。

醋醋还能写这篇文章,很可能拜中微子的CP破坏相角所赐,它的值越大,正反中微子不同也就越大。而这个微观正反粒子的不同,就如跷跷板一样撬动了宏观世界的胜负,物质笑到了最后,最终形成了我们的世界。

测算CP破坏相角,我们就能洞窥宇宙的心灵,弱弱地问祂老人家一句,当初您为何大发慈悲,让我们得以存在。

δCP的值,与所有中微子振荡的参数都有关,这其中θ13又是最重要的,如果θ13等于0,δCP永远测不出来。

θ13就是第一代中微子与第三代中微子振荡的混合角,其值越大,意味着第一代与第三代中微子发生振荡的概率越大,但是之前都不乐观。就好比超级赛亚人变身,都是从一阶到二阶,再变到三阶,没有直接从一阶到三阶的。

健身也是,用力过猛,没有预备动作,谨防闪了腰。

大亚湾中微子实验的结果,θ13为 0.092,之前预估,如能在0.01-0.03之间,就谢天谢地了,没想到中了个大奖,所以这个结果一出来,就轰动了整个物理界,大家欢天喜地来祝贺。

因为以后物理学家有得事干了,下一步可测出:

美国为何不建对撞机插图(17)

的正负,排出三种中微子的质量顺序,再下一步直捣黄龙,测出CP破坏相角δCP。

毫不夸张地说,大亚湾实验拯救了美国的中微子旗舰实验。

θ13意外地给出了最大CP破坏的迹象,有科学家认为δCP有可能为270°。这就能证明是中微子导致了正反物质不对称,物质打败了反物质。

但我们不要高兴早了,物质只占宇宙成分的4.9%,暗物质占26.8%,其余68.3%则是暗能量。物质王国只是个小弟弟。

大亚湾实验还有个神秘现象,就是有6%的中微子丢失了。当年太阳中微子丢失了2/3,后来发现是振荡成了别的中微子,那么这丢失的6%,是不是也有可能振荡变成了第四种中微子呢?

这是有可能的,它就是本文开头提到的惰性中微子,它只与中微子相互作用,不与其他任何物质来电。中微子第四种究极变身,有可能就是我们苦苦寻找的暗物质。

14 王所长想好了吗?

美国LBEF/DUNE实验,集各种中微子实验于大成。LBEF既是一个长基线中微子实验,还带3个短基线探测器;DUNE是深地下中微子实验,不仅能够探测来自LBEF的加速器中微子,还可以测宇宙、太阳、地球中微子。

当2024-2026年LBEF/DUNE实验建造完毕后,中微子可能放弃最后的倔强与羞涩,将其全部秘密展现一览无遗,拱手献出令正反物质不对称的心灵宝石。

发现中微子振荡的日本也不甘人后,经历了超级赛亚人三阶变身:80年代的神冈中微子实验,90年代的超级神冈中微子实验,以及刚刚批准的顶级神冈中微子实验,未来说不定还有究极。

目前我国大亚湾中微子实验取得了突破性发现,后继还有江门中微子实验,距广东台山与阳江两个核电站刚好都是53公里,刚好处在反应堆中微子丢失概率最大的地方,非常有利于中微子质量排序测定,预计2020年建成开始运行。

更值得一提的是,在四川西昌市附近的锦屏山,埋藏着世界最深的锦屏地下实验室,其拥有2500米的岩石覆盖层,超过美国DUNE实验室1000米,在屏蔽宇宙射线方面具有国际上不可比拟的优势,有很多国家哭着闹着想来这里做实验。

欧洲当然也明白中微子的重要性,CERN本想建造一个更大的实验,向距其2300公里的芬兰中部比哈萨尔米矿发射中微子。

但是,为新的基础设施付费很困难,因为CERN已经承诺要对LHC进行昂贵的升级,很难将一个新的重大项目纳入其12亿美元的年度预算。因此,以便宜得多的价格投资LBNF/DUNE项目是一个现实的选择,但这样主导权就不在自己手上了。

所以,重大科学项目投资一定要慎之又慎,大笔资金投入后,隆隆列车滑进轨道的那一刻,再想转身就很难了。

普京说,俄罗斯虽大,没有一寸土地是多余的。

就算中国有钱,也没有一分钱可以乱花。

选对撞机还是中微子实验,王所长想好了吗?

15 美国物理的分水岭

中微子固然神奇,与上帝粒子统帅三军相比未免势单力薄,后者同样导向超越标准模型的发现,还可能实现三大基本力的超对称统一,通往最终的万有理论。

1992年温伯格出版《终极理论》向美国议员们描绘这样的宏大图景,至今令很多物理学家憧憬不已。

然而,美国国会几轮投票后,在1993年喊停了启动6年的超导超级对撞机(SSC),挖好的隧洞被填满,只留下几栋地面建筑风中萧瑟。

这件事成为美国物理学的分水岭,之后美国与对撞机渐行渐远,并在2015年全力进攻中微子。

当年中微子还没有今天这么多神奇之处,是什么原因让美国人如此决绝于对撞机?

关于SSC下马的分析,主要集中在三点:

1、预算超支太大,44亿美元涨到110亿美元。

2、面临国际空间站竞争不敌。

3、科学界内部反对,如凝聚态物理。

回头来看,这三点还是不能说明全部问题。

1984年国际空间站立项费用80亿美元,1988年预算费用增加到250亿美元,1998年建造到2010年升空,耗资千亿美元,其中80%由美国承担。

美国航空航天局(NASA)开始时超支的数额还不算太大,因为怕国会否决落得SSC的下场,后来发现国会睁一只眼闭一只眼,胆子越来越大,超支也越来越多。

空间站超支远远超过SSC,为什么没有遭遇下马的命运?

美国凝聚态物理大佬菲利普·沃伦·安德森(Philip Warren Anderson)反对SSC,是在1987年的发言,主要是从哲学意义上反对还原论思想,而当年SSC项目通过了。

很多人研究SSC下马,都把注意力集中在美国审计总署(GAO)1992年2月发布的一份审计报告上,该报告集中讨论了项目费用超支,进展滞后的问题。这是美国政府对SSC的第一份不利报告。

然而这只是个开头,更加全面深入的报告在1993年5月14日发布,随后触发了美国众议院6月投票通过终止“终止SSC以减少赤字预算”的提案,经过参众两院多轮投票,于1993年10月26日通过了最后的修正提案,SSC至此寿终正寝。

5月14日发布的报告,才是关键报告醋醋从美国审计总署(GAO)官网上下载了这份报告PDF版,名为《国家安全效益、类似项目和成本》,一共24页。

美国为何不建对撞机插图(19)

报告第一部分讨论国家安全,结论是SSC不能提供直接的国家安全利益,至于能源部一再强调的间接利益。“是无法以任何程度的确定性来预测的。”

所以导致SSC下马,成本过高还不是最主要的原因,否则国际空间站早下马十回了,对国家安全无益,看不到任何应用的可能,才是SSC的阿克琉斯之踵。

这一点甚至连商界都在关心,早在美国审计总署关键报告发布一年前,即1992年5月26日,华盛顿竞争企业研究所就发布了一份结论明确的报告《是时候拔掉超导超级对撞机的插头了》。

这份报告除了诟病SSC预算超支,对其科学价值更是不客气。

《圣经》的通天塔意图直达天堂,SSC旨在直达物质中心。不幸的是,SSC这座现代通天塔,是一座仅使接近神职人员的科学家受益的纪念碑。

16 仰望星空不是仰望虚空

华盛顿竞争企业研究所将SSC比作通天塔,这是一个非常精准的比喻,区别了SSC与其他基础科学研究项目的本质不同。

关于仰望星空与脚踏实地,基础科学与社会民生的矛盾,有个著名的故事。1970年,赞比亚修女玛丽·尤肯达(Mary Jucunda) 给 NASA写了一封信,她质问:目前地球上还有这么多小孩子吃不上饭,NASA怎么能舍得为远在火星的项目花费数十亿美元。

NASA很快给修女回了信,同时还附带了一张题为“升起的地球”的照片,并以《为什么要探索宇宙》为标题发表。

回信没有说探索宇宙是一件多么激动人心,让人类的价值得到升华的美事,大段文字在解释太空项目引发的科学创新如何应用于民生。尤其是针对修女提出的食物问题,回信更是不吝笔墨,详细说明太空项目如何促进食物的生产,以及合理分配给有需求的人。

美国为何不建对撞机插图(20)

从月球上看地球冉冉升起

支持对撞机的科学家没有像NASA一样耐心解释,这个项目到底有什么实用价值。

他们不是不愿,而是不能。

《圣经》中的通天塔,通往的不是天空,而是不存于现世的天堂。对撞机尤其是SSC及之后的超大型对撞机,研究的基本粒子,大多不稳定存于自然界。

以希格斯粒子为例,它一出现就会立即与夸克、轻子等基本粒子发生作用而消失,科学家扒拉遗留的“残骸灰烬”来研究它的属性。要说希格斯粒子存在,那也只是在理论上显示它可能存在于宇宙大爆炸之后的极其短暂的几秒之内。

对撞机正是模仿宇宙大爆炸那一瞬间,通过加速粒子接近光速对撞,制造出一个极高的能量团,让一些必须在高能状态下才能存在的基本粒子昙花一现。

基本粒子有三代,一代比一代重。当加速器产生出这些更重的粒子之时,它们迅速地衰变,最后变成与第一代粒子相同的粒子。只有在能量充沛的早期宇宙环境下,它们才可能大量产生出来,并且对宇宙的演进构成影响。在当今世界,不过是对130多亿年前远古宇宙招魂。

杨振宁《中国今天不宜建造超大对撞机》一文第五条理由,对撞机在短中期30-50年内不会对人类生活有帮助,这是很客气的判断了。在我们生活的低能宇宙中,可能人类永远都用不到这些对撞机粒子发现。

我们仰望星空,不是仰望虚空。

美国当初宁可再花6.45亿美元将SSC挖好的隧道填掉,以防死灰复燃。后来欧洲LHC发现上帝粒子,以美国争强好胜的性格却不是迎头赶上,真正的原因在这里。

美国人是很现实的,1969年费米实验室扩建,第一代主任罗伯特·威尔逊(Robert Wilson)想找国会多要点钱,国会劈头一个问题就是能带来什么国防上的好处。

威尔逊耸耸肩,跟国防没一毛钱关系,但是物理研究很牛逼,能提升人类的尊严,让美国更值得被保护。

这理由还真让国会拨款了,多年来成为科学界的美谈。

但让国会慷慨解囊的,恐怕并非威尔逊的舌绽莲花,而是费米实验室的费米,他解决了可控核裂变,让原子弹变成现实,其本人就是美国国防的象征。

那段高能物理的黄金岁月, 要感谢原子弹的威力,美国尝到了研究物质基本结构的甜头,才有不吝钱包的投入。

而多次资助基础科学研究的美国能源部,听上去好像人畜无害,其实是一个军事部门,其主业是研发核武器。

2016年12月15日,美国公共政策智库Cato研究所发布《能源补贴》报告,显示美国能源部2016年的270亿美元预算,最大的活动是核武器研究、开发和安全,耗资110亿美元。第二大活动是对核武器场址的环境清理,费用为60亿美元。两项费用占全年预算63%。

即便如此,Cato研究所还是梳理了历年能源部乱花钱的项目,其中SSC就是重点口诛笔伐的对象。

17 美国太空部队背后的蹊跷

那么,2015年美国转向中微子研究,是否也是一个纯科学项目,无法产生实际应用呢?

标准模型中61个基本粒子,只有电子、光子与中微子是存在于自然界且能作用于宏观世界的稳定粒子。大名鼎鼎的夸克,被禁闭在质子与中子这样的复合粒子中,终生不得释放。

而只有作用于宏观世界的稳定粒子,才能得到广泛应用。电子就不说了,现在各种产业前面不带个电子二字都不好意思。光子也是随便一抓就是一大把应用,当然绝地武士的光剑不算。

2018年10月30日金庸逝世,震动华人世界。而就在一个多月前的9月23日,香港另一位老人去世则要平静得多,他就是“光纤之父”高锟2009年诺贝尔物理学奖获得者。光纤干嘛的大家都知道。

2018年香港文理两座高峰相继离世后,2019年的香港也就不是曾经的那个香港了。

中微子研究不仅仅是探索大自然的奥秘、超越标准模型理论、寻根正反物质不对称的源头,中微子本身还可能产生不可估量的应用。

中微子能够穿透一千亿个地球,人们自然会想到中微子长距离穿透性无损通信,事实上美国就在搞,一旦成功,相当于通信业的原子弹爆炸。

2012年11月,美国科学家通过粒子加速器将一个相干中微子信息传过了780英尺厚的岩石,首次实现利用中微子进行的通信。

虽然这项技术还不成熟,但纵观人类科技史,一旦模型试验成功,发展起来就会很快。认识中微子的下一步就是驯服中微子。

届时,《手机》中的葛优在约会范冰冰的时候,再也不能将铃声设置成“不在服务区”逃避老婆的呼叫了,渣男瞬间变暖男。

其实现在中微子已经产生了很多科学应用,特别是宇宙学领域,根据其只走直线不会拐弯且畅通无阻的牛脾气,人们逆向找到了宇宙射线的源头——银河系外的耀变体,破解了百年之秘。中微子还能做地球断层扫描,即地层CT。

科学研究产生应用的顺序往往是科用——军用——政用——商用——民用,如果不能应用于其他科学,那基本上就无法产生接下来的应用,对撞机就是一个典型案例

2019年3月,美国导弹防御局(MDA)提供了关于开发一种太空中性粒子束武器计划的新细节,以防御或摧毁来袭的弹道导弹。

美国为何不建对撞机插图(21)

美国粒子束武器想象图

上个世纪80年代美国曾经提出过粒子束武器的构想,后因各种技术困难打入冷宫。不难想象,距离这么多年美国再次提起粒子束武器计划,显然是在某些关键技术上已经取得了突破,相信粒子束武器距离实用化已经为期不远了。

2019年12月20日,特朗普签署了2020财政年度国防授权法案(NDAA)。该法案同意成立太空军作为美国第六大军种。

美国高能物理锁定强度前沿与宇宙前沿两大方向,放弃以对撞机为代表的的能量前沿,与美国太空军事之间是否有某种关联?

醋醋问元芳你怎么看,元芳说此事必有蹊跷!

18 科学的边界

美国佬太俗了,欧洲人更理想。光想着应用很短视,历史上有多少科学发现,当初都是因为纯粹的寻根溯源满足好奇心,或追求简洁和谐的美感而产生的,后来它们也催生了各种了不起的应用。

这种反驳看上去很有力,但不适用于对撞机,因为它忽略了几个事实。

其一,从文艺复兴开始,科学发现都是基于已有的自然现象。如牛顿力学立足于行星观测。高能物理越来越依赖人造的极端环境,美国人资助它就跟抠脚大汉一样抠门,但在探索宇宙方面,烧起钱来眼睛都不眨的。哈勃望远镜后继韦伯望远镜,迄今预算高达100亿美元,早已超过预算上限80亿美元,美国人咬着牙也要投。

丁肇中在国际空间站做阿尔法磁谱仪实验,观测宇宙射线,它是由来源叵测的宇宙粒子加速器产生的高能粒子。

前不久,西藏羊八井ASgamma实验阵列观测到迄今最强的宇宙射线,其来自蟹状星云,能量高达450TeV(万亿电子伏特),是LHC最高设计能量14TeV的30倍以上。

所以丁肇中听了王贻芳的CEPC-SppC项目,私下对何祚庥说“一点意思都没有”,这就很好理解了——

看惯了原子弹爆炸的人,能对一堆炮仗感兴趣吗?

美国为何不建对撞机插图(22)

宇宙粒子加速器:一个油炸圈饼外型的磁场环绕在蟹状星云心脏位置的恒星尸体周围

其二,科学发现离不开技术应用的拓展。技术拓宽了人类的感官,得以发现更加深邃的自然现象,对撞机就是这样的产物,但是对撞机只是利用了其他技术,自身不能产生新的技术反哺,无法构成科技发展的良性循环。科学与技术是一块硬币的两面,不能相互割裂,只有科技之称,没有哲技、宗技、道技、儒技。

其三,推动科技进步的是人类的生产活动。科学技术是第一生产力,生产是科学技术的第一推动力。科技促进生产,科技也只有在生产活动中不断迭代才能进步。

王淦昌所在的旧中国生产活动不足以提供实验设备,他只好将思路告诉美国人做实验,这样的遗憾不能重演。

所以,有关对撞机的争论,既是一个科学问题,也是一个经济问题,这两者就如同光的波粒二象性一样,是对立统一的存在。

人类历史上的重大科学发现,无不推动经济飞跃。牛顿力学哺育了机械工业大革命;麦克斯电磁学将人类送入电气时代;爱因斯坦狭义相对论引爆了原子弹、建起一个个核电站,广义相对论指导GPS;量子力学更是开启电子信息革命,全世界GDP有2/3皆是来自量子力学。

科研与应用要并行,科学价值与经济价值其实是相互促进的,没有真正的纯科学,如果说有,那也是古希腊自然哲学,然后就没有然后了。

从古希腊哲学家开始,不少哲学家都认为,科学活动是人类存粹的思想活动推动的,只有那些纯而又纯,玄而又玄的思辨才是推动科学发展的力量。

然而,这无法解释人类社会科学技术发展的不平衡现象,比如有的民族发展快,有的民族发展慢,有的时代发展快,有的时代发展慢。

自然科学知识蕴含的辩证法的统一性确实能够打动我们每个人的心灵,也打动伟大的科学家,比如爱因斯坦后半生都在思考统一场理论。但是,离开实验,离开生产活动给科学家提供的新现象,思想上对统一性的迷恋只会把自然科学引入死胡同。

科学的客观边界是自然现实,超越自然现实的科学是没有前途的。主观边界是伦理道德,违背伦理道德的科学是没有价值的。

人们把科学家奉为神明,在于科学是真的有用,让普通人过上古代帝王都难以企及的生活,而非玄奥的思想。而有用的科学又会进一步促进科学的思想,造福人类的科学让更多的人才投身其中。

李约瑟难题问及为何中国文明没有产生科学,其实这个问题意义不大,因为它们是两个不同的思维体系,就如母鸡下不了鸭蛋。真正该问的是,为何古希腊没有产生现代科学?

古希腊的自然哲学、数学都很接近现代科学,所以有文艺复兴一说。但是为什么古希腊文明没有直接发展成现代科学呢?

从公元前800年到公元前146年,古希腊文明持续了约650年,再加上其继承者古罗马文明,历时千年以上,远超文艺复兴的时间,就如一个男孩发育到青春期,各项生理特征都出来了,但就是不能继续成熟为男人,这不是很奇怪的事情吗?

19 夕阳下的金字塔

人类历史上,曾经付出大量的生产劳动不是作用于现实,而是梦想超越现实的《圣经》通天塔比比皆是。

其中最典型的当属金字塔,古埃及举国之力建造金字塔,目的是帮助法老灵魂永生,不仅法老相信,普通埃及人也相信。

考古发现,金字塔不是奴隶建造的,而是自由民手工艺者。他们生活优越,有医疗保障,甚至还有啤酒工厂与面包工厂,最重要的是,他们的墓穴建在法老王的旁边,因为奴隶的坟墓不可能建在法老坟墓旁边。

埃及人倾其聪明才智与财富,忘我投入在这项与军事民生无关的工程上,为后世留下了不朽的传奇,但是他们自己呢?

作为四大文明古国之一,埃及国家与文明都荡然无存,身死魂灭。

反观中国,长城与大运河等古代工程奇迹,都是有明确的军事民生目的,都江堰至今还在润泽成都平原。

秦始皇修建巨型陵墓不得人心,刘邦带着一群骊山修墓人赶路,中途跑掉不说,连他自己都开溜,而最后终结秦朝建立汉朝的,就是这群不愿修墓的人。

秦始皇陵空前而绝后。

或是如此,中国文明经历了九九八十一难,身犹在,魂不灭。

直至今天,中国思维插上现代科学的翅膀,我们从产业链低端一级一级往上走,是不可阻挡的历史大势。

但不是往超大对撞机的方向升级,超大对撞机,就是一个现代金字塔工程。

美国为何不建对撞机插图(23)

曾经无比辉煌的埃及文明,只留下几座孤零零的金字塔如泣如诉。

西风残照,法老陵阙。

造金字塔还是造长城,醋醋相信,历史已经在风中给出了答案。

本文来自公众号:醋话集(ID:cuhuaji),作者:醋醋

               

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