物理学终究是一门实证科学,而基础物理学实验在过去的一百多年里变得越来越昂贵。
我们回顾下加速器发展史
在建造粒子加速器时,信条一直是“更大、更快、更好”。
回顾一下“原子粉碎机”的历史以及它们带来的科学进步。
分裂原子的机器
建造加速器的主要动机出现在 20 世纪初,当时欧内斯特·卢瑟福 (Ernest Rutherford) 于 1919 年发现他可以通过用来自天然放射源的 α 粒子轰击氮原子来分裂它们。为了继续他的研究,他需要一种比天然放射源提供的能量更高、强度更高的“子弹”。在卢瑟福的鼓励下,1932 年考克罗夫特和沃尔顿使用 400 kV 发电机加速质子并将它们射到锂靶上,这导致了第一次完全由人控制的原子分裂。
使用直流电压的粒子加速,如 Cockroft-Walton 发电机和后来的 Van de Graaff 发电机,受到机器可以提供的最大电压的限制。为了克服这个限制,瑞典物理学家 Ising 提出了共振加速原理,其中通过一系列连接到射频发生器的漂移管重复施加相同的电压。这被认为是粒子加速器的真正诞生,事实上,当前这一代线性对撞机仍然依赖于相同的原理。Rolf Winderöe 于 1928 年在德国率先建造了这种加速器,以产生50 keV的钾离子。
从直线加速器到环形加速器
直线加速器 (linac) 的一个缺点是漂移管的长度必须随着速度的增加而增加,这使得机器相当大并且难以为高能量建造。
1929 年,欧内斯特劳伦斯提出了更紧凑的回旋加速器,它可以沿着磁场引导的螺旋路径加速粒子。劳伦斯与他的学生 M. Stanley Livingston 一起建造了第一个回旋加速器,它的直径只有 4 英寸,但可以将质子加速到1.25 MeV。回旋加速器最终使产生能量比放射源高得多的粒子成为可能,并且在 1950 年代另一种技术出现之前,它一直是最强大的加速器类型。
同步加速器
随着粒子开始接近光速,由于相对论效应,它们变慢了,一些能量变为相对论质量,因此它们与回旋加速器的射频电场失去同步。这通过改变射频频率和机器来补偿,并被称为同步回旋加速器。后来,随着粒子速度的增加,引导磁场也逐渐增加,以便粒子在恒定轨道上移动。这就是同步加速器的诞生。
最后的进步是通过从固定目标加速器转移到存储环对撞机。由于可用于产生新粒子的能量是在碰撞的质心坐标系中给出的,因此正面碰撞粒子比向固定目标发射光束要高效得多。
大量新粒子产生
虽然在 1950 年代之前,新粒子主要是通过宇宙射线发现的,但同步加速器等强大的加速器预示着粒子物理学的“黄金时代”。这些新机器导致发现了许多亚原子粒子,如下表所列。
在更小尺度上研究原子的结构并能够产生更高质量的粒子,这推动了具有更高能量的加速器的发展。在同步加速器中,要达到更高的能量需要更大的半径或更强的磁场。因此,超导磁铁的使用以及在地下建造对撞机的可能性,在运行机器的实验室不拥有的财产之下,这使得大型对撞机如 LHC 的建造成为可能。
年份 | 粒子 | 加速器名称 | 加速器类型 | 地点 |
---|---|---|---|---|
1955 年 | 反质子 | Bevatron | 质子同步加速器 | LBNL,美国 |
1962 年 | 介子中微子 | AGS | 质子同步加速器 | BNL, 美国 |
1974 年 | J/ψ 介子 | SLAC | 电子直线加速器 | 费米实验室 美国门洛帕克 |
1975 年 | tau 轻子 | SLAC | 电子直线加速器 | 费米实验室 美国门洛帕克 |
1978/1979 | 胶子 | DORIS/PETRA | 电子同步加速器 | 德国德西 |
1983 年 | W, Z 玻色子 | SPS | 质子同步加速器 | 欧洲核子研究中心,瑞士 |
1995 年 | 顶夸克 | Tevatron | 质子同步加速器 | 美国费米实验室 |
2000 年 | 中微子 | Tevatron | 质子同步加速器 | 美国费米实验室 |
2012 年 | 希格斯玻色子 | 大型强子对撞机 | 质子同步加速器 | 欧洲核子研究中心,瑞士 |
从卢瑟福的装置到今天的 LHC,加速器变得越来越大、越来越贵、建造周期越来越长,需要越来越多的工作人员去操作。
今天,拥有 27 公里周长和 75 亿欧元预算的大型强子对撞机 (LHC) 仍然是有史以来最大和最昂贵的科学仪器,但它的物理计划正在慢慢结束。2027 年,它将进行最后一次重大升级,称为高亮度 LHC,预计将在 2038 年完成运营。但那些雄心壮志的家伙们仍然不满足于此,他们还将计划建造 100 公里的新一代对撞机,而新一代对撞机造价高达几百亿欧元。
在基础物理学领域,自上世纪 70 年代年代中期粒子物理学标准模型完成以来,我们没有看到任何突破性的进展。从那时起,我们用于描述观察的理论一直没有大的改变。当然,这些理论的某些方面后来才被实验证实。最后一个有待证实的粒子是 1960 年代预测的希格斯玻色子,在 2012 年被探测证实。但引力量子化、暗物质、量子测量等问题,在今天看来和几十年前是一样的。
这种停滞的主要原因是物理学发生了变化,但物理学家并没有改变他们的方法。随着物理学的进步,通过实验探索基础变得越来越困难。技术进步并没有使规模和费用保持可控。这就是为什么在今天的物理学中,我们需要成千上万人合作来操作机器,耗资数十亿美元。
随着实验的减少,偶然的发现变得越来越不可能。如果没有这些发现,保持实验在经济上可行所需的技术进步永远不会实现。这是一个恶性循环:昂贵的实验导致缺乏进展。缺乏进展会进一步增加实验成本。当实验变得过于昂贵而无法负担时,这个循环最终必须进入死胡同。
物理学家仍然像 19 世纪那样按照“只是看”的想法进行操作。他们不会考虑哪些假设是有希望的。
上世纪 70 年代以后的物理学基础实验只证实了已经存在的理论。没有人发现任何超出我们已知范围的证据。
我们需要新的方法,更好的方法。
另外,我们似乎是被关在一个信息屏蔽的‘房间’里,我们只能够对房子里面的事物有较清楚的认识,而对房子外面的事物的认识是模糊的。而且就算技术获得突破,我们依然受限。一方面,信息在空间和时间上的传播,会随着时空距离衰减。我们对越古老的东西的认识越模糊,对越远的事物了解的越少。比如,我们去看四光年外的比邻星,我们只能看到它微弱的光点,而 1.5 亿公里外的太阳的光热要比比邻星强无数倍,而宇宙的尺度远远大于比邻星到我们的距离。对于 138 亿年前的释放超级能量的宇宙大爆炸,在今天只有 2.7 开的微波,需要用先进的太空望远镜才能看到细微的差异。另一方面,受制于光速,我们得到的信息永远都是延时的。比如,我们现在去看比邻星,也只能看到那里四年前发生的故事,至于‘三体人’之间正在爆发的太空大战,我们是一无所知的。所以,我们对外面的世界显得非常的无知,而技术并不能帮助我们跨过时空尺度。
还有一点,我们作为碳基生物,我们的生命依赖于脆弱的有机物,我们在存活的时候需要进行大量的生化反应、需要大量的物质交换,这个过程是在无休止的消耗着机体,而这些持续的消耗往往是不可逆的。所以我们的生命是非常有限的,我们生命的活力峰值也是短暂的,就是二十七八的前后五六年。而我们的数学物理学等基础知识在过去几百年快速丰富,但我们每天的学习时间相比于几百年前的人并没有增加多少,我们的学习速度也不会比牛顿那个时代的人快多少。对于基础物理的很多方向,我们在进入本科后可能需要长达十年的时间才能学够足够的知识。我们学了足够的知识后,可能已经过了创造力的峰值。这也是很无奈的。当然在这一点上,未来高智能化的计算机或许能带来改变。(yang元祐)