1927年，年方25歲的奧斯陸人、電氣工程專業(yè)的羅爾夫?維德羅（Rolf Wider?e，1902~1996）正在德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)苦讀，攻拿他的博士學(xué)位。這個(gè)有著良好工科感覺(jué)的年輕人當(dāng)時(shí)正面臨一個(gè)困境——他沒(méi)有造出自己理論中預(yù)言的電子感應(yīng)加速器，以至于論文得不到導(dǎo)師的通過(guò)準(zhǔn)許，眼看畢業(yè)無(wú)望。這個(gè)時(shí)候，是瑞典科學(xué)家古斯塔夫?伊辛（Gustaf Ising，1883~1960）的理論挽救了他——后者在1924年左右提出了一種利用利用漂移管上加高頻電壓來(lái)加速粒子的方法——在此基礎(chǔ)上維德羅造出了世界上第一個(gè)直線加速器，終于也寫(xiě)出了他的畢業(yè)論文。
這項(xiàng)工作是在核物理研究進(jìn)入關(guān)鍵階段的歷史大背景上完成的，因此意義非凡。1919年，英國(guó)科學(xué)家厄內(nèi)斯特?盧瑟福（Ernest Rutherford，1871~1937）用天然放射源中的高速α粒子束作為“炮彈”轟擊金屬箔，實(shí)現(xiàn)了人類科學(xué)史上第一次人工核反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了質(zhì)子，從此之后人們尋求更高能量粒子來(lái)作為“炮彈”、求搞清原子核內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)的決心一發(fā)不可收拾。但在1928年之前，實(shí)驗(yàn)室中用于加速粒子的主要設(shè)備是變壓器和整流器、沖擊產(chǎn)生器、靜電產(chǎn)生器、特斯拉線圈等，全都是高電壓環(huán)境，對(duì)絕緣的要求特別嚴(yán)苛。受絕緣材料所限，粒子產(chǎn)生的速度也非常有限，直到美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的物理副教授厄內(nèi)斯特?勞倫斯（Ernest Lawrence，1901~1958）讀到維德羅的文章那一刻，這個(gè)問(wèn)題才迎刃而解。勞氏后因發(fā)明能夠大大提升粒子速度的回旋加速器而獲得1939年諾貝爾物理獎(jiǎng)，不過(guò)這個(gè)獎(jiǎng)因?yàn)槎?zhàn)的緣故，一直推遲到1951年才頒發(fā)，在領(lǐng)獎(jiǎng)演說(shuō)中他非常誠(chéng)實(shí)地提到維德羅對(duì)自己的啟發(fā)：
“1929年初的一個(gè)晚上，當(dāng)我正在大學(xué)圖書(shū)館瀏覽期刊時(shí)，無(wú)意中發(fā)現(xiàn)在一本德文電氣工程雜志上有一篇維德羅的論文，討論正離子的多次加速問(wèn)題。我讀德文不太容易，只能看看插圖和儀器照片。從文章中列出的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，我就明確了他處理這個(gè)問(wèn)題的一般方法，即在連成一條線的圓柱形電極上加一適當(dāng)?shù)臒o(wú)線電頻率振蕩電壓，以使正離子得到多次加速。這一新思想立即使我感到找著了真正的答案，解答了我一直在尋找的加速正離子的技術(shù)問(wèn)題。我沒(méi)有更進(jìn)一步閱讀這篇文章，馬上停下來(lái)估算把質(zhì)子加速到一百萬(wàn)電子伏的直線加速器一般特性該是怎樣。簡(jiǎn)單計(jì)算表明，加速器的管路要好幾米長(zhǎng)，這樣的長(zhǎng)度在當(dāng)時(shí)作為實(shí)驗(yàn)室之用已是過(guò)于龐大了。于是我就問(wèn)自己這樣的問(wèn)題：不用直線上那許多圓柱形電極，可不可以靠適當(dāng)?shù)拇艌?chǎng)裝置，只用兩個(gè)電極，讓正離子一次一次地來(lái)往于電極之間？再稍加分析，證明均勻磁場(chǎng)恰好有合適的特性，在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)圈的離子，其角速度與能量無(wú)關(guān)。這樣它們就可以以某一頻率與一振蕩電場(chǎng)共振，在適當(dāng)?shù)目招碾姌O之間來(lái)回轉(zhuǎn)圈。這個(gè)頻率后來(lái)叫做‘回旋頻率’?！?/p>
【厄內(nèi)斯特?勞倫斯】
維德羅在1943年申請(qǐng)了一項(xiàng)“對(duì)撞存儲(chǔ)環(huán)”專利，1945年又提交了一個(gè)完整的“同步加速器原理”專利，這個(gè)生前基本上默默無(wú)聞、本分地教書(shū)做實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家和發(fā)明家在身后被人譽(yù)為“對(duì)撞機(jī)之父”。他也許不會(huì)想到，自己當(dāng)年已經(jīng)伸手拉開(kāi)了一場(chǎng)場(chǎng)轟轟烈烈的粒子對(duì)撞大戲之序幕，只可惜，同時(shí)代的人們沒(méi)有注意到他這個(gè)動(dòng)作。
對(duì)撞，指的是讓高速的帶電粒子迎頭碰上，對(duì)當(dāng)代物理而言，這是一種重要的探索手段。不過(guò)早期的物理學(xué)家包括勞倫斯在內(nèi)都未曾意識(shí)到“對(duì)撞”概念的高妙所在，他們?cè)诤荛L(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)延續(xù)了盧瑟福的做法——用高速粒子去轟擊一塊靜止的“靶”，然后研究所產(chǎn)生次級(jí)粒子的動(dòng)量、方向、電荷、數(shù)量等。自盧瑟福轟開(kāi)氮核以來(lái)，世界誕生了一門新學(xué)科：原子物理。它的出現(xiàn)是為了向人們揭示宇宙間所有物質(zhì)與能量的基本要素，從事這個(gè)行當(dāng)?shù)难芯空叨忌钌畹貓?zhí)著于用某種方式把原子打碎再打碎，以求向微觀再微觀挺進(jìn)。要達(dá)到這個(gè)目的，就非得借助高能量加速器不可，它所提供的能夠有效打碎粒子的能量被稱為質(zhì)心系能量，勞倫斯的機(jī)器雖然能夠提供超過(guò)天然放射源的能量水平（20兆電子伏），但還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。1945年，前蘇聯(lián)科學(xué)家和美國(guó)科學(xué)家各自獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了自動(dòng)穩(wěn)相原理，基于此原理，一系列能夠突破回旋加速器能量限制的新型穩(wěn)相加速器又誕生了，但若想繼續(xù)提高能量，還是受到了所用磁鐵的重量和造價(jià)所限。很快地，7年后，強(qiáng)聚焦原理的發(fā)現(xiàn)使得真空盒尺寸和磁鐵的造價(jià)大大降低，加速器有了向更高能量發(fā)展的可能。美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1954年建成弱聚焦質(zhì)子同步加速器能量達(dá)到了62億電子伏，而1960年布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的強(qiáng)聚焦質(zhì)子同步加速器則提高到了330億電子伏。
這對(duì)于人們揭開(kāi)微觀世界更真實(shí)一面所需的能量來(lái)說(shuō)，還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。比如說(shuō)，著名的意大利物理學(xué)家恩里科?費(fèi)米（Enrico Fermi，1901~1954）在去世那年提出了一個(gè)質(zhì)心系能量為3萬(wàn)億電子伏的加速器的夢(mèng)想，根據(jù)計(jì)算，倘若采用束流與靜止靶中的質(zhì)子相互作用的方式，這臺(tái)同步加速器的偏轉(zhuǎn)半徑約為 8千公里，比地球半徑還要大，當(dāng)時(shí)估出造價(jià)為1700億美元，需40年建成。顯然，造這么個(gè)東西會(huì)被地球人民用唾沫淹死的。
【恩里科?費(fèi)米】
終于，1960年，奧地利人布魯諾?陶歇克（Bruno Touschek，1921~1978）把對(duì)撞原理搬到了臺(tái)面上，實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家們猶如醍醐灌頂，紛紛感嘆覺(jué)悟得太晚——很顯然嘛，用一輛開(kāi)著的車去撞一輛靜止的車，怎么能比得上讓兩輛對(duì)開(kāi)的車迎頭相碰來(lái)得過(guò)癮呢？
1962年，意大利Frascati國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建成了直徑約1米的AdA對(duì)撞機(jī)。
現(xiàn)代高能加速器基本都以對(duì)撞機(jī)的形式出現(xiàn)，對(duì)撞機(jī)把產(chǎn)生高能反應(yīng)的等效能量從萬(wàn)億電子伏能又提高了3個(gè)數(shù)量級(jí)。自世界上建造第一臺(tái)加速器以來(lái)，70多年之中，加速器所能提供的能量大致提高了9個(gè)數(shù)量級(jí)，同時(shí)每單位能量的造價(jià)降低了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，如此發(fā)展速度在所有科學(xué)領(lǐng)域都堪稱罕見(jiàn)。隨著加速器能量不斷提高，人類對(duì)微觀物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)也逐步深入，世界各國(guó)迄今已經(jīng)建造了27個(gè)大型對(duì)撞機(jī)，粒子物理研究在20世紀(jì)50~80年代經(jīng)歷了一個(gè)黃金時(shí)期。幾乎每隔一段日子，就會(huì)有實(shí)驗(yàn)室中會(huì)沖出大呼小叫的幾個(gè)人：我們發(fā)現(xiàn)了XX子啦！
LHC能干啥？以及，LHC想干啥？
毫無(wú)疑問(wèn)，過(guò)去兩年多時(shí)間里，歐洲核子中心（CERN）在法瑞邊境建造的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）成為了整個(gè)世界的矚目焦點(diǎn)，不僅科研界，甚至媒體界和娛樂(lè)界也對(duì)其青眼有加。這個(gè)大家伙到底用來(lái)什么？我們不妨來(lái)看看它的兩個(gè)大型探測(cè)器和兩個(gè)中型探測(cè)器被賦予了什么任務(wù)：緊湊型μ子螺旋磁場(chǎng)探測(cè)器簡(jiǎn)稱CMS，用于尋找希格斯玻色子（這種粒子能夠解釋為什么宇宙中的所有物質(zhì)都有質(zhì)量，是粒子標(biāo)準(zhǔn)模型中迄今唯一沒(méi)有找到的一種）、額外維度以及暗物質(zhì)粒子；環(huán)型LHC實(shí)驗(yàn)探測(cè)器簡(jiǎn)稱ALICE，是一個(gè)有望觀察到類似于大爆炸后宇宙初期形態(tài)的部分；超環(huán)面儀器簡(jiǎn)稱ATLAS，實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐cCMS一樣，但兩者磁鐵系統(tǒng)采用了完全不同的技術(shù)和設(shè)計(jì)；LHC底夸克探測(cè)器簡(jiǎn)稱LHCb，目標(biāo)是探索物質(zhì)和反物質(zhì)之間微小差別，主要研究CP破壞，探測(cè)高能區(qū)的新物理現(xiàn)象，將有助于我們理解為何自己生活在一個(gè)幾乎完全由物質(zhì)而非反物質(zhì)構(gòu)成的宇宙。
從LHC身上，大致可以看出物理學(xué)家眼巴巴求的是什么，他們致力于找到如下問(wèn)題的答案：物質(zhì)是如何獲得質(zhì)量的？宇宙不可見(jiàn)的96%是什么？為什么自然界中幾乎只有正物質(zhì)，反物質(zhì)去了哪里？自宇宙誕生以來(lái)物質(zhì)如何演化？
事實(shí)上，幫助解開(kāi)這些問(wèn)號(hào)的工具絕非區(qū)區(qū)一個(gè)LHC而已，其他對(duì)撞機(jī)能起到的作用也不容忽視。
對(duì)手也是幫手，夢(mèng)想可能是幻想
先從Tevatron談起吧，它是LHC之前的世界最高能量質(zhì)子對(duì)撞機(jī)，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家們?yōu)榱苏业巾斂淇擞?979年建造了這臺(tái)機(jī)器，在一個(gè)6.3公里長(zhǎng)的地下環(huán)中將質(zhì)子與反質(zhì)子加速，并使它們發(fā)生對(duì)撞?？淇耸菢?gòu)成質(zhì)子、中子、介子等亞原子粒子的基本單元，其中頂夸克和底夸克是質(zhì)量最大的，底夸克由費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室利用原有的環(huán)狀加速器在1977年發(fā)現(xiàn)，而要想找到頂夸克，必須把質(zhì)子和反質(zhì)子的能量提高5~15億電子伏，由此促成了這臺(tái)新機(jī)器的誕生。1995年，Tevatron不負(fù)眾望捕獲到了頂夸克的蹤跡，這成為其運(yùn)轉(zhuǎn)歷程中的輝煌一筆，但很快地，它能否進(jìn)一步發(fā)展卻受到了質(zhì)疑。特別是在更高能量的LHC開(kāi)始籌建之后，能不能先于LHC找到希格斯玻色子幾乎成了它唯一的目標(biāo)所系。美國(guó)政府在2001年花了數(shù)億美金對(duì)Tevatron進(jìn)行了升級(jí)，去年又宣布讓它運(yùn)行到2011年，這一切都表明了美國(guó)人不甘被歐洲人甩下的決心，并且他們也不斷爆出“叫板”言行。2007年年初，費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室宣布了一項(xiàng)針對(duì)亞原子粒子——W玻色子的質(zhì)量測(cè)量，新數(shù)據(jù)與之前估計(jì)相符，但是更趨向于該范圍的上限。這項(xiàng)工作同時(shí)降低了人們對(duì)希格斯玻色子質(zhì)量的預(yù)測(cè)值，由此，該粒子的能量上限從1660億電子伏降到1530億電子伏，這一結(jié)果讓Tevatron科學(xué)家們重新相信自己有機(jī)會(huì)找到希格斯玻色子。2008年10月，他們又放出消息稱，Tevatron運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了一群不知從何而來(lái)的神秘粒子，即一些多余的μ子（電子的“親屬”，比電子重），可能性之一是它們來(lái)自一個(gè)更重的、仍未被發(fā)現(xiàn)的粒子的衰變，這種粒子或與占宇宙85%的暗物質(zhì)有關(guān)。另一解釋來(lái)自弦理論，弦理論認(rèn)為宇宙是10維的，更高維度的“膜”表面居住著像弦一樣的粒子，與3維空間的聯(lián)系并不密切，因此在數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)一些模糊信息。無(wú)論如何，這兩種解釋都有新物理的意味在內(nèi)，深深地表明了Tevatron 一家的姿態(tài)：我們老則老矣，尚能飯。
這里再講一樁憾事，其實(shí)早在1993年，美國(guó)國(guó)會(huì)曾停止了一項(xiàng)繼續(xù)投建超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)SSC的計(jì)劃，這個(gè)流產(chǎn)的對(duì)撞機(jī)預(yù)期能量達(dá)到了40萬(wàn)億電子伏，達(dá)到了LHC承諾的3倍以上，而在中止的時(shí)候它已經(jīng)花去了20億美元。直至今日，很多人提到SSC還忍不住扼腕嘆息。
【Tevatron】
【RHIC】
另一個(gè)值得關(guān)注的對(duì)撞機(jī)是美國(guó)布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室相對(duì)論重離子對(duì)撞機(jī)RHIC，這臺(tái)建成于1999年的機(jī)器是目前世界上唯一的一臺(tái)重離子對(duì)撞機(jī)，它可以讓從質(zhì)子直到金離子的各種離子分別在兩個(gè)獨(dú)立超導(dǎo)儲(chǔ)存環(huán)中積累、加速、儲(chǔ)存，并在六個(gè)對(duì)撞點(diǎn)交叉對(duì)撞，旨在重現(xiàn)宇宙大爆炸后的早期現(xiàn)象，研究重離子對(duì)撞后產(chǎn)生的夸克-膠子等離子體等復(fù)雜的現(xiàn)象。在現(xiàn)有物質(zhì)中，夸克被約束在質(zhì)子和中子內(nèi)，無(wú)法被獨(dú)立觀察到，模型預(yù)測(cè)夸克-膠子等離子體宇宙大爆炸后僅幾微秒內(nèi)存在的一種物質(zhì)。RHIC從2000年6月起讓金原子核以接近光速相撞，希望通過(guò)如此方式產(chǎn)生巨大能量和溫度來(lái)“融解”質(zhì)子和中子，使夸克以自由形態(tài)得以釋放。2005年4月，在RHIC上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的四個(gè)合作探測(cè)器組對(duì)外發(fā)表報(bào)道稱，他們制造出了一種新的熱密度物質(zhì)態(tài)——不像預(yù)期的自由夸克和膠子的氣體那樣飛散，而看起來(lái)更像一種“完美的”液體。這是不是就是早期宇宙的狀態(tài)呢？
LHC讓Tevatron感到日子不好過(guò)，而另一個(gè)在醞釀中的對(duì)撞機(jī)也讓LHC非常有緊迫感，那就是ILC。LHC研究的是質(zhì)子對(duì)撞，因?yàn)橘|(zhì)子是夸克組成的，所以注定了這種對(duì)撞不“干凈”，無(wú)法確定對(duì)撞時(shí)每個(gè)夸克各攜帶了多少能量，難以確定對(duì)撞所產(chǎn)生新粒子的性質(zhì)，所以即便LHC找到了希格斯玻色子，也只能去通過(guò)更精密的機(jī)器才能去確定它的重要屬性，對(duì)于科學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些寶貴信息值得付出高額代價(jià)去換取。價(jià)碼？他們開(kāi)出了67億美元——這是建造一臺(tái)讓正負(fù)電子在其中對(duì)撞的直線對(duì)撞機(jī)的最低起價(jià)。為什么選用電子呢？因?yàn)殡娮颖旧砭褪遣豢稍俜值幕玖Ｗ樱鋵?duì)撞時(shí)攜帶的能量可以精確測(cè)定。世界上第一臺(tái)直線對(duì)撞機(jī)是美國(guó)斯坦福直線加速器中心的SLC（能量不是很高），在這以后，多個(gè)直線對(duì)撞機(jī)方案被設(shè)計(jì)出來(lái)，形成了低溫超導(dǎo)和常溫常規(guī)兩種加速結(jié)構(gòu)之爭(zhēng)，2004年在北京舉行的第27屆國(guó)際高能物理大會(huì)上，低溫超導(dǎo)方確定無(wú)疑地勝出了。據(jù)稱，國(guó)際直線對(duì)撞機(jī)ILC將建造在總長(zhǎng)約40公里的地下隧道中，由兩臺(tái)大型超導(dǎo)直線加速器分別將正負(fù)電子加速到2500億電子伏的能量，對(duì)撞時(shí)質(zhì)心系能量達(dá)到5000億電子伏，以后還將擴(kuò)展到1萬(wàn)億電子伏。就ILC而言，構(gòu)成最大懸念的問(wèn)題在于：建在哪兒？看起來(lái)這龐大而昂貴的家伙還是很搶手的，CERN、費(fèi)米實(shí)驗(yàn)室和日本高能加速器研究機(jī)構(gòu)KEK均表現(xiàn)出了極大興趣，俄羅斯和英國(guó)躍躍欲試，甚至一些中國(guó)科學(xué)家也提議說(shuō)來(lái)吧讓咱們來(lái)，不過(guò)，很有可能只是一個(gè)美麗的幻想而已。
感謝松鼠Sheldon提供幾處修改意見(jiàn)。
本文已發(fā)表于《科幻世界》，有刪改。
