2012年7月4日早上9點，位於日內瓦的歐洲核子中心（CERN）主禮堂，坐滿了來自世界各地的頂級物理學家。這一天，CERN向全球公布了一則消息：大型強子對撞機（LHC）的超導環場探測器和緊湊繆子線圈實驗組，發現了希格斯玻色子。
這個消息一出，著實讓一部分人大受震撼。但，更多的人，恐怕看不懂。
看不懂，很容易理解。
大型強子對撞機是啥？希格斯玻色子又是啥？
讓一部分人大受震撼，也容易理解。
在格斯玻色子被發現的次年（2013年），彼得·希格斯就獲得了諾貝爾物理學獎。至於希格斯玻色子，還有個很響亮的名字「上帝粒子」。
希格斯玻色子的發現，填補了粒子物理學標準模型最後、最重要的一塊基石。
用我們習慣的官話來說，這就是在基礎學科研究方面取得了一項重大突破。
隨後，國內也掀起了一波關於中國要不要建造大型強子對撞機的爭議。並且，要建的是比LHC規模更大的超大對撞機。
這一爭議，在2016年再度升溫。
這一年9月4日，楊振寧公開發文《中國今天不宜建造超大對撞機》，他列舉了N條理由，做出了反對。
這些理由也都有一定道理，比如美國30億美元建造對撞機最終打水漂；LHC建造費用加上後期探測器等費用累計超過100億美元，超大對撞機耗費更大，作為主導國承擔巨大成本；目前我國仍處於已開發國家、世界重要高能物理學家我國只占百分之一、二，未必成為最終成果取得者；希望用超大對撞機發現「猜想」中的超對稱粒子只是「猜想加上猜想」……
當天，中國科學院高能物理研究所所長王貽芳就對楊振寧的理由進行逐條反駁。
不得不承認，大型強子對撞機就是一台巨大的「吞金獸」。
LHC的主體結構像是一個金屬甜甜圈，加上設備總重量五萬多噸，如果從中間某處剪斷並拉直，長達27公里，開車都得半個小時。國際太空站、甘迺迪航天中心、福特級航空母艦在它面前都像小朋友的玩具一般。
運行期間，LHC的管理機構，全世界最大的粒子物理學實驗室，歐洲核子研究中心CERN從法國電網獲取大約200兆瓦的電力，相當於是瑞士日內瓦市能源消耗的三分之一。
眾所周知，今年2月，俄烏戰爭發生之後，歐洲就面臨能源緊張的問題。
然而，2022年4月22日，經過三年多的停機維護升級，法國瑞士邊境100米深的地下，世界上能量最高、性能最先進、總造價近百億美元的大型強子對撞機LHC，開始了新一階段運行前的束流循環測試。
而早在2020年6月，日內瓦的歐洲核子中心理事會就已經全票通過《2020歐洲粒子物理學戰略》，將建造正負電子對撞機和未來環形對撞機（FCC）作為最高優先選項。
也就是說，在粒子物理學實驗方面已經領跑的全球歐洲核子中心，還想比其他國家地區再領先一個身位。
那麼，粒子物理學到底有什麼魔力，對於當下的科技、經濟發展有什麼用，我們國家要不要搞出屬於自己的超大對撞機？
01
「物理學從來就沒有存在過，將來也不會存在。」
在所有關於死亡的故事裡，《三體·黑暗森林》中理論物理學家楊冬的自殺遺言是最讓我震撼的。
由於三體文明發射的兩顆質子干擾了地球粒子對撞機的實驗，物理學標準模型崩塌，科學家們窮極一生追求的物理規則似乎消失了，三觀盡毀，乾脆一死了之。
基礎物理研究被鎖死，人類400年裡只能不斷改進應用科技，終究沒逃過被三體文明一艘小小探測器碾壓的悲劇。
把弩改進到極致依舊是弩，勉強對付燧發槍，不可能敵得過結合微積分、化學分子式、金屬原子結構之後發明的機關槍、榴彈炮。
而當愛因斯坦寫下揭示更底層規律的質能方程後，飛機大炮也被原子武器塑造的大國秩序所左右。
沒有基礎科學的進步，就沒有應用科技的跨越。
質子封鎖是劉慈欣筆下的幻想，人類科學發展的腳步放緩卻越來越成為現實問題。
335年前，牛頓力學問世，有了精準的工程計算，當時問世已久的蒸汽機才得以改良，開啟第一次工業革命。
157年前，麥克斯韋統一了電磁光，我們才有了第二次科技革命帶來的電視電燈電話等等電氣設備。
100多年前，量子力學創立，打下固體電子理論和能帶理論的基礎，半導體晶片與資訊產業由此發芽。
時至今日，我們仍在攀爬上個世紀理論基礎上的應用創新，量子計算機依舊沒走出實驗室。
正如民間廣為流傳的那句抱怨與期待：「物理學已經上百年沒有重大突破了」。
2018年，美國著名科普作家約翰·霍根以《科學碰壁了嗎？》為題發文列出了一系列科學技術放緩的現象：
1、諾貝爾科學獎的獲得者平均年齡正在急劇提高；
2、不同行業的投入與產出的比例都不斷下降；
3、物理學家越來越關注弦理論和多元宇宙這些太小或者太大領域，甚至一些科學家開始研究泛心論，越來越玄了。
基礎科學的放緩如多米諾骨牌般，間接影響到了我們每一個人的生活。
今天的一些革命性的創新源頭依舊在半個世紀之前，比如5G背後的香農定理。應用科技的創新再也沒有產生20世紀初電力、青黴素、資訊技術那種普遍性的影響，商業計劃很多時候只是讓少數人受益，甚至有一些完全淪為了割韭菜的鐮刀。
新的技術革命不出現，就不會帶來新的大規模就業和財富機會。
飛行汽車呢？長生不老呢？星際探索呢？這些一百年前科幻作品裡出現的東西，今天依舊是科幻。
馬斯克的創業夥伴，彼得蒂爾說，我們需要的是飛行汽車，卻只得到了140個字符的推特。
難道前沿科學真的碰壁了？我們真的撞不破這堵嘆息之牆嗎？
解答這些問題之前，我們有必要了解一下當下物理學是怎樣運行的。
今天的物理學是一門實證科學，它的研究是，先得觀測到一個現象，再提出解釋這個現象的假說，然後我們用實驗去驗證這個假說，再推廣結論將其普遍化，普遍化的過程當中很可能又會發現一些解釋不了的現象，然後再提假說，再驗證，如此循環的過程。
這種研究方法開始於16—17世紀。
在此之前物理學的研究主要是基於生活常識甚至於宗教經典，是伽利略首次把觀測和實驗確立為研究物理的核心方法，比如他通過大小兩個鐵球同時落地的比薩斜塔實驗推翻了亞里士多德越重的東西落地越快的學說，再比如他發明望遠鏡觀測天體運動確立了日心說。
在之後通過傳說中落地的蘋果，牛頓意識到天體間的引力和地球上力學規律的一致性，從而實現了物理理論的首次大統一。
在很多人印象中，牛頓是一個偉大的物理學家，數學家，就如同現在每年得諾貝爾獎的那些偉大的科學家一樣。
這是對此人影響力的嚴重低估。
牛頓發明的微積分使人類對於世界的觀察計算，從靜態計算，擴展到對於變化過程的瞬時動態計算，以及對於長期變化過程的累積效果的計算。人類第一次擁有了對於我們所處世界完整而精確的計算能力。
牛頓定義了經典力學的基本概念，提出了力學三定律，萬有引力定律和光的粒子學說，將數學，物理學和天文學，通過物質的機械運動統一了起來，形成了初代的大一統理論。
基於牛頓的理論，1682年，英國天文學家哈雷，計算出一個彗星的軌道周期為76年。76年後這顆彗星居然真的如約而至，從此被命名為「哈雷彗星」，雖然當時哈雷本人早已去世。
1845年，英國天文學家約翰亞當斯，利用萬有引力定律，預言天王星後面還存在一顆行星在影響著天王星的軌道。一年之後，人們在理論預言的軌道位置真的發現了這顆行星，也就是海王星。
我們現代人其實很難想像這些事件給當時的人帶來的震撼。
因為神說要有光，世界上才有了光。你區區一個哈雷說這顆星星76年後要回來，它就這麼聽你的話？你約翰亞當斯看都沒看到，就說那邊有顆星星，那邊還真有一顆星星。這不亂了套了嘛？
一種全新的機械論世界觀開始逐漸深入人心，也就是，我們這個世界不過大量機械運動的組合，它是可以被認識的，它的規律是可以被掌握的，我們可以利用這些規律改造這個世界。用尤里烏斯凱撒的話來說就是，我來，我見，我征服。
在此之後的三百年裡，力學、熱學、聲學、光學、電學，也就是中學實驗室里就能學習、試驗的「力熱聲光電」領域進入了穩步發展階段。
進入20世紀，相對論和量子力學這兩大「網紅」物理學理論突破了幾百年來的認知限制，將物理學研究帶入到了「至快至強」的境地，也就是基本粒子在高能量下的接近光速的運動，但這也帶來了一個問題，就是這種運動完全超出了肉眼凡胎的感知範圍。如此一來，要如何對於科學家提出的假說進行驗證呢？比如之前我們可以用顯微鏡，也就是光的折射反射，來觀察肉眼不可見的細胞、分子、甚至原子，但當研究的對象成了「光子」本身時，或者是接近光速運動的電子時，就無法通過現有技術直接觀測了。如果無法對假說進行驗證，物理學就成了無源之水，無根之木，將會完全淪為空想。
02
我們大家都學過的中學物理對於這個世界的構成有一個基本模型，帶正電的質子和電中性的中子組成一個小小的原子核，外面廣闊的空間由帶負電的電子所構成的「雲」所占據，它們共同構成一個原子。然後原子組成分子，原子分子組成我們這個世界上的一切。
不知道大家有沒有想過這樣一個問題，這個模型對於氫原子是完美的，但是一旦中間的質子超過一個，那麼多帶正電的質子擠在那么小的原子核里，同性相斥，為什麼沒有被彈開來呢？
很顯然這裡缺了一些東西，我們需要更深刻的模型來解釋這個世界。粒子物理標準模型是以量子場論為表達方式，描述宇宙間基本粒子及其相互作用力（除引力外）的理論。
這個模型大致是這樣的。
組成我們這個世界的基本粒子分為費米子和玻色子，其中費米子組成物質本身，而玻色子負責傳遞物質之間的作用力。費米子包括上夸克，下夸克，電子，中微子，以及它們分別有同類的另外兩代粒子。
夸克相互結合形成的複合粒子，叫強子。強子中最穩定的就是質子和中子。其中，兩個上夸克加一個下夸克組成質子，一個上夸克加兩個下夸克組成中子。中子質子組成原子核，與電子一起組成原子，進而構成世間萬物。而中微子是一種電中性的質量極小的粒子，可以在宇宙中自由穿梭。
規範玻色子包括，負責傳遞電磁作用力的光子，負責傳遞強相互作用力的膠子，以及負責傳遞弱相互作用力的w玻色子和z玻色子。
我們生活中的電磁力，化學反應，彈力，摩擦力，都是因為光子所傳遞的電磁作用。
原子核中多個帶正電的質子、以及不帶電的中子們之所以不會分崩離析，都是因為膠子所傳遞的強相互作用力。強相互作用力在原子核尺度上的強度遠遠大於質子之間的電磁排斥力。
強力貢獻了強子的大部分質量。以強子中的質子為例，組成質子的三個夸克的質量僅占質子質量的大約1%，質子的主要質量其實源於強相互作用能，核反應釋放出的能量也是主要來自強相互作用能。
我們日常生活中的物質都是由原子分子組成，也就是靠電磁力連接的，如果我們有朝一日能造出類似三體中水滴的靠強力連接的材料，它將無堅不摧。
而原子核之所以衰變，是因為w和z玻色子傳遞的弱相互作用力的影響，比如下夸克可以通過所謂β衰變成為上夸克，釋放出一個電子和一個中微子，中子也隨之就變成了質子。
而在這套體系里有一個最核心的粒子，也就是中間的希格斯玻色子。
在2012年之前，希格斯玻色子只是粒子物理學標準模型所預言的一種粒子。
1964年，希格斯玻色子由以英國的彼得希格斯、比利時的弗朗西斯恩格勒為代表的6位物理學家先後預言。沒有它，世間萬物便沒有質量（結合能的等效質量不包括在此）；沒有它，看似完美的標準模型理論便無法與現實相融洽。
我們可以這樣粗糙做個比喻，以方便理解希格斯玻色子如何賦予其他粒子質量。
就好比上午十點，北京朝陽大悅城開門營業，裡面有不少工作人員。你、我、他作為普通顧客進入商場，不會受到任何人的阻攔打擾，能快速地穿過商場大廳，直奔想去的店鋪。
突然，蔡徐坤出現在商場裡，那些ikun聞訊全部趕來，將他圍個水泄不通。這個要簽名、那個要拍照，明星花了半個小時才來到普通人三十秒就能走到的一處店鋪。
在這裡，ikun的作用就像是希格斯玻色子。普通顧客便是那些沒有質量的粒子、比如光子。由於沒有希格斯粒子的作用，光子沒有質量，從而能飛速運動。
明星就是有質量的粒子，比如質子、中子。由於受到希格斯粒子的影響，被賦予了質量，從而導致行動緩慢。
回到微觀世界，科學家怎麼才能觀察到這些ikun？
對撞機的存在意義，就是通過人為控制撞擊粒子，記錄之後的反應事例，來研究這個「至快至強」的物理過程。
03
大型強子對撞機是將強子加速到接近光速，來進行碰撞實驗。具體來說，對撞的是強子中的質子。
被加速的質子來自一瓶紅色的氫氣罐。
通過直線加速器Linac4，氫負離子被加速到160 MeV的能量，然後注入到質子加速助推器（PSB）中。
之後，每個氫離子會被剝離兩個電子，只剩下一個質子。
將質子加速到2GeV並注入到質子同步加速器（PS），加速到26 GeV。接下來，直徑為2公里的超級質子同步加速器（SPS）將這些質子的能量進一步提高到450 GeV，最終注入到LHC的27公里的加速器主環中。
準備對撞的粒子要想加速到足夠高的能量，需要在環里飛行約30分鐘，期間以接近光速飛行大約2000萬圈，如果換成直線加速，長度需要大約4萬公里，得繞地球建一圈。
環形相比於直線占地規模更小，但代價是，為了讓這些以近乎光速飛行的粒子乖乖聽話地繞圈圈，就需要使用磁場極大的電磁鐵約束、彎曲粒子運動的路徑。
為此，LHC使用了1232個主偶極磁鐵，來組成束流管道，每個長15米，重35噸。
配合主偶極磁鐵，LHC上還裝有數千個從各個方向方向擠壓粒子束流，保持粒子束流穩定性、對撞前聚焦的四級磁鐵，此外，還有六極、八極和十極磁鐵，來查漏補缺。
所有磁鐵加起來超過九千個，總重36000噸，磁場高達8.3特斯拉，比@地球磁場強10萬多倍，是LHC最複雜的主要部件。
如此高強度的磁場，需要電磁線圈中通過一萬多安培的電流。但電流越大發熱越嚴重，為了避免過熱，所有磁鐵部件都是用低溫超導材料鈮鈦（NbTi）製造的，整個浸泡在120噸溫度只有2.17 K（-270.98℃）的超流體液態氦中在幾個星期，是世界上最大的低溫系統。
有了低溫磁鐵讓粒子跑圈還不夠，為了避免LHC中的粒子束與加速器內的氣體分子發生碰撞，管道內還必須保持與太空一樣空曠的真空。
LHC的真空管道總長104公里，其中包括長50公里、直徑0.3米、真空壓力需要降到約10(-6)毫巴的絕緣真空管道，LHC利用真空對磁鐵進行隔熱，從而維持超導所需的極低溫度。隔絕液氦和超導磁體的絕緣真空管道各有25公里。
此外，還有用於對撞粒子加速的兩束共54公里長的束流管道。束流管道雖然位於絕緣真空管道內，但它們相互獨立。這些束流管道中，有溫度保持在零下271.3度的48公里長的彎曲弧段，和溫度保持在室溫的6公里長的直線段。
在弧段中，超高真空由9000立方米氣體的低溫抽吸來維持。當束流管被冷卻到極低的溫度時，氣體冷凝並粘附在束流管內壁上。在不到兩周的泵送時間裡，管內的壓力可降至10(-13)個大氣壓以下。
束流管道內的壓力在10(-10)到10(-11)毫巴之間，幾乎相當於月球表面的真空程度。
如今，LHC是世界上最大的可操作真空系統。
質子在7公里長的真空管道一圈圈地加速，最終加速到光速的99.9999%，能量達到到6萬5千億電子伏特（6.5TeV），在四個巨大的探測器內的磁場作用下，兩束相向飛行的粒子發生碰撞，撞擊的能量達到了13萬億電子伏特（13TeV）。
碰撞之後的粒子進入到4個探測器當中，它們的運動軌跡隨之被記錄下來。
在LHC運行期間，探測器每天都會記錄140 TB的粒子對撞數據，幾乎相當於每天寫一億本《紅樓夢》信息量爆炸。
這些探測器背後，有來自包括中國科學家在內的全世界數千名科學家組成的合作組，合作組成員通過研究解讀實驗數據，來尋找有關宇宙問題的答案，來滿足這個星球上最聰明的那批人超脫於世俗之外的好奇心。
兩千多年前，古希臘哲學家亞里士多德認為，物體之所以會落下地面，是因為地球吸引了萬物的質量。物體越重，從高處落下的速度也越快。16世紀後期，為了駁斥深入大眾人心的上述觀點，義大利物理學家伽利略在比薩斜塔上做了個物體下落實驗。證明了不論物體重量如何，都會以相同的速度下落。
從人類第一次思考自然界的重力，到完成描述宇宙中四種基本相互作用力的理論框架，歷史的車輪已滾過了兩千多年。
愛因斯坦之所以推崇麥克斯韋，是因為後者完成了對電力和磁力的統一理論描述。在愛因斯坦的後半生里，繼承麥克斯韋的衣缽，統一電磁力和引力成了他最大的執念。
不過，他最終也未能如願，因為引力在微觀尺度上影響實在太小，粒子物理標準模型至今也沒有將引力的作用納入其中。
自上世紀後半葉被逐步完善以來，粒子物理標準模型以近乎完美地表現，解釋了與電磁相互作用、弱相互作用以及強相互作用相關的實驗現象，它所預言的基本粒子也一一被實驗發現。
1995年，標準模型中最後一個夸克——頂夸克，被美國費米實驗室的對撞機Tevatron發現；2000年，最後一個中微子，τ中微子同樣被Tevatron發現，進入21世紀，只剩下希格斯玻色子了。
建造LHC的最初目標，就是尋找它。為了驗證希格斯玻色子的確存在，只有一條路:人工模擬宇宙大爆炸的過程，人為地創造這個被稱為「上帝粒子」的粒子。
為了尋找它，人類花了半個世紀的時間，匯集了全世界一百多個國家，超萬名物理學家、工程師。為了尋找它，人們耗資百億美元，建造了大型強子對撞機LHC。
LHC的首次運行始於2009年，靠著每天撞出的海量數據，三年後的2012年，希格斯粒子被確認發現！
2012年7月，CMS和ATLAS兩大探測器實驗組在CERN大會堂里聯合舉行了發布會，正式宣布發現了希格斯玻色子！83歲高齡的彼得希格斯和80歲的弗朗西斯恩格勒坐在台下，熱淚盈眶。
早在2008年，LHC剛剛建成運行時，就曾遭到一些科學家和學界外人士聯合起訴，說什麼LHC有可能會製造出黑洞，將地球吞噬，因此要求永久關閉LHC。
CERN為此花了差不多一年的計算論證，終於證明了所謂的「毀滅地球」是無稽之談，才壓下要求關閉的聲音。
此後十多年來，在運行與檢修間交替往復的大型強子對撞機，一次次撞擊著矗立在今天基礎科學前面無形的高牆。
尾聲
蒸汽機的原型早在公元一世紀就有了，緩慢發展到18世紀初，出現了用來給礦井排水的紐卡門蒸汽機。
而瓦特跟之前這些發明家的區別就在於他在格拉斯哥大學系統地學習過高等數學和牛頓力學，他會根據科學分析和工程計算進行創造發明。
人類對於電和磁的觀察和描述可以追述到幾千年前，但直到麥克斯韋他提出了將電、磁、光表述為同一種現象的理論，我們賴以工作、生活、娛樂的一切手機通信、電腦互聯、衛星導航，才得以出現。
早在1821年，便有科學家發現了具有半導體特性的材料，但是停留於經驗總結，直到進入二十世紀後，量子力學出現，才誕生了專門研究固體物質在原子尺度的特性的固體物理，人類這才擁有了從理論層面解釋半導體機理的科學工具。
現代社會離不開各種電子設施。電腦、手機、電子顯微鏡、核磁共振儀等等工具，它們內部的電晶體、二極體、微晶片、射頻系統等構件的設計離不開量子力學的理論支撐。
GPS或者北斗導航靠的是天上的衛星，而為了提供精準的定位導航服務，必須考慮相對論效應的影響。
衛星在地球軌道上的飛行速度約為14000公里每小時，在如此高的速度下，根據狹義相對論的計算，衛星上的時間流逝每天會比地球慢7微妙。7微妙聽起來不多，但如果不加修正，定位到地面上的精度可能會擴大到好幾公里！
而如果我們真的希望有一天，能夠實現飛行汽車，長生不老，星際探索，就必須要發現我們這個世界更深層次的規律，建立起新的理論體系。
於是便有了將量子力學和狹義相對論結合，描述前面所說的那個「至快至強」的世界的理論體系——量子場論。
我想，在那一刻，人類完全有資格說：正是凡人之軀，洞悉宇宙神明。
人類認識宇宙規律的過程就像是在茫茫大海中尋找寶藏。在無邊無際的大海上，人的思維智慧成槳，實驗化作羅盤。沒有思維智慧，人類寸步難行；沒有實驗手段，人類迷失方向。
LHC就是當下我們探索宇宙規律的那方羅盤。
上帝粒子被發現，但故事並沒有結束！因為它只是標準模型的其中一環，但這個宇宙是如此浩瀚，以至於標準模型只解釋了其中一小塊的內容。
超出標準模型的物理是什麼樣的？
希格斯粒子的背後是否還有更多秘密？
什麼是暗物質？
弦理論能被實驗驗證嗎？
這個宇宙只有三維嗎？
更高的維度存在嗎？
愛因斯坦尋覓半生的那個夢：統一描述宇宙中的四種基本相互作用力，我們還能實現嗎？
這些問題撩動著所有人的心緒。
美國費米實驗室的加速器Tevatron是LHC建成前世界上最大的對撞機，頂夸克和τ中微子都是由它發現。截止到2022年，它已經停止運行了十一年，但針對該設施的實驗數據還在分析中。
今年4月初，也就是LHC重啟前幾天，Tevatron的實驗人員發布了有關W玻色子（傳遞弱相互作用的基本粒子）質量的最新分析結果——與標準模型的預言值有顯著差別。
實驗家激動，理論家興奮，因為這或許意味著標準模型的確是一個並不完善的理論，在它之外，還有更多需要人類認識、書寫的東西。當然，Tevatron的結果還需要進一步驗證，LHC此時也正好接過了交接棒。
經過三年多的檢修升級，開始第三階段運行的LHC整體性能得到了進一步的提升，後續將達到創紀錄的13.6萬億電子伏（13.6 TeV）。ATLAS和CMS實驗將採集的碰撞數據比前兩個階段加起來還多。LHCb實驗的數據量有望增加三倍，而研究重離子碰撞的ALICE實驗升級最為突出，預計將增加50倍的數據採集量。
暴增的數據將讓全球物理學家可以能更為詳細地研究希格斯粒子，更為準確地測量W玻色子的質量，將使粒子物理標準模型及其各種擴展模型受到更為嚴格的測試。
而下一階段更強大的粒子對撞機也在研究和籌備中，有可能中國人會接過接力棒。
而這一切只為回答兩千多年前的古人提出的一串經典的哲學問題：
我是誰？人類從哪裡來？宇宙要到哪裡去？
如果沒有解答這些究極問題，人類只會像螻蟻般，在沒有出口的死胡同面前原地打轉，陷入自我懷疑與群體內卷中無法自拔，更無法突破科學發展的隱形牆壁，在危機、紛爭與戰火中耗盡文明的氣數。
現實中，我們可以靠粒子物理標準模型來幹什麼呢？目前為止誰也不知道！
但故步自封從來都不是我們做事的方式。
從基因的角度來看，大腦不過是為了繁殖後代的工具，卻偏偏琢磨出了相對論，量子力學，預言了上帝粒子、黑洞、引力波。
這才是歲月賦予文明的意義。
