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霍珊菲德

 

● 德國法蘭克福高階研究所研究員

瑞士的日內瓦湖（Lake Geneva）和侏羅山（Jura）之間，在地平面100多公尺以下，修建了一條周長為27公里的圓形隧道，裡面裝設了能將質子加速到近乎光速的超導磁鐵。

在這條隧道的4個位置，質子會發生碰撞。

粒子物理學家（particle physicist）藉著觀察這些碰撞，以瞭解物質是由什麼構成，以及是什麼將物質結合在一起。

大型強子對撞機

由歐洲核研究組織（European Organization for Nuclear Research , CERN）運營的大型強子對撞機（Large Hadron Collider , LHC）是有史以來最大的粒子對撞設備，在2008年啟用時，曾經承載著人們無限的期許。

部分人預測 LHC會發現組成「暗物質（dark matter）」的粒子，而天體物理學家（astrophysicist）相信宇宙所有物質中有85%是暗物質，還有人預測，LHC能夠提供宇宙全新自然對稱性或額外維度的證據，或者有助於解釋「暗能量（dark energy）」（人們相信，暗能量是目前所觀察到的宇宙加速擴張的原因）。

上述這一切都沒有成真。

LHC的確發現了一種新的基本粒子，也就是20世紀60年代標準粒子物理模型中所預測的「希格斯玻色子（Higgs boson）」，最後一種沒有被發現的粒子。但那還要追溯到2012年，而此後一直沒有發現新的粒子。

建造另外一台更大的對撞機能否改變這樣的現實？

新對撞機的支持者認為更大的對撞機可以更精確地測量已知粒子屬性，而且因為它能達到比LHC略高一級的對撞能量，因此有可能帶來新的發現。但物理學家目前沒有理由相信，更大的對撞機能夠帶來目前標準模型以外的任何新發現。

發現任何其他新粒子需要的能量可能比下一台對撞機能夠提供的高出十億倍。

方法有問題

此外，粒子加速器十分昂貴。

中國、日本及歐洲核研究組織物理學家已經提出，計畫的（直線和環形）對撞機建造周期約20年至30年，而且每台將要耗費約100億至200億美元的建造成本。雖然某些技術進步可能使成本降低，但這畢竟還沒有成為現實。

當然，高成本也許具有合理性，前提是上述投資很有可能給社會帶來巨大的效益，過去對物理學基礎的研究毋庸置疑為人類帶來了巨大的利益。

20世紀，研究突破使人們擁有了所有現代電子設備（電晶體、微晶片、鐳射、LED、數位相機，以及很快可能成為現實的量子電腦）和醫學成像方法（X光、超聲波、光譜學、磁共振、正子電腦斷層造影（positron emission tomography）和電子掃描穿隧式顯微鏡（electron tunnel microscopes））。

但沒有理由相信更大的對撞機將會取得成功。

問題並不在於物理學家沒有更多基礎性的工作要做，他們最有力的理論仍然面臨著無法解決的問題，進一步的進展帶來新的進步，尤其是在量子理論（也就是現代電腦技術的基礎）領域。

相反的，是他們所採用的方法有問題。

無效結果的實驗

物理學已經發生了改變，但粒子物理學家的研究方法卻並未進行相應的調整：偶然發現（serendipitous discoveries）仍然是他們所依賴的研究基石。　

當探索性試驗種類多且數量大的時候，這樣的方法或許可行，但，當新試驗動輒耗資數十億美元且需要花費數十載時間進行籌備時（就像目前的狀況），我們就需要更加謹慎地進行投資。

否則，成本高昂的試驗只能產生無效結果（null results），同時很快榨幹預算，例如支援現有理論而非全新假設的觀察結果。

這恰恰是過去40年來正在發生的事。

LHC證實了一個可靠的預測：那就是希格斯玻色子。而這就是事實，但在涉及標準模型所無法預測的影響時，LHC不過是一長串粒子物理實驗中最新的一個，自20世紀70年代以來，標準模型完成後進行的所有試驗均產生了無效的結果。

上述努力非但沒有提供統一作用或新對稱性或粒子的任何證據，反而教會物理學家發明更加難以測量的粒子。

較低成本取得實際成果

的確，無效結果同樣是結果。它們可以排除假設推論，但如果你想發明一種新的理論，它們就不那麼有用了。

無效結果標誌著一條死胡同，死胡同的數量可能是極其龐大的，要想在理解物理學基礎方面取得進展，人類需要能夠指明前進道路的結果。透過修建更大的對撞機，很有可能無法達成。

目前有些研究領域更有可能以較低的成本取得實際的成果，例如天體物理學對暗物質的研究、以及探索重力量化的試驗結果。

上述領域才是物理學家目前應當關注的。

如果技術突破能夠降低對撞機的造價，或者其他試驗能夠提供理由讓人們認為，更大規模的對撞機將促使物理學家發現新的粒子，那麼建造一台更大的對撞機可能是值得的。

但那可能是在20年、50年甚至100年後，在那以前，我們應當投資於更有前景的研究。

（責任編輯：簡嘉宏）

© Project Syndicate

（原標題為《We Don’t Need a Bigger Particle Collider​》文章未經授權，請勿任意轉載）