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2019年4月29日，楊振寧先生在中科院大學(xué)明德講堂演講，這位97歲的物理學(xué)大師再一次明確反對投入巨資建造大型對撞機的發(fā)展規(guī)劃，甚至并不看好高能物理學(xué)的前景：

The party is over——盛宴已過。

高能物理是一門高大上的學(xué)科，它可以揭開宇宙的本質(zhì)——看清微觀狀態(tài)下物質(zhì)的結(jié)構(gòu)?？墒窍胍钊胙芯扛吣芪锢聿⒉蝗菀祝枰ㄔ煲粋€巨大的輔助設(shè)備——粒子加速器。

因為想要了解物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，首先要把物質(zhì)粉身碎骨。粒子加速器就是用高速粒子去打碎被測物質(zhì)。

1928年，挪威科學(xué)家羅爾夫·維德羅制造出了世界上第一臺直線粒子加速器。

可是，直線加速器的長度作為實驗室之用明顯是過于龐大了。1932年，美國物理學(xué)家厄內(nèi)斯特·勞倫斯設(shè)計出了一種更高效的方法：

將電子管組成一個環(huán)形，讓帶電粒子在圓環(huán)的每個電子管中同步升壓，能達(dá)到幾百萬電子伏的高壓。

1932年，勞倫斯發(fā)明的世界上第一臺回旋加速器

勞倫斯建造的60英寸回旋加速器。

這種情況下有一定幾率可以撞碎原子。這就是研究高能物理學(xué)的最佳利器——對撞機的原型。

十幾年之后，科學(xué)家們認(rèn)為加速兩束相反方向的粒子，讓它們在環(huán)形真空室內(nèi)不斷回旋并以接近光速的速度撞擊，這種方法效率更高，而且便于測量。

到了60年代，世界上第一臺正負(fù)電子對撞機在意大利建成；

70年代，華裔物理學(xué)家丁肇中先生在美國布魯克海文國家實驗室利用質(zhì)子對撞機發(fā)現(xiàn)了第4種夸克的束縛態(tài)—J粒子，從而獲得諾貝爾物理學(xué)獎。

90年代，瑞士日內(nèi)瓦的歐洲核子中心建成了世界上最大的正負(fù)電子對撞機（LEP）；2007年，LEP升級為橫跨法國和瑞士邊境，深埋地下100米，環(huán)狀隧道有27公里長的世界最大、能量最高的人造機器——強子對撞機（LHC）。

希格斯玻色子概念圖

可是，這個強子撞機子自2008年運行以來，雖然以發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子——即上帝之子而聞名，之后卻再無重大成果，特別是故障頻繁，多次停運維修，少則數(shù)月，長則數(shù)年。

對撞機不僅造價（上百億）極為昂貴，還具有高速、高能、強磁的工作環(huán)境， 其加速系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、封閉系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)都極為復(fù)雜，運行和維護(hù)的成本也頗為驚人：

運行一個小時的電費就是近二十萬RMB，按年運轉(zhuǎn)6000小時，一年的電費要超十億，這還沒算各種耗材和人力成本。

還有，粒子在碰撞之后，撞碎的小粒子都是極不穩(wěn)定的，絕大部分會轉(zhuǎn)瞬即逝，極難觀察、記錄和描述，更不用說捕捉和存留了。而其它殘留粒子都是自然界里常規(guī)的穩(wěn)定粒子或半衰期不穩(wěn)定粒子，對研究毫無意義。

這種高燒錢、高技術(shù)、高人才要求的大型對撞機實驗，對于任何一個國家的財力物力人力都是一種考驗和挑戰(zhàn)。

事實上，楊振寧已經(jīng)不是第一次反對我國建造大型粒子加速器，早在1972年楊振寧回國訪問時，知道我國正打算建造大型粒子加速器，當(dāng)時就提出了反對意見。

2016年9月4日，楊振寧在《知識分子》發(fā)表文章稱中國今天不宜建造超大對撞機，第二次對我國準(zhǔn)備建造大型粒子對撞機提出反對意見。

2017年5月11日，楊振寧在清華大學(xué)科學(xué)館，面對超過100萬觀眾的直播鏡頭，第三次對建造大型對撞機表達(dá)了反對觀點。

楊振寧這樣認(rèn)為：

即使擁有世界上最大的加速器，也不太可能再次實現(xiàn)重大突破。

這是因為能找到的基本粒子幾乎都被找到了，而沒有被找到的未知粒子，還需要不斷升級為更高規(guī)格的加速器（LHC的持續(xù)升級就投入了不少于1000億美元）才能繼續(xù)尋找。

也就是說，要花費更多超出預(yù)算的錢，這無疑是一個極為沉重的負(fù)擔(dān)。

楊振寧最后指出：

不建超大對撞機，我認(rèn)為至少有兩個方向值得探索，尋找新加速器原理；尋找美妙的幾何結(jié)構(gòu)。

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環(huán)形加速器的結(jié)構(gòu)可以持續(xù)地將粒子加速到接近光速，但是這種加速器也有一個缺點：

接近光速的粒子在磁場中沿弧形軌道運動時，粒子的能量會以一種叫做同步輻射的方式被發(fā)散出去。

長期以來，同步輻射非常不受高能物理學(xué)家待見，因為它消耗了加速器的能量，阻礙了粒子能量的提高，成了高能物理研究中極力要克服的重要因素。

那么，同步輻射是如何被發(fā)現(xiàn)的呢？

美國科學(xué)家埃德溫·馬蒂森·麥克米倫

時間來到1945年，美國科學(xué)家埃德溫·馬蒂森·麥克米倫發(fā)明出了同步回旋加速器。

這種加速器可以使粒子被加速過程中，加速電場的頻率會隨著加速粒子能量的增加而降低，使粒子回旋頻率與加速電場同步，最重要的是使得加速器的建筑體積不會過于巨大，這是加速器發(fā)展史上的一次重大革命。

但是，這種加速器在加速粒子的過程中，能量損失很大，極大地阻礙了粒子的能量提高。

1947年，科學(xué)家們終于找到了問題的癥結(jié)。原來，在真空中，以接近光速運動的粒子束在磁場中沿弧形軌道運動時，會沿切線方向輻射出電磁輻射。

這就像我們在下雨天手持雨傘，不停地轉(zhuǎn)動傘柄，在傘邊緣的切線方向就會飛出一簇簇水珠一樣。因為它是在同步加速器上被發(fā)現(xiàn)的，因而被命名為同步輻射。

然而同步輻射的能量浪費并非一無是處，它會以一種高能量，高純凈度，高準(zhǔn)直的電磁波的形式發(fā)散出去。

我們?nèi)粘５目梢姽夂蚗光等，也是一種電磁輻射。但同步輻射具有以往所有電磁輻射（光源）不可比擬的優(yōu)良性能：

波長范圍寬（從遠(yuǎn)紅外到X光范圍）、強度和亮度高（是X光的上萬到上億倍）、準(zhǔn)直性高（幾乎是平行光），可以提供十幾到幾十小時的穩(wěn)定光束。

丑小鴨終于變成了白天鵝。

正是由于同步輻射光的頻譜之寬，我們利用單色器就可以隨意選擇所需要的波長，進(jìn)行單色光的實驗。因此同步輻射光源可以開展的實驗所涉及的學(xué)科之多、應(yīng)用的領(lǐng)域之廣，是其它實驗裝置所無法比擬的。

從20世紀(jì)70年代開始，世界各國競相開展了同步輻射的研究，其卓越的性能可以開展衍射分析，也可以應(yīng)用在材料學(xué)、結(jié)構(gòu)生物學(xué)等學(xué)科的研究中。

獲得諾貝爾獎的 5 項基于同步輻射結(jié)構(gòu)解析的研究工作

如今，同步輻射已經(jīng)成為物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)科學(xué)、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)等眾多科學(xué)領(lǐng)域中最先進(jìn)的研究手段，并且在電子、醫(yī)藥、化工、生物和納米加工等方面均具有廣闊的前景。

同步輻射是繼火、電燈之后，促進(jìn)人類發(fā)展的第三種人造光源。

03

目前，同步輻射光源已經(jīng)歷了四代的發(fā)展，可是它的弊病是仍然需要依賴傳統(tǒng)加速器這種大型設(shè)備來運行。

這些傳統(tǒng)加速器的原理都是通過射頻場加速，其核心是電場對電子的加速。對于幾十上百GeV的粒子加速能量的需求自然要加速長度在km量級，體量必然十分巨大。

如今有一種自由電子激光輻射光源的技術(shù)有望擺脫對大型加速器設(shè)備的依賴，它的核心技術(shù)也是源于高能物理，尤其是直線對撞機的發(fā)展：

利用超強超短激光在等離子體中誘發(fā)的等離子體波來加速高能電子，其加速梯度高于傳統(tǒng)加速器三個量級以上，比如1GeV的電子只需要大約1mm的加速長度。所以這種激光器的尺寸要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)加速器。

我們平時說的激光器，可以稱它為束縛電子激光，它是電子在能級結(jié)構(gòu)上的躍遷輻射光子。

而自由電子激光，就是已經(jīng)脫離了能級結(jié)構(gòu)，在自由空間里的電子做周期運動產(chǎn)生的輻射。而且，自由電子激光器不需要氣體、液體或固體作為工作物質(zhì)，直接可以將高能電子束的動能轉(zhuǎn)換成相干輻射能。

就在2021年的6月，我國中科院上海光學(xué)精密機械研究所已經(jīng)研制出高性能200太瓦的重頻自由激光裝置：

首次將高能電子束能散壓縮至千分之二，這一成果讓我們看到了超小型輻射源的曙光。

由于自由電子激光特別適宜于研究固體表面物理、半導(dǎo)體物理、超導(dǎo)體、凝聚態(tài)物理、化學(xué)、光譜學(xué)、非線性光學(xué)等多個方面。

所以它不僅是同步輻射的換代技術(shù)，甚至可以說是光刻機的未來發(fā)展方向之一，當(dāng)然也可以用于開發(fā)X激光來直接刻寫芯片。

它的未來絕對是革命性和顛覆性的。

2018年4月，我國已經(jīng)開始建設(shè)硬X射線自由電子激光裝置，并計劃于2025年竣工投入使用。

上海硬X射線自由電子激光裝置

它是我國迄今為止投資最大的（約100億人民幣）科技基礎(chǔ)設(shè)施項目?？傞L度為約3公里，深不過30米。僅為超大型對撞機的三十分之一。

該裝置建成后，將為我國的物理、化學(xué)、生命科學(xué)、材料科學(xué)、能源科學(xué)等多學(xué)科提供前所未有的高分辨成像、先進(jìn)結(jié)構(gòu)解析、超快過程探索等尖端黑科技。

謠零零計劃