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建造周長(zhǎng)幾十千米的巨型圓環(huán)，把質(zhì)子加速到高能狀態(tài),，讓它們迎頭相撞,，以此尋找神秘的希格斯粒子——本期特別策劃中，科學(xué)家預(yù)言了物理學(xué)新紀(jì)元的到來,。但對(duì)大多數(shù)讀者而言,，粒子物理離自己生活非常遙遠(yuǎn)，恐怕連“希格斯”這三個(gè)字都無異于“天方夜譚”,。作為一位粒子物理學(xué)家,，你認(rèn)為粒子物理的前沿研究，究竟會(huì)對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生什么樣的影響? 坦率地講,，現(xiàn)在來討論利用LHC尋找希格斯粒子對(duì)人類生活到底能有什么影響,，還為時(shí)太早。對(duì)于物理學(xué)的基礎(chǔ)研究,，特別是物質(zhì)結(jié)構(gòu)最前沿的研究來說,，我們不能期望它立即產(chǎn)生實(shí)用技術(shù)?？茖W(xué)首先必須認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)在規(guī)律,，然后才能考慮這些規(guī)律的實(shí)際應(yīng)用。 回想19世紀(jì)末,，居里夫人研究原子核衰變的時(shí)候,，只是想認(rèn)識(shí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的規(guī)律，并不知道研究成果有什么“用”,。但是后來,，隨著人類對(duì)原子核結(jié)構(gòu)的深入了解，核物理在武器,、能源,、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用,，都對(duì)人類的社會(huì)生活產(chǎn)生了巨大的影響。同樣,，上世紀(jì)初對(duì)量子理論的研究成果,，在上個(gè)世紀(jì)中后期產(chǎn)生了半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī),、激光,、電視、手機(jī),、GPS等技術(shù),，深刻地改變了人類的生活方式。我相信,，對(duì)于希格斯粒子或LHC即將帶來的其他發(fā)現(xiàn),，一旦認(rèn)識(shí)了它們的規(guī)律，就可能逐步發(fā)現(xiàn)它們的應(yīng)用,。會(huì)對(duì)人類日常生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,。 這個(gè)問題還可以從另一個(gè)角度來回答。現(xiàn)代粒子物理研究,，需要依賴LHC這樣的大型科學(xué)裝置,。在這些裝置的建造及運(yùn)行過程中，科學(xué)家和工程師會(huì)發(fā)展很多先進(jìn)技術(shù),。它們不一定和希格斯粒子有直接關(guān)系,，但會(huì)直接影響我們的生活和社會(huì)發(fā)展。以歐洲原子能研究中心的上一臺(tái)大型加速器——大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)(LEP)為例,，它就大大推動(dòng)了超導(dǎo),、高頻、微波,、精密機(jī)械和自動(dòng)控制等諸多高技術(shù)的發(fā)展,。 LEP對(duì)人類社會(huì)所做的最大貢獻(xiàn)。當(dāng)數(shù)萬維網(wǎng)(World Wide Web)的發(fā)明,。在LEP實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析和物理研究過程中,，為了讓分布在世界各地參與LEP實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)家能夠高效充分地交換和共享信息，順利開展研究工作,，一位名叫蒂姆·伯納斯－李(Tim Berners-Lee)的英國科學(xué)家發(fā)明了萬維網(wǎng),。這項(xiàng)技術(shù)給全球信息的交流和傳播帶來了革命性的變化，不僅迅速推廣和普及了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),，還大大改變了人類的生活方式,。這就是粒子物理前沿研究對(duì)社會(huì)產(chǎn)生直接影響的一個(gè)典型例子。伯納斯一李當(dāng)時(shí)聲明放棄專利權(quán),，把這項(xiàng)發(fā)明無償?shù)胤瞰I(xiàn)給全人類,。粒子物理學(xué)家常開玩笑說,，如果像微軟那樣收取專利費(fèi)的話，全世界的粒子物理研究就不愁經(jīng)費(fèi)了,。 大型高能物理加速器還逐步衍生出多種先進(jìn)的大型交叉研究平臺(tái),，如同步輻射裝置、散列中子源,、自由電子激光等,。這些平臺(tái)為生命科學(xué)、資源環(huán)境,、納米科學(xué),、凝聚態(tài)物理、化學(xué)化工等諸多領(lǐng)域提供了先進(jìn)的研究手段,，大大推動(dòng)了這些領(lǐng)域的發(fā)展,。發(fā)達(dá)國家以這些裝置為中心，形成了大型的多學(xué)科研究基地,，成為了這些國家科技創(chuàng)新體系的重要單元。 回到今天的LHC,，它正在帶動(dòng)新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——網(wǎng)格技術(shù)的發(fā)展,。網(wǎng)格和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最大的區(qū)別就在于：互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)只能提供相對(duì)較少的共享信息，比如通過網(wǎng)頁瀏覽幾KB到幾MB的信息,，或者通過FTP下載幾個(gè)GB的文件,；網(wǎng)格技術(shù)則是海量數(shù)據(jù)和超級(jí)計(jì)算能力的共享。這里所說的海量數(shù)據(jù)是指幾十個(gè)PB(1PB=100萬GB)的數(shù)據(jù),，相當(dāng)于目前普通硬盤容量的數(shù)百萬倍,；而超級(jí)計(jì)算能力，則至少相當(dāng)于幾萬臺(tái)最新型CPU運(yùn)算能力的總和,。LHC的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和幾萬臺(tái)CPU的處理能力分散在歐洲,、美國、日本,、中國等許多地方,，全世界的研究人員在自己的研究所里就能共享數(shù)據(jù)和處理能力。LHC計(jì)算網(wǎng)格是第一個(gè)真正投入實(shí)用的大規(guī)模網(wǎng)格,，是高能物理對(duì)信息技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)重大貢獻(xiàn),。 《環(huán)球科學(xué)》：隨著LHC的建成，粒子物理學(xué)將迎來“黃金時(shí)期”,，涌現(xiàn)出一大批新發(fā)現(xiàn),，這已經(jīng)是許多科學(xué)家的共識(shí)。粒子物理學(xué)的進(jìn)步,，將如何帶動(dòng)整個(gè)物理學(xué)向前邁進(jìn)? 陳和生：20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展,，不僅為許多學(xué)科提供了先進(jìn)的研究手段,，還促進(jìn)了不同學(xué)科之間的交叉與融合，產(chǎn)生了許多交叉前沿,。比如,，研究最微觀世界的粒子物理學(xué)，就和研究最宏觀世界的宇宙學(xué)和天體物理學(xué)發(fā)生了密切交叉,。按照現(xiàn)在公認(rèn)的理論,，宇宙誕生于一場(chǎng)大爆炸。在誕生之初,，宇宙中的能量密度非常高,。我們無法回到宇宙早期去作實(shí)地觀測(cè)，要了解那一時(shí)期的物理規(guī)律,，就必須求助于高能物理,。換句話說，我們必須用粒子物理學(xué)規(guī)律,，去解釋宇宙的起源和演化所涉及的種種復(fù)雜過程,。 上個(gè)世紀(jì)初，英國物理學(xué)家開爾文男爵在展望20世紀(jì)物理學(xué)前景時(shí)說,，物理學(xué)美麗而晴朗的天空中飄著兩朵烏云,。因?yàn)楫?dāng)時(shí)的物理學(xué)看似完美，只有邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)和黑體輻射實(shí)驗(yàn)得不到解釋,。而今天的物理學(xué)天空中,。不能只說是兩朵烏云，而應(yīng)該說是黑云壓城,。盡管20世紀(jì)的物理學(xué)取得了偉大的成就．并對(duì)人類社會(huì)的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn),，但對(duì)宇宙最新的觀測(cè)表明，物理學(xué)只能解釋僅占宇宙成分4％的已知物質(zhì),。宇宙其余96％的成分由暗物質(zhì)和暗能量構(gòu)成——它們的本質(zhì),，物理學(xué)還無法解釋。 “兩朵烏云”成了推動(dòng)20世紀(jì)物理學(xué)發(fā)展的契機(jī)：邁克爾遜一莫雷實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致了相對(duì)論的誕生,，黑體輻射實(shí)驗(yàn)則發(fā)展出了量子力學(xué),，成就了20世紀(jì)物理學(xué)的兩大支柱。同樣,，我們對(duì)暗物質(zhì)和暗能量的全然不知,，是對(duì)21世紀(jì)物理學(xué)的挑戰(zhàn)，也是物理學(xué)發(fā)展的又一個(gè)重大歷史機(jī)遇,。如果LHC能夠找到暗物質(zhì)粒子,，就將成為鉆透黑云的第一縷陽光，徹底改變物理學(xué)天空的面貌——這將是我們對(duì)微觀世界和宏觀世界認(rèn)識(shí)的一次重大革命,。 《環(huán)球科學(xué)》：30多個(gè)國家參與了LHC的建造和實(shí)驗(yàn),，這么大規(guī)模的國際合作在粒子物理學(xué)領(lǐng)域好像司空見慣,。為什么會(huì)形成這樣的合作機(jī)制? 陳和生：粒子物理實(shí)驗(yàn)的研究代表了一種科學(xué)研究全球化的趨勢(shì)。之所以形成一套成熟的國際合作機(jī)制,，首先是有這樣一種需求,。粒子物理研究的能量范圍越來越高，實(shí)驗(yàn)所需的大型科學(xué)設(shè)施也越來越大,。這些設(shè)施所需的資金,、人力、物力和技術(shù),，已經(jīng)超過了任何一個(gè)國家的承受能力,，即使經(jīng)濟(jì)實(shí)力最雄厚的美國也無法獨(dú)力承擔(dān)。因此國際合作是粒子物理研究的唯一選擇,。另一方面,，粒子物理是物質(zhì)結(jié)構(gòu)科學(xué)最前沿的基礎(chǔ)研究，在可以預(yù)見的將來,，不會(huì)產(chǎn)生任何商業(yè)利益,，因此大家比較容易合作。如果存在重大商業(yè)利益或潛在的巨大應(yīng)用前景,，情況就會(huì)復(fù)雜得多,。 LHC的合作能夠成功，還離不開 |
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