出品：科普中國
作者：郭菲（煙臺大學）
監(jiān)制：中國科普博覽
在科幻電影中，我們常常看到能夠自由進出微觀物質(zhì)世界的未來科技。而現(xiàn)在，這樣的科幻場景在中國正變?yōu)楝F(xiàn)實。在地下，一條100公里長的隧道中，一臺巨大的“顯微鏡”或?qū)⒄Q生，它可以讓我們窺探地球乃至宇宙最深處的秘密。
這就是中國計劃建造的世界最大粒子對撞機——環(huán)形正負電子對撞機（CEPC），它不僅將推動基礎科學研究的進步，還可能徹底改變我們對宇宙的理解。
揭秘粒子對撞機：微觀世界的“超級賽道”
粒子對撞機就像是微觀世界的“超級賽道”。在這個精密的設備中，科學家們通過精巧而復雜的加速電場讓微小的粒子以接近光速的速度運行，繞過長長的隧道，在特定位置相撞。
當兩束高速粒子在預定的“觀察點”相撞時，就像是在亞原子尺度上制造了一次微型的“宇宙大爆炸”。這種高能碰撞能讓我們觀察到平常隱藏的物理現(xiàn)象，其原因在于，根據(jù)愛因斯坦著名的質(zhì)能方程E=mc2，我們可以得知，巨大的能量可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。因此，在這些高能碰撞中，瞬間釋放的巨大能量可以創(chuàng)造出我們?nèi)粘Ｊ澜缰胁⒉怀Ｒ姷姆N種現(xiàn)象，也讓我們有機會得以窺探微觀粒子的結(jié)構(gòu)奧秘。
更令人興奮的是，這種高能碰撞還能再現(xiàn)宇宙誕生瞬間的高能狀態(tài)。通過模擬宇宙早期的高溫高密度環(huán)境，我們可以更好地理解宇宙如何從一個奇點演化成我們今天所見的浩瀚星空。這就像是擁有了一臺“宇宙時光機”，讓我們有機會研究宇宙最初的模樣。
這就是環(huán)形加速器被譽為現(xiàn)代物理學最重要的工具之一的原因。它不僅是探索微觀世界的“超級顯微鏡”，還是研究宇宙起源的“時光機器”。
裝備于大型強子對撞機（LHC）的緊湊μ子線圈（CMS）偵測器，右下方的梯子凸顯出尺寸大小。
（圖片來源：維基百科）
中國計劃建造的這臺粒子對撞機被稱為“環(huán)形正負電子對撞機”（CEPC）。它的主要目標是研究希格斯玻色子，這種在2012年被發(fā)現(xiàn)的神秘粒子被形象地稱為“上帝粒子”。就像一本神奇的魔法書中最核心的咒語，希格斯玻色子被認為能夠賦予其他粒子質(zhì)量。
通過深入研究它，科學家們希望能夠解答一些宇宙中最基本的問題：為什么物質(zhì)會有質(zhì)量？宇宙是如何演化的？為什么宇宙中的物質(zhì)比反物質(zhì)多？
在標準模型中的費米子有六種是夸克（以紫色表示），有六種是輕子（以綠色表示），除了費米子以外，還有四種規(guī)范玻色子（以紅色表示），以及希格斯玻色子（以黃色表示）。
（圖片來源：維基百科）
CEPC就像是幫助我們解讀這個核心咒語的工具。通過建造這臺“超級顯微鏡”，中國科學家們正在為人類探索宇宙奧秘貢獻重要力量，有望在基礎物理學研究領域取得重大突破。
CEPC：科技創(chuàng)新的結(jié)晶
CEPC的設計堪稱是一項工程奇跡，體現(xiàn)了多項尖端科技的融合。這個巨大的“賽道”由一個周長達100公里的地下隧道組成，相當于250個標準400米跑道首尾相連的長度。在這個龐大的設施中，粒子將被加速到接近光速，產(chǎn)生高能量的碰撞。CEPC的獨特之處不僅在于其規(guī)模，更在于其效率和精確度。它每年可以產(chǎn)生數(shù)百萬個希格斯玻色子，這將讓科學家們能夠以前所未有的精度測量這種神秘粒子的性質(zhì)。
CEPC團隊、國際顧問委員會和《CEPC概念設計報告》國際評審委員會部分成員合影
（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）
更令人興奮的是，如果一切順利，CEPC有望在2027年開工建設，用時約10年完工。這意味著它要比歐洲的未來環(huán)形對撞機（FCC）計劃至少提前幾年完成建設，中國很可能因此在這場科技競賽中占得先機。
挑戰(zhàn)與機遇并存：打造世界級科研平臺
然而，將CEPC這個宏偉的計劃變?yōu)楝F(xiàn)實并非易事。建造如此龐大精密的設備需要突破多項尖端技術(shù)，從超導磁鐵到精密控制系統(tǒng)，每一個組件都要求極高的精度和穩(wěn)定性。這就像是在組裝一臺超級精密的手表，每一個零件都不容有絲毫差錯。
工程方面的挑戰(zhàn)同樣巨大。挖掘100公里長的地下隧道需要考慮復雜的地質(zhì)條件和環(huán)境影響。目前，秦皇島、長沙和湖州三個城市正在競爭CEPC的選址權(quán)，每個地點都有其獨特的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)。
CERN LHC對撞機隧道內(nèi)部
（圖片來源：維基百科）
盡管面臨這些挑戰(zhàn)，CEPC項目同時也帶來了巨大的機遇。它將推動中國在多個高科技領域的發(fā)展，從超導技術(shù)到精密制造，都將受益匪淺。更重要的是，它將為中國培養(yǎng)一大批世界級的科學家和工程師，為未來的科技創(chuàng)新奠定堅實的人才基礎。
展望未來，如果CEPC項目順利實施，它將為人類打開認識宇宙的新窗口。CEPC項目無疑是一次大膽的科技冒險，但正是這種勇于探索未知的精神，推動著人類文明不斷向前。無論結(jié)果如何，中國提出并推進這一宏偉計劃的勇氣，已經(jīng)彰顯了一個科技大國的雄心與擔當。讓我們共同期待這架由中國制造的巨大“顯微鏡”，幫助我們揭開宇宙的更多秘密！
參考文獻：
1. Nature, China could start building worlds biggest particle collider in 2027
2. 王貽芳，建設大型加速器 實現(xiàn)科學夢
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