我們常常在科幻電影中看到自由進出微觀物質(zhì)世界的未來科技，這樣的科幻場景正在中國成為現(xiàn)實。在地下一條100公里長的隧道中，或?qū)⒄Q生一臺巨大的“顯微鏡”，可以窺探地球乃至宇宙深處的秘密。

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），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：微觀世界的“超級賽道”

粒子對撞機就像微觀世界的“超級賽道”。在這個精密設備中，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“觀察點”相撞，就像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看不見的物理現(xiàn)象，根據(jù)愛因斯坦質(zhì)能方程E=mc²，我們得知，巨大的能量可以轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。高能碰撞中，瞬間釋放的巨大能量可以創(chuàng)造出日常世界中看不到的種種現(xiàn)象，讓我們有機會窺探微觀粒子的結(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是如何從一個奇點演化成今天所見的浩瀚星空，這就像擁有了一臺“宇宙時光機”，讓我們有機會研究宇宙最初的模樣。

環(huán)形加速器被視作現(xiàn)代物理學最重要的工具之一，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“環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）”，主要研究目標是希格斯玻色子（Higgs boson），這種在2012年發(fā)現(xiàn)的神秘粒子，被形象地稱為“上帝粒子”。它就像魔法書中最核心的密語一樣，被認為能夠賦予其他粒子質(zhì)量。

科學家們希望通過深入研究，解答宇宙中最基本的一些問題：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？

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米子有六種夸克（紫色），六種輕子（綠色）；四種規(guī)范玻色子（紅色）；希格斯玻色子（黃色）。圖片來源：維基百科

環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）就像幫助我們解讀核心密語的工具，中國科學家通過這臺“超級顯微鏡”，有望在基礎物理學研究領域取得重大突破，為人類探索宇宙奧秘貢獻重要力量。

CEPC：科技創(chuàng)新的結(jié)晶

環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）的設計堪稱一項工程奇跡，它體現(xiàn)了多項尖端科技的融合應用。

這個巨大的“賽道”由一個周長100公里的地下隧道組成，相當于250個400米標準跑道首尾相連的長度。在這個龐大的設施中，粒子被加速到接近光速，產(chǎn)生高能量碰撞，其獨特之處不僅在于規(guī)模巨大，更在于效率和精確度。

它每年可以產(chǎn)生數(shù)百萬個希格斯玻色子（Higgs boson），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

令人期待的是，環(huán)形正負電子對撞機（CEPC）有望在2027年開工建設，約10年完工。這意味著它將比歐洲的未來環(huán)形對撞機（FCC）計劃至少提前幾年完成建設，中國很可能在這場科技競賽中占得先機。

挑戰(zhàn)與機遇：打造世界級科研平臺

然而，將“CEPC”這個宏偉計劃變成現(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，從超導磁鐵到精密控制系統(tǒng)，每一個組件都對精度和穩(wěn)定性有極高要求，這就像組裝一只超級精密的手表，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”項目選址，每個地點都存在各自優(yōu)勢，面臨不同挑戰(zhàn)。

CERN LHC對撞機隧道內(nèi)部。圖片來源：維基百科

盡管挑戰(zhàn)不小，“CEPC”項目也帶來了巨大發(fā)展機遇。它將推動中國在多個高科技領域的發(fā)展，從超導技術應用到精密制造產(chǎn)業(yè)都將獲益。更重要的是，它將為中國培養(yǎng)一大批世界級科學家和工程師，為未來的科技創(chuàng)新奠定堅實的人才基礎。

未來，如果“CEPC”項目順利實施，將為人類認識宇宙打開一扇“新窗”。這是一次勇敢的科技嘗試，正是這種探索未知的好奇精神，推動著人類文明不斷進步。

中國提出并推進這一宏偉計劃的戰(zhàn)略信心，彰顯了一個科技大國的雄心與擔當。我們期待這架由中國制造的巨大“顯微鏡”，幫助我們探索更多的宇宙秘密！

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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出品丨科普中國

作者丨郭菲 煙臺大學

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