一维旋科技基本粒子物理学未来展望

用户投稿 2025年08月14日 12:18:03 17 0

基本粒子物理学未来展望

戈登·凯恩1 文王连涛2 译

1. 密西根大学理论物理中心；2. 芝加哥大学

来源：《现代物理知识》

作者简介：

美国著名理论物理学家戈登·凯恩作为美国物理学会Lilienfeld Prize 和Sakurai Prize 双料得主，凯恩教授在超对称理论、希格斯物理学、弦论唯象学、暗物质和宇宙学等诸多领域做出了杰出贡献，他也是未来高能量对撞机项目的坚定支持者。

我们正走在探索自然规律的道路上。我们的目标是理解和认识我们的世界。实现这个目标并不要求解决很多尽管是很有趣的问题，例如黑洞信息悖论和多宇宙理论。我们的理论必须是一个同时有量子理论和引力的完整的理论。因此，所谓的等级问题就无法避免，解决这一问题需要有新物理。等级问题的最终解决需要一个新的对撞机。因为我们在探索未知的前沿，所以这样的探索必将同时带来新的技术和创意，从而产生上千亿的经济效益。产生巨大的经济效益的主要原因是对撞机为这些新的技术提供了孕育的市场。同时，对撞机的发展也有重要的文化效应。

一、我们已经知道什么

经过自哥白尼和伽利略以来四个世纪的发展，我们终于发现了基本粒子的标准模型和建立了宇宙学。从而达到了物理学的在这段历史中的目标，那就是建立一个对我们的物理世界的描述。

我们可以观察到的一切，包括那些必须借助工具才能观察到的在很大的和微小的尺度上的现象，都可以被几条简单而优美的自然规律所解释。在有些情况下，描述这些规律的方程的解可能不容易得到。但是，并没有任何迹象表明我们所用的方程和理论不正确。

基本粒子标准模型的主要部分在20世纪70年代中期就已经建立起来了，这包括描述强相互作用的量子色动力学，以及电磁和弱相互作用的理论。这个大厦的最后一块砖是2012年在欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC)上被发现的希格斯玻色子。早在20世纪60年代，就有理论预言希格斯玻色子的存在。它的存在保证了理论的完备性。从另一个角度看，如果希格斯玻色子不存在，电子将会是无质量的粒子，原子会变得无穷大。这样，我们的宇宙就不会存在。

有时候，人们会质疑我们发现的粒子是不是真正的希格斯玻色子，或者我们发现的粒子只起到希格斯玻色子一部分作用。我们确信发现的粒子是希格斯玻色子的根本原因是其衰变到两个Z规范玻色子的分支比和标准模型希格斯机制的预言相符合。我们从衰变到两个W规范玻色子的道也可以得出类似的结论。但是两个Z的衰变道实验上测量的误差更小，所以我们在这里主要以这个道来论证。如果没有希格斯机制，希格斯粒子是不能衰变到两个Z玻色子的。这一点可以从标准模型的对称性加以理解。

希格斯粒子是同位旋对称群SU(2)二重态的一部分，同位旋为1/2。然而Z规范玻色子是同位旋三重态的一部分，同位旋为1。基于类似于量子力学中角动量相加的规则，1加1是不可能得到1/2的。所以，符合对称性所预言的相互作用是hhZZ。在希格斯机制中，这个相互作用中的一个希格斯粒子得到一个真空期望值(成为一个常数)。从而，相互作用成为hZZ，正像在实验中观测到的那样。如果实验上测量到的hZZ和标准模型的预言相符，那就意味着真空期望值为一个希格斯粒子所有，不可能再有其他的希格斯粒子。

在以上的论证中我们已经可以看到了目前正在讨论的新的对撞机之所以必需的一个重要原因。目前对hZZ相互作用的实验测量值和标准模型预言与标准模型基本符合。但另一方面，10%左右的实验误差留下了存在尚未测量到的对标准模型的偏离的可能性。正在CERN运行的LHC最终会将这个精度提高到5%左右，这还不是很理想。中国提出的环形正负电子对撞机（CEPC）可以将精度提高到0.2%左右。如果结果仍然是和标准模型的预言相符，那么这样的精度会非常令人信服。

二、要充分理解物理世界，

什么是我们必须知道的 ？

1 粒子

我们需要知道组成万物的基本粒子是什么。这个问题的答案是两种夸克，再加上电子。电子是轻子的一种，是一个自旋为1/2的费米子。夸克是类似的粒子，但是它们带有一种新的“荷”。因此夸克之间有一种新的相互作用，即强相互作用。基于它们的不同性质，前面提到的两种夸克的名字叫“上”和“下”。这个图像为一个古老的问题--“万物是由什么组成的？”给出了一个惊人的简单而又优美解答。这比历史上提出的对这个问题的大量的(错误的)答案要简单得多。并且这是一个完全定量的答案，而不是含混的比喻。从恒星到原子，所有我们看到的东西都是由这些粒子组成的。几乎所有组成我们的电子和夸克都是在宇宙大爆炸中产生的。我们的祖先也是由很多电子和夸克组成的。我们有理由相信人类寻找物质最小组成元素的历程已经到了尽头，现在是最后一站。我们预计电子和夸克的大小大致和普朗克尺度(下文介绍)相近。

2 相互作用

夸克被一种“强相互作用”束缚在一起形成了质子和中子。这叫做量子色动力学(QCD)，它基于一个SU(3)对称群。在质子和中子的外面，强相互作用并不完全消失。其剩下的部分就是所谓的核力。核力将质子和中子束缚在一起形成原子核，从而形成化学元素。电磁相互作用将电子和原子核束缚在一起成为原子，并进一步由原子形成分子，从而组成了石头，花朵，咖啡，人，等等。这是一条简单到令人震惊的链条。这些物体又被万有引力束缚在一起形成了行星和恒星，从而使生命(例如恐龙)得以存在。这些相互作用都属于一种特殊的类型，称为杨-米尔斯相互作用，其作用形式和大小都受到制约。

3 规则

只知道基本粒子和它们的相互作用是不够的。如果我们不知道如何运用这些进行计算所依据的规则，我们还是不能描述物理世界。最早的计算规则是F=ma。大约一个世纪以前，规则变成了量子理论和爱因斯坦的狭义相对论。两者的结合又进一步形成了相对论性的量子场论。从大约1930年起，这套规则没有发生变化，然而我们对它们的认识却深刻了许多。这套规则适用于所有的基本粒子和相互作用。

尽管标准模型非常成功地描述了物理世界，但是它本身是不完整的。它不包含暗物质粒子，也没有给出使宇宙早期暴涨的粒子。它不是一个量子引力理论，没有给出中微子质量的起源，也没有解释为什么宇宙中物质多于反物质。

但是只知道什么是基本粒子，它们之间的相互作用以及规则是不够的。我们的目标已和过去不同，我们需要更进一步。这方面最早的进展是在20世纪70年代，当时发展出了大统一和超对称。然后，在80年代又发展出了宇宙暴涨理论和弦理论。基于这些，也许我们已经有了建构一个完整理论的必要组成部分。

物理学杰出的领袖，20世纪上半叶任剑桥大学卡文迪许实验室主任的欧内斯特·卢瑟福曾说：“不要让我发现有人在我的实验室里讨论关于宇宙的问题。”一直到20世纪70年代，我们还是可以找到很多类似的关于物理研究中无法逾越的障碍的言论。但是从那以后，至少对一些人而言这发生了变化。例如，最近斯蒂芬·温伯格说：“过去的科学家绝不只是知识比现代的科学家匮乏，他们对什么是应有的知识和如何去获得这些知识有着完全不同的看法。”

我们的目标是理解世界。过去，我们的目标是理解和描述我们观察到的现象。现在，新的更深入的目标则是为我们的世界找一个量子引力理论，并且解决标准模型所有的不完备之处。建立一个量子引力理论又可以称为以一个完整的高能理论来完成我们用来描述观察现象的低能有效理论。我们把标准模型不完备之处分为四个大问题讨论。

1. 标准模型有一个“等级问题”。 这个问题涉及的技术问题不容易简单的讲清楚。从本质上讲，让普朗克能标和其他更低的能标，比如电弱相互作用的能标，在相对论性量子场论中共存并不自然。这需要完整的理论具有标准模型没有的一些特殊的性质。

2. 标准模型不包含量子引力。 弦理论很有可能可以给出解决这个问题的方案。我们将在下文中解释为什么弦理论是有用的。

3. 我们还需要解释几个宇宙学上的问题。 我们知道宇宙中有多少暗物质，但是我们不知道暗物质究竟是什么。暴涨模型对宇宙早期的演化给出了很好的描述。但是，我们不知道暴涨的起因是什么，以及是什么机制决定了宇宙暴涨了多少。因为这些是宇宙学问题，我们可以暂时把它们放到一边。这些问题的答案也许会为我们解决等级问题提供一些线索。但是我们不太可能由此得到等级问题的完整答案。

4. 物理学中还有几个有趣的问题。 但是解决这些问题不太可能对实现我们的目标有实质性的影响。比如，解决黑洞信息悖论不太可能影响我们对希格斯粒子质量、等级问题或者宇称不守恒的认识。对其他的一些问题，比如为什么空间是三维的、为什么会有相互作用存在或者我们的宇宙是否是唯一的，我们也可以作出类似的结论。很多人在作这些方面的工作，但是这与理解我们的世界并没有紧密的关系。

所以我们看到，如果我们把目标限制在理解我们的世界，我们尚需解决的主要问题是等级问题。只要我们考虑普朗克能标，或者等价地说同时考虑引力和量子理论，等级问题就无法避免。

三、一些有用的设想和概念

1 超对称标准模型

超对称标准模型是一个理论出发点很好的假设，是对标准模型的一种拓展。如果把这个理论中的粒子进行如下的互换：费米子(半整数自旋)↔玻色子(整数自旋)理论并不发生改变。对于各种相互作用的大统一在超对称理论中可以很好地实现。由这个理论还可以导出电弱自发破缺。我们观察到的希格斯粒子的性质也和这个理论的预期相符合。虽然建构这样一个理论不容易，但是仍可以做到。

如果自然界的基本理论真的是有超对称的性质，标准模型粒子的超对称伴粒子,例如gluino, wino and photino (分别为传递强相互作用的胶子，传递弱相互作用的W玻色子，以及光子的伴粒子)，应该最终可以在LHC收集足够多数据后被发现。

2 普朗克能标

自然界有三个基本的普适常数：牛顿引力常数GN；普朗克常数h(量子的单位)；在爱因斯坦相对论中起重要作用的光速c。从这三个常数出发，我们可以组成长度，时间，能量，质量，以及其他任意单位的量。我们预期基本理论应该是由一些简单的关系构成，其基本的单位是普朗克标度：

a. 普朗克长度[L=(hGN/c3)1/2] ~ 10-33cm。这是一个宇宙自然的大小。

b. 普朗克时间~10-43s。这是一个宇宙自然的寿命。

c. 普朗克质量(普朗克能标)1019GeV(大约比LHC的能量高1015倍)

我们的宇宙比普朗克长度要大得多，寿命比普朗克时间长得多。我们所观察的粒子质量比普朗克质量小得多。这些正是需要解释的问题。我们预期弦理论有比我们的三维空间更多的空间维度。这些所谓的额外维卷曲起来成为一个很小的额外空间，大小和普朗克长度差不多。我们巨大的三维空间来自于宇宙暴涨。暴涨和大爆炸产生了我们寿命很长的宇宙。我们不理解的是质量的起源，特别是希格斯粒子的质量。为什么希格斯粒子的质量是在100GeV附近，比普朗克质量小很多。这就是等级问题。

3额外维理论的进展

科学上的进展可以来自于从新的更好的实验装置上来的实验数据，也可以来自于理论上的进展。弦理论是20世纪80年代中期建立起来的，它很可能包含了等级问题的答案。与一些经常听到的说法正相反的是，弦理论在被真正的理解后是可以为实验所检验的。

首先，一个自洽的量子引力理论是建立在10维时空的基础之上。其中一维是时间，其余的是空间维度。一个基于11维时空的理论也是有可能的，那是所谓的M-理论。10维理论和11维理论的区别涉及很多技术细节。为了简化下面的讨论，我们忽略它们之间的区别。于此同时，我们生活在一个四维时空的世界当中。那么，弦理论中那些超出4维时空的额外维是如何处理的呢？我们必须认为它们存在吗？为什么我们观察不到它们？我们又应该如何理解它们？

物理学在过去几个世纪中的发展已经使我们可以接受不合直觉的东西。在这类的例子中，最早的应该是对力的理解。亚里士多德认为需要力来使物体运动。力一旦消失，运动也就停止。直到伽利略和他之后的牛顿才建立起正确的观念，一个物体会永远保持其运动状态，除非受到外力的作用(而亚里士多德的观念似乎对官僚的工作依然适用)。另一个，也许也是最令人震惊的，早期的例子是地球围绕太阳的公转。这好像和我们日常的观察不符，但却是事实。另外一个令人吃惊的事是存在我们肉眼看不见的电磁波。用一个三棱镜可以从太阳光中看到不同颜色的可见光。如果我们再在可见光照到的范围之外放一个温度计，我们可以看到温度上升——这证明了存在我们肉眼看不到的电磁波。

所以也许另一个违反直觉的假想也是正确的，那就是存在我们不能直接观察到的额外的空间维度，因为它们太小了。在20世纪80年代，格林和施瓦兹证明了一个自洽的量子引力理论需要有9个空间维度(加上时间成为10维时空)。这是我们在发展基本理论的时候必须包括的一个内容。这些额外维空间的自然的大小是普朗克长度，所以我们看不到它们。

同时，这些额外维又可以发挥至关重要的作用。如果要描述我们的世界，我们当然需要3个巨大的空间维度和一个时间维度。所以，我们会有6个(或7个，如果从11维时空出发)弯曲的空间维度。理论家在大约一个世纪以前就开始思考额外维了。卡鲁扎思考了只有一个额外空间维的情形。他的工作出现在爱因斯坦发表广义相对论后不久。在广义相对论中，时空的几何结构由度规来描述。我们把5维时空的度规记为gab，a，b=0, 1, 2, 3, 4。其中，我们四维时空的度规是gμν，μ,v=0, 1, 2, 3。卡鲁扎证明我们可以将5维时空的度规写成

gμv Aμ

gab = { }

Avϕ

Aμ可以被诠释为电磁场的矢量势。ϕ是一个标量，我们在这里可以暂时忽略它。这里，令人激动的发现是额外维可以被诠释成相互作用！在卡鲁扎工作的几年后，克莱因，当时还是我现在任职的物理系的一个助理教授，提出了我们观察不到额外维是因为它们弯曲成很小的尺度。这个卡鲁扎-克莱因理论并不能真正的解释我们的世界，然而它却指出了正确的方向。

要让我们的理论描述我们的世界，我们需要10维时空，不仅仅是我们只观察到的4维。10维理论中的额外维弯曲从而成为一个可以描述我们的世界的理论，这个过程称为紧致化。正像一个原子通常是在基态上，我们的世界也会在基态上，这通常被称为是真空态。值得一提的是，一个紧致化的10维世界可以包含我们的世界，包括标准模型的各种相互作用。我们是在这个紧致化的弦理论(或者M-理论)的基态。因为弦理论包括了引力，这就使理论在高能完备(UV complete)。卡鲁扎-克莱因的设想，特别是额外维可以在紧致化后变成相互作用，鼓励我们设想紧致化的弦理论(或者M-理论)是构造一个高能完备而又能描述我们的世界的理论的正确道路。并且，这有希望可以解决等级问题。

紧致化的方案有很多。这在早期曾让人失望，因为大家曾希望真正的量子引力的理论是唯一的。这和标准模型的产生可能有些类似。量子场论是适用于任何粒子和相互作用的规则，并不给出唯一的粒子物理的模型。在20世纪60和70年代，很多不同的关于粒子和相互作用的猜想被提出。每一种都有自己的预言，并接受了实验的检验。在这些猜想当中，标准模型被证明是成功的。但是，原则上也有可能没有一种当时的猜想是正确的，但是聪明的物理学家可以从实验和理论的尝试中找到线索并最终找到正确的方案。

我们现在面临类似的情况。我们懂得如何将几种理论紧致化，包括M-理论、杂化弦理论、二类弦理论以及其他的几种。这些紧致化的理论和我们的世界很像，包含了夸克、轻子和杨-米尔斯相互作用。这样的理论可以产生出来本身非常令人鼓舞。正像标准模型在不同的尝试中最终产生一样，现在我们也在尝试不同的紧致化方案。我们的目标是找到一个能够包含标准模型的量子引力理论，也就是让标准模型高能完备。

你也许会对运用弦理论的必要性产生怀疑，因为很多人说弦理论不可能被实验检验。这个说法是错误的。有人说弦理论是在普朗克能标附近建构的，这比我们在对撞机上可以达到的能量高得多，或者说建构弦理论的时空尺度比我们可以直接观测的小很多，所以弦理论不可能被检验。但是，我们并不是一定要到某一个地方才能了解那里发生的事。我们不可能去访问其他的恒星，但是我们可以知道宇宙中的其他恒星和我们的太阳是由相同的化学元素组成的。谁也没有直接看到宇宙大爆炸，但是有三个很强的证据使我们相信那确实发生过(这三个证据是：宇宙膨胀，核素的合成与宇宙中氦的丰度，宇宙微波背景辐射)。当恐龙在6千5百万年前灭绝的时候，没有人在现场。但是我们还是可以检验恐龙灭绝的原因是不是陨石撞击。

我们所得到的基本理论要包含电弱对称破缺，因此它需要产生在1 TeV以下的电弱能标。同时理论又包含普朗克能标，所以它会有等级问题。要理解我们的世界，我们必须解决这个问题。在一个超对称的理论中，等级问题可以被解决。如果每一个粒子都有一个由超对称预言的伴粒子，那么，这个粒子和它的伴粒子对任何其他粒子的质量的贡献会相互抵消。这样我们就得到一个等级问题的解决方案，并且可以在实验上加以验证。如果这个方案是正确的，这些超对称的伴粒子必须存在。至少它们中的一部分会在LHC或者一个有更高能量并收集更多数据的未来对撞机上被发现。

原则上讲，标准模型可以在普朗克能标以下一直有效。但是，这样我们就无法解释电弱能标，或者说无法解释为什么电弱能标和普朗克能标之间的巨大差距。我们必须放弃从一个基本理论出发真正理解我们的世界。我们到目前为止还没有放弃的理由。紧致化的弦理论或M-理论和我们的世界很接近，经过更多的努力，我们很有可能找到那个可以真正描述我们的世界的理论。不幸的是，并没有很多的理论家在作这方面的工作。

作为一个这方面尝试的例子，我们介绍一下我，Bobby Acharya 教授以及其他合作者的工作。我们提出了一个M-理论的紧致化方案(紧致在一个很小的G2流形)。我们有很好的理由选择这个出发点。这样得到的4维理论自动是超对称的。我们还证明了这个理论可以自动产生理想的通过引力传递的超对称破缺。这个理论有和标准模型相近的粒子谱，可以有宇称破缺，并且有可能容纳和标准模型一样的三代物质粒子。它解决了强CP破坏问题，并且解决了等级问题。这个理论还包含了可以作为暗物质的粒子，以及在宇宙中产生比反物质更多的物质的机制，并且有一个具有和实验相符的质量的希格斯粒子。这是一个没有自由参数的理论。研究这样的理论会是富有成效的。

四、在微扰论的范围内连接

电弱能标和普朗克能标

我们认为电弱能标和普朗克能标的连接可以在微扰论的范围内实现。如果这是对的，那会使我们更有信心地认为巨大的能标之间的差别是可以由理论出发精确计算的。对微扰论的信心主要是基于两个线索。第一，我们已知的相互作用的强度可以在一个比普朗克能标低一点的大统一能标上统一。也就是说，如果我们先假定各种相互作用的大小在这个大统一能标上是一样的。然后，我们用微扰论计算在电弱能标上这些相互作用的强度。我们发现，所得到的结果和我们在电弱能标附近的测量结果相符。如果不同的能标之间没有联系，这就是一个难以置信的巧合。尤其是在超对称理论中，这个大统一的结果很好的成立。这可以被认为是超对称的间接证据。

另外还有一个于此相独立的线索。如果我们在超对称理论中通过用微扰论计算希格斯真空期望值来计算电弱能标。从高能出发，我们可以得到正确的结果。如果这和决定能标间的巨大差别没有关系，这又将是一个巧合。

五、自然性

相比于研究弦理论或者M-理论的紧致化，有些人更喜欢讨论理论的“自然性”。简单的说，自然性就是指无论什么对称性或者机制解决了等级问题，它们一定会预言存在和标准模型的粒子(特别是那些比较重的粒子如W玻色子，Z 玻色子，和顶夸克) 质量相近的新粒子。我们还没有发现这样的粒子，不少自然性的支持者对此表示了担心。

但是，历史表明这样的“自然性”的论证常常会令人误入歧途。顶夸克就是一个很好的例子。当底夸克在1979年被发现后，人们论证说因为顶夸克和底夸克属于同一个电弱二重态，它们的质量应该很相似。首先，斯坦福直线加速中心的对撞机提高了对撞能量在3倍于底夸克质量的范围内寻找顶夸克。没有找到。同时，日本当时正在建造一个新的对撞机 (“Tristan”)在6倍于底夸克质量的范围内来寻找顶夸克，结果同样也没有找到。事实上，顶夸克的质量是底夸克的41倍，远比所谓的“自然”的质量大。而与自然性的论证相反的方法从基本理论出发预言质量。顶夸克最终是在1996年在费米实验室被发现的。

寻找超对称伴粒子的情况和这个类似。没有理由认为自然性可以完全预言这些伴粒子的质量。如果它们的质量和标准模型的粒子相近，那很好。但是我们不知道为什么必须是这样。现在从实验上可以得出的结论是胶子的超对称伴粒子的质量至少是顶夸克质量的15倍以上。

六、未来对撞机

我们接下来讨论未来的对撞机、中国在这方面的方案和建造对撞机的经济文化影响。必须指出的是，无论在物理上得到什么结果，建造一个世界领先的对撞机对经济发展带来的促进要比对撞机本身的花费大。我们要在新的高度上探索自然，我们必须要有新的或者改进的技术。这些新的技术一旦出现，它们将会带动新的经济增长。对撞机的建设为发展这样的新技术提供了最初的有保障的市场，以此从这里延伸来发展技术远比新创立的技术公司更容易成功。

中国提出了自己的对撞机方案。首先计划建设一个正负电子对撞机，CEPC。这是一个坐落在一个很长的隧道当中(周长大约一百千米)的环形对撞机。建造这样一个对撞机有很强的物理目标。最主要的目标我在前面已经强调过，那就是探索到底希格斯玻色子和标准模型的预言有多接近。目前的实验测量的误差还不小(10%~20%)，对标准模型的偏离还有很大的空间。LHC可以最终达到5%的精度，而CEPC可以提高到0.2%。这样的结果会成为进一步拓展标准模型的重要线索。另一个重要的目标是在正负电子对撞机上寻找与希格斯粒子类似的粒子。

除了环形正负电子对撞机之外，世界上还有两个建设直线对撞机的方案。

1. 国际直线对撞机（ILC），计划在日本建造。第一阶段的对撞能量比较低，主要测量希格斯玻色子的性质。其建设资金需要大量国际投入，目前还没有达成这个目标。

2. 紧凑直线对撞机 (CLIC)，计划在欧洲核子中心建造。目前正在预研过程中。它可能作为欧洲核子中心的长期预算的一部分而得到资金建造。这要等到LHC的亮度升级之后，也许还要等到LHC的可能进行的能量升级之后。

以前，不同的国家和地区也同时有过自己运行的对撞机。

对比其他的方案，环形正负电子对撞机有一个很大的优势。那就是如果需要的话，它可以继续发展为第二阶段，一个高能质子对撞机。这可以在同一个隧道中进行建设。欧洲核子中心的对撞机正是这样发展的，大型强子对撞机(LHC)和之前的大型正负电子对撞机(LEP)用的是同一个隧道。一个质子对撞机也可能有不同的阶段，先可以是基于现有的强磁铁制造技术，在磁铁技术进一步发展以后再提高对撞能量。

LHC或CEPC可能发现新物理的最初征兆。如果是这样，我们接下来需要发现所有的新粒子并研究它们的性质。W和Z玻色子是20世纪80年代在欧洲核子中心发现的。随后，正负电子对撞机LEP在CERN建成。它运行了十多年，检验标准模型和其他可能的模型的预言，最终确立了标准模型。然后在同一个隧道里，LHC在更高的能量进行质子对撞，并发现了希格斯粒子。这样一个更高能量的质子对撞机SPPC，在中国也作为CEPC后继续发展高能物理实验的一种可能性被提了出来。在设计CEPC的隧道的时候需要明智地考虑到以后继续发展的需要。

七、和未来实验装置相关的

一些特殊问题

在20世纪80年代后期，美国开始建造一个超级超导对撞机(SSC)。在已经投入了几十亿美元和完成了1/3的建设工程之后，国会撤消了这个项目。中国在这里能汲取什么经验教训呢？表面上，这个项目的撤销有不少直接的原因。但是，主要有两个更深层的原因。首先，SSC选择了一个过高的对撞能量--40TeV，这是费米实验室Tevatron对撞机的20倍。与此相比，LHC只作到了Tevatron 7倍的对撞能量。做出这个过份的决定是因为当时已经知道欧洲核子中心的LHC会有14 TeV的对撞能量，美国的对撞机必须比这个大上几倍，这样对于国会来说会好看一点。因为这样的政治原因，美国没能够以更小的步子前进。把能量增加这么多导致了费用超出预期，这主要是由于当时并不清楚如何才能实现如此大能量的提高。第二个深层的原因是国会不理解，或者没人向他们解释清楚建设对撞机的经济效益。如此的大装置的建设会带来比投资更大的经济效益，但是没有人对国会和政府做过关于这方面的清晰的论证。

八、对撞机项目对经济的影响

主要以LHC为例，我们来看一下对撞机项目在几个领域对经济的影响。其中一些例子还要溯源到费米实验室和粒子物理学更早期的发展。我们预期未来的对撞机会对经济有类似的影响。

1. 最大的影响是在一个完全出乎意料的地方--全球资讯网。这是由一个博士后在欧洲核子中心发展出来的技术。他当时的目标是让世界各地的大学和实验室能够得到和分析在欧洲核子中心的数据。伯纳斯·李创造了基于网络实现的hypertext的概念。当时，互联网(internet)已经存在，但是却还没有全球资讯网。这样，在欧洲核子中心建设LEP对撞机最终导致了亚马逊、Facebook和谷歌等公司的出现。这对经济的影响无疑是巨大的，估计超过一万亿美元。

2. 储存并处理在LHC产生的海量的数据的需要催生了链接很多计算机的网络分布式计算和云计算。这些是很多基于网络的业务的关键技术，包括网络购物和社交平台。

3. 加速器是一个价值数十亿美元的产业，包括在医学治疗、医用同位素生产和半导体粒子植入等方面的应用。目前全球有大约4万台左右的加速器。

4. 粒子物理的探测器技术是一个价值几十亿美元的成像产业的基础。这项技术和手机有直接的联系。

5. Scientific Linux 操作系统是2004年在费米实验室为了加速器装置被开发出来的。一个叫GEHealthcare的公司意识到他们需要类似的操作系统，于是就采用了Scientific Linux。目前，全球有超过3万台的医学成像设备运用基于Scientific Linux的系统去寻找断骨，肿瘤，器官损伤，等等。这个数字几年内会翻一番。类似这种对经济的巨大好处是可以具体估算的。

通过以上例子，我们可以定性地知道对撞机的建设对经济的好处是巨大的，未来对撞机的建设也将如此。这里再提两个有定量结果的例子。

1. 为了分析粒子物理实验中的碰撞事例，多年来实验组开发了两个软件，ROOT和Geant。目前ROOT在物理学研究之外有2万5千个用户，特别是在金融领域。Geant 在医学上被普遍用来模拟辐射损伤。我们可以用同等功能的商业软件或开发类似商业软件的价格来估计这些软件对社会的益处，这两个软件的效益共值60亿欧元。

2. 一项由欧洲核子中心的研究派生的技术--Advanced Accelerator Applications最近被Novartis用39亿美元买下。

对于很多类似的例子，我们都可以做这样可靠的经济价值估算。

从Robert Solow开始，经济学家几十年前就提出一半以上的新工作机会是由科技板块产生的。在Science一篇文章中( vol 344, p41, April 2014)，J.Owen-Smith 等评论说：“很多小的商家都依靠在国家资助下的科学研究的成果来开发新的产品和服务“，“科学研究的成果在高技术产业中常有出乎意料的反响，即便这些产业集中在离当初的经费支持对象很远的方向上”，“科研经费的变动更有可能带来全国性的变化，而不是局部的变化“。

在第三次产业革命的最初几十年间，高能物理是一个领导力量。下一代高能物理的实验装置会对数据获取、存储和访问权限以及材料和技术提出新的要求。这会带动新的技术革新，成为第四次产业革命的动力。

九、超越经济以上的影响

对中国而言，建设一个新的目标远大的前沿科学工程最大的好处也许是它能吸引很多聪明的年轻中国人投入由好奇心驱使的科学研究。在这个过程中，青年人会对很多不同的科学领域发生兴趣，并投身其中，极大地加强中国在科学研究和创新上的实力。在欧洲核子中心毕业的博士中，大约有一半加入到工业界或和转入粒子物理不同的方向，加强了那些领域。在通过在欧洲核子中心的研究得到博士学位的研究生中，大约有四分之一在粒子物理研究方面得到永久职位。

高能物理实验对社会的贡献并不只是经济上的。很多人的生活质量因此有了提高，延长了寿命，可以更好地和儿孙们以享天年。有没有其他的办法可以代替像CEPC 和SPPC这样的高能对撞机来发现新粒子，或者排除其存在的可能性，或者研究很多新粒子的性质，或者解决

等级问题？答案是否定的。

现在有新的巧妙的办法可以把质子或电子(或者两者都可以)加速到更高的能量。但不幸的是，这些新的方法所产生的对撞亮度都太小，不可能产生足够的碰撞事例来做出新的发现。在LHC发现希格斯粒子的信号，并确认那不是可以和它很像的噪音，需要每个探测器能探测到20万个碰撞事例。在SSC的年代，有人号称新的磁铁技术(例如基于高温超导)将会替代当时已经广泛使用的超导磁铁。几十年过去了，这种新的磁铁技术还是没有发展出来。并且，我们现在对这个领域有了更深入的理解，那样的技术是不太可能存在的。

那么，我们是不是可以寄希望于发展出新的理论概念或者理论工具，从而不依靠实验装置也能推动物理的发展？不行。当然新的想法可以产生新的理解和领悟。但是，没有实验数据，我们不可能知道理论是否真的描述自然界或解释其规律。如果没有希格斯玻色子的发现，很多物理学家仍然会对希格斯机制是否是夸克、轻子以及W和Z玻色子质量的起源抱有怀疑。也会怀疑是否是希格斯场给了我们的真空非零的量子数。即便是在发现了希格斯玻色子之后，还有人试图拒绝接受这样的解释。新的理论必然是非比寻常的，没有实验数据，它是不会被接受的。为什么被接受很重要？一旦足够多的人接受一个新的东西，物理学界的注意力就会集中在上面。很多理论家会发展它，实验家会检验它，这个领域就会更快地向前发展。

是不是天体物理和宇宙学的新结果，例如对宇宙微波背景辐射的测量，可以为解决等级问题提供和LHC以及未来对撞机类似的信息呢？不能。没有从这些方面来的结果可以告诉我们和希格斯玻色子的性质有关的信息(比如它的质量，它和标准模型预言接近的程度等等)。这些结果也不能给我们提供关于宇称破缺的起源，相互作用的统一，顶夸克质量的来源，等等很多问题的信息。自然，这也不能告诉我们等级问题是如何解决的。

我们是不是应该担心一个大型的对撞机是否能在中国成功地建成并取得成果？中国的粒子物理学界已经成熟了。他们已经掌握了较低能的对撞机的相关技术，并在北京正负电子对撞机上取得了成功。很多中国粒子物理学家在国际上大的对撞机实验室工作过，例如欧洲核子中心和费米实验室。很多正在LHC上工作。当今建造对撞机已经是较为成熟的技术。对于预算和耗时的估计都会经过专家审定，会基本上正确。如果中国开始这些前沿的科学装置的建设，国际专家自然会加入到其中帮助这项工作取得最大的成功。

尽管中国的人均国民生产总值（GDP）并没有发达国家那么高，中国的国民生产总值却已经是世界上最大的之一。中国可以负担得起一个新的对撞机。基于美国国家科学基金2018年科学和工程指标的估计，中国在研发上的总体投入已经和美国一样。王贻芳指出，CEPC(甚至SPPC)的造价在国民生产总值中所占的比重不会超过(在科学上非常成功的)北京正负电子对撞机的造价在当时在国民生产总值中所占的比重。

中国已经有几个中等规模的科学工程，例如刚成功投入运行的散裂中子源。这个项目由高能物理研究所负责运行，是世界上四个类似的装置之一。中国正在开始建造另外4个中等规模的项目，软X射线自由电子激、光源、加速器驱动系统以及高亮度重离子加速装置。但是，中国还没有在一个领域有世界领先的装置。一个在探索自然的过程中对粒子物理的研究作出过巨大进展的国家会永垂青史。这个国家的科学工作者会得到应有的奖励和认可，国家的实验室会成为这个领域的世界中心，就像现在的欧洲核子中心一样。

十、结束语

我们看到未来的实验装置可以将我们对自然界的认识推向一个新的更深的层次。无论最终物理上的结果是什么，必然会带来更大经济效益的投资。同时，在文化上也会带来强大的优势。

拥有一个成功的量子引力理论会改变我们的世界观(即便我们不关心量子引力本身)。标准模型中的物质粒子可以包含在一个量子引力理论中。这将是一个在高能完备的理论。弦理论太重要了，我们不能只是将它留给弦理论家作这方面的工作。一个量子引力的理论使我们必须解决等级问题。解决等级问题是我们理解世界的至关重要的一步，这是我们的目标。（全文完）

本文选自《现代物理知识》2019年第1期时光摘编

来源：中科院高能所 编辑：AI

近期热门文章Top10

↓ 点击标题即可查看 ↓

1. 物理定律告诉你，爱情的真相有多么残酷！

2. 玉皇大帝到底住在平流层还是对流层？

3. 玻璃球里的花纹是怎么弄进去的？看完童年之谜终于解开了

4. 不要模仿！把两颗葡萄一起放进微波炉，能烧得你家都没了

5. 仰望星空100年

6. 不知道这些，别说你看懂了《流浪地球》

7. 如何批量制造钻石

8. 杨-米尔斯理论说了啥？为什么说这是杨振宁超越他诺奖的贡献？

9. 怎么避免上厕所没有纸？看完这篇文章你就懂了

10. 牛顿棺材板压不住时，请祭出此物防身！

MIT 曹原的16 天，1 篇 Science、2 篇 Nature，魔角石墨烯“旋之又旋”

MIT 曹原及其团队魔角石墨烯又双叒叕发顶级期刊论文了！半月内 “三连发”，1 篇 Science、2 篇 Nature！

这里面的 “又” 字，通过堆叠顺序的变化，生成了四个汉字，读音各不一样，意义不尽相同。这样重复一个单元，排列成不同的周期的例子，在物理和材料学界，叫 “布拉菲晶格”。

这次，曹原及其团队在 Nature、Science 连续发表的三篇论文，与 “晶格” 有密切关系，揭示了一系列新的物理现象，正式启动了后石墨烯转角电子学时代。

DeepTech 采访到哈尔滨工业大学甘阳、山西大学光电研究所韩拯、香港城市大学李丹枫、上海科技大学物质科学与技术学院刘健鹏、武汉大学物理科学与技术学院吴冯成（按受访者姓氏排序），共同解析曹原及其团队的最新的研究以及讨论魔角石墨烯领域的奥秘。

首篇 Science：电子运输特性的进一步延展

4 月 16 日，曹原及其团队在 Science 以“Nematicity and competing orders in superconducting magic-angle graphene” 为题发表相关研究成果。

图丨相关论文（来源：Science）

研究人员通过使用横向电阻测量，发现一个强各向异性相位于超导圆顶的欠掺杂区域上方的 “楔形区” 中。在某些区域，他们观察到系统临界温度降低，表现出类似于某些铜酸盐超导体的行为。

此外，超导状态下所表现出的与方向相关的对面内磁场的各向异性响应，揭示了整个超导圆顶之上向列相的存在。实验结果表明，向列波动可能在魔角双层石墨烯（MATBG）的低温相中起重要作用，并为使用高度可调谐的莫尔超晶格结构研究量子材料中相互缠绕的相铺平了道路。

在魔角双层石墨烯的超导相中，随着电荷浓度的增加，超导转变处的电阻对面内磁场响应从各向同性变为各向异性。这说明超导态的母态可能存在向列序（一种整体有固定取向的，像液晶一样的序，这个序使晶格的旋转对称性自发的破缺）。

这项研究虽然与一些理论和扫描探针的向列序实验结果相吻合，但目前仍需要进一步理解魔角石墨烯中超导机制。

“从技术层面上看，这篇论文的研究是根据之前一系列研究基础，在电子输运特性研究方面的进一步拓展和细致化延伸。这项研究的完成，依然是依靠高质量魔角双层石墨烯器件的制备。” 李丹枫说。

图丨魔角石墨烯器件的表征（来源：Science）

李丹枫认为，该研究的实验上难点在于：面内磁场下随磁场旋转角度改变，对于系统磁阻的准确测量。这一系列测量通常需要在可以进行面外磁场自补偿的向量超导磁体系统中完成，设备要求较高。并且由于魔角双层石墨烯系统中面外临界场相对较小，如想要完成相关测量并得到有意义的数据，实验过程则需要十分精细。

此外，样品的不均匀性可能对超导态的形成以及相关各项异性测量造成影响。正因为如此，在该研究中研究人员测试了不同的器件，且采用了具有最高超导转变温度的器件作为代表，尽可能排除系统中外因无序性的影响，以证明所观察到的特殊电子态具有普遍性。

图丨魔角石墨烯超导圆顶附近的相位（来源：Science）

李丹枫告诉 DeepTech，电子有序态的表征以及面内磁阻各项异性的测量，对进一步通过电子输运方法深入研究该系统相图中不同处费米面特性以及发现新的“关联”电子态，有很大的启发意义。

谈及该研究进一步的提升空间，李丹枫认为，接下来的工作亟待进一步细致阐述样品（器件）局部不均匀对系统各向异性的可能影响：尤其是在临界电流的测量实验中，一些特定载流子浓度下，本项研究观测到所测量器件中存在有不同的临界电流密度值；这一现象可能与样品中存在不同取向或者不同转角的电子畴相有关 —— 这些畴结构会对系统表现出的各项异性造成一定影响。

另外，关于系统的各向异性特征是否完全由于电子向列相引起，还可做进一步的综合研究。除去研究结果中所述电子向列相的可能影响之外，有关系统中超导涨落（涡旋结构）对横向电压（霍尔效应 Rxy ）和系统输运特性（特别是各向异性）的可能影响，应是未来进一步详细研究的重点。

总结来看，这篇论文在魔角双层石墨烯系统中发现了新的电子形态，进一步构建了该系统的复杂相图，丰富了该系统的物理内涵。

两篇 Nature：为双层魔角石墨烯提供有趣图景

而就在这篇 Science 之前不久，曹原及其团队于 4 月 1 日及 4 月 7 日，分别发表了两篇Nature，题目为 “Flavour Hund’s coupling，Chern gaps and charge diffusivity in graphene”、“Isospin Pomeranchuk effect in twisted bilayer graphene”。

图丨相关论文（来源：Nature）

曹原及其团队设计的这项实验，分别采用碳纳米管单电子隧穿晶体管、单层石墨烯两种探测方式来测量双层魔角石墨烯的局域和全局电子压缩率（定义为电子浓度对其化学势的微分），发现了 moiré 超胞在 1 个电子填充附近存在 “类 Pomeranchuk” 效应 - 磁场驱动下低熵电子液体到高熵关联态的转变行为。

MATBG 体系中的电子具有局域于莫尔格点位置的特殊性，因此作者提出将上述发现与原子空间局域化的液体 3He 加热时发生固化的 Pomeranchuk 效应（固相具有高的过剩核自旋熵）进行类比。

图丨 MATBG 的化学势与温度和温度的关系平面磁场（来源：Nature）

随着温度升高，即使能量区间（直到 70 K）远高于超导态中的能量范围，也发生了从费米液体相到自由磁矩相的一级相变。“这项复杂而精巧的实验为进一步研究转角魔角石墨烯中关联电子的热动力学行为提供了思路。” 刘健鹏表示。

对体系的化学势进行了平均场估计，发现同样在整数 1 电子填充因子时化学势具有钉扎（稳定化）现象可以稳定存在到约 20 K，推测是体系的库仑排斥作用和电子交换能均不为零，由此产生的味对称破缺导致了相变的发生。提出与经典的电子填充洪特耦合规则进行类比，可以更好地理解交互作用导致的上述化学势稳定化和相变（负电子压缩率）。

图丨装置结构和化学势演示测量（来源：Nature）

利用全局电子压缩率的测量，在弱磁场诱导下，在 moiré 超胞所有 0，1，2，3 的整数电子填充下分别观测到陈数为 4，3，2，1 的陈绝缘体态和量子霍尔态。进一步通过变温扫描得出电荷有效扩散度（正比于电子压缩率倒数与电导的乘积）与冷原子中的奇异金属（strange-metal）相类似。“这些实验分别从不同的角度，不断完善着魔角石墨烯这份‘奥秘拼图’。” 吴冯成说。

甘阳认为，基于魔角旋转双层石墨烯（MATBG）这一独特的平电子能带体系，进行了温度（至 70 K）和磁场（方向和强度）可控的热力学特性和输运性质测量，提供了扎实的实验数据，为进一步深入理解包括高温超导和复杂量子体系在内的电子强关联体系的微观机制提供了新视角，更为相关理论的进一步发展提供了必需的 “局限” 条件。

“最有趣的是，这次的研究提供了 MATBG 中电子及磁矩运动微观机制的有趣图景，并建立了与常规体系的类比，非常有助于今后对该体系奇异性质的研究进行形象化的思考。” 甘阳表示。

图丨实验阶段图（来源：Nature）

关于石墨烯领域的未来探索，甘阳表示，可以探索在实验上实现 MATBG 样品的魔角分布在更大范围（几百微米或毫米级）内高度均匀（目前仅几微米），会有助于进行魔角精准可调样品的宏观物性研究。另外，在准一维纳米带 MATBG 体系科研着手相关研究，以揭示维数对强关联电子特性的影响规律。

图丨实验设置和设备表征（来源：Nature）

“旋之又旋” 的魔角石墨烯，奥秘在哪？

2018 年，22 岁的曹原及其导师 Pablo Jarillo-Herrero 关于魔角双层石墨烯研究的重大突破在 Nature 同一天连续发表两篇论文。

图 | 曹原和他的导师 Pablo Jarillo-Herrero （来源：MIT）

他们首次发现，在转角双层石墨烯系统中可以实现包括超导态在内的多种量子态并存的物理现象，其中包括许多可能与电子强关联有关的 “多体” 现象，并表现出类似于高温超导体系中的许多电子关联现象。

两层原本不超导的石墨烯通过扭转 1.1 度（魔角，magic angle）的操作，实现了首个碳基材料中电压可调控的本征二维超导（转变温度比液氦温度稍低）。

图丨德州大学奥斯汀分校的物理学教授 Allan MacDonald 和博士后 Rafi Bistritzer 最早在理论上预言了 “魔角石墨烯”（来源：David Steadman, David Steadman /University of Texas at Austin）

最初，研究人员在该超导相附近还看到了一些关联电子特征（体现出一种绝缘性质），特别类似高温超导的电子掺杂浓度和温度的相图。或许，这 “黑不溜秋” 的碳，可以实现更高温度的超导？

人们对此结果兴奋不已，因为这一个小小的 “旋转” 操作，仅仅通过改变两片碳材料的转角，形成莫尔超晶格，就能彻底改变材料的本体性能。“也就是说，人们仿佛拥有了一双上帝之手，可以直接在原子尺度构建自然界中原本不存在的超晶体。”吴冯成表示。

这些现象存在于以碳为元素的石墨烯系统中本身就有许多未解之谜，自此掀起旋转电子学（twistronics）领域热潮，科研界不断重复实验，寻找是否其他材料也可以经过 “扭一扭” 而表现出超导性质。“魔角石墨烯” 的研究相关成果接连登上 Science、 Nature 等顶级学术期刊。

短短的三年时间，该领域的研究者蜂拥而至，人们开始对转角石墨烯体系进行系统的理论和实验研究，发现在转角双层石墨烯中除了超导之外，亦存在如关联绝缘态和量子反常霍尔态诸多新奇的量子物态。这些新奇量子物态产生的主要原因是魔角双层石墨烯中存在具有非平庸拓扑性的平带。

图丨 2018 年 Nature 杂志封面图片致敬曹原发现的 “魔角” 石墨烯（来源：Nature ）

同时科学家也发现，魔角并非产生上述新奇量子态的唯一条件。在魔角附近由于转角石墨烯的能带带宽会变得非常小，体系动能被强烈抑制，从而让电子间库伦关联效应占主导地位。

“电子间库伦作用在转角石墨烯体系中的一个主要作用就是会让体系的一些对称性，如时间反演对称性、C3z 对称性、电荷守恒和谷电荷守恒等，自发的破缺，从而产生上述一系列新奇的量子态。因此，我们看到，魔角的存在是为电子库伦关联效应提供了一个理想的平台，让多种自发对称性破缺态在转角双层石墨烯中各展拳脚。” 韩拯告诉 DeepTech。

这一系列新奇的自发对称性破缺量子态不仅在魔角双层石墨烯中出现，在其它具有拓扑非平庸平带的摩尔石墨烯体系中亦会出现。这也是为什么在 ABC 堆垛三层石墨烯与氮化硼构成的异质结体系中也观测到了超导态和量子反常霍尔效应。紧接着，在转角双层 - 单层石墨烯、转角双层 - 双层石墨烯体系亦观测到了类似的新奇量子态。

“石墨烯三层交替转角中也存在超导，且符合理论上的 '魔角' 特征，即该体系的动能在某些特定的角度会被压缩到一个极小的能量范围。而交错转角三层石墨烯体系中的第一魔角大约是 1.5°，约是转角双层石墨烯的根号 2 倍，这也可以用转角石墨烯体系的赝朗道能级图像予以解释。” 刘健鹏说。

韩拯表示，石墨烯 “旋之又旋” 的转角操作，是一种能带工程：通过改变晶体周期性结构，设计人类想要的电子能带结构。众所周知，晶体材料在常温常压下，有一种或多种可以稳定存在的结构，这些结构的元素在原子尺度的排布对称性，决定了它们所有的物理和化学性质。人们早就开始尝试实验上的能带工程，例如，传统静水压利用金刚石对顶砧产生接近 500GPa 的压力来压缩晶体，以获得新的材料晶格、电子能带和物性。

“二维转角材料的 moiré 超晶格周期可以是原始晶格的数百倍，超过了传统静水压能调控晶格的参数范围，是目前固态晶体材料中通过改变晶格对称性达到能带调控的最特殊体系，没有之一。” 吴冯成说。

图丨石墨烯概念图（来源：Pixabay）

那么，除了国外的相关研究，在国内的魔角石墨烯领域发展情况如何呢？

以部分高校研究为例，南京大学与哥伦比亚大学共同发现，过渡族金属硫化物的转角体系，不需要魔角就能实现超导；复旦大学研究发现材料的转角堆叠次序，能够改变磁性；清华大学研究发现传统高温超导旋转之后超导特性也另有乾坤；物理研究所能够用纳米针尖精准操控两层石墨烯的原子层次可控折叠。

原子级转角二维材料体系的优势在于，在同一器件中，可以在较大范围内连续调控系统特性。“由于可选择的材料体系较丰富，系统可调控的自由度又较多，材料体系相对干净，这些体系构成非常独特的、用于研究与不同自由度和对称性（破缺）相关物理特性的材料平台。我相信未来还会有许多非常有趣的物理现象会被发现并报道出来。”李丹枫说。

谈及该研究的最重要的科学价值，李丹枫表示，除了之前发现的诸多量子物理现象外，这次研究进一步揭示了电子在超导态之外可能还存在着未知且有趣的特殊有序态（如向列相或层列相等）。这一特殊有序态的存在应为电子关联作用的结果，并形成和超导相的竞争状态。这一现象可能深刻影响库伯对和超导态的形成，对超导波函数的对称性形成影响。

韩拯认为，单层石墨烯原子晶体转角体系对于世人的启发，在于开启了一个利用取之自然的晶体，以构建超越自然的超晶格的时代。这个伟大的发现，将进一步激发人们如何来私人定制超晶格，揭示更多物理现象，并随之开发新的操控或测量手段。相关的未来应用，或许很快就能来临。

道家有言：玄之又玄，众妙之门。

对于物理学家而言，原子晶体界面的 “旋之又旋”，现在才刚刚开始。