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专访粒子物理学家陈和生院士——粒子物理改变人类生活

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对于希格斯粒子或LHC即将带来的其他发现,一旦认识了它们的规律,就可能逐步发现它们的应用,会对人类日常生活产生深远的影响。


1楼2013-12-03 23:03回复
    1984年获美国麻省理工学院博士学位,主要从事高能实验物理研究。他曾主持阿尔法磁谱仪永磁体和主结构系统的研制。1998年,阿尔法磁谱仪搭乘美国“发现号”航天飞机成功地进行首次飞行,成为人类送入太空的第一个大型磁体。目前,他主持的北京正负电子对撞机重大改造工程BEPCⅡ已接近尾声,对撞机性能将提高100倍,预计在2008年夏天开始运行。


    2楼2013-12-03 23:03
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      《环球科学》:随着LHC的建成,粒子物理学将迎来“黄金时期”,涌现出一大批新发现,这已经是许多科学家的共识。粒子物理学的进步,将如何带动整个物理学向前迈进?
      陈和生:20世纪物理学的发展,不仅为许多学科提供了先进的研究手段,还促进了不同学科之间的交叉与融合,产生了许多交叉前沿。比如,研究最微观世界的粒子物理学,就和研究最宏观世界的宇宙学和天体物理学发生了密切交叉。按照现在公认的理论,宇宙诞生于一场大爆炸。在诞生之初,宇宙中的能量密度非常高。我们无法回到宇宙早期去作实地观测,要了解那一时期的物理规律,就必须求助于高能物理。换句话说,我们必须用粒子物理学规律,去解释宇宙的起源和演化所涉及的种种复杂过程。
      上个世纪初,英国物理学家开尔文男爵在展望20世纪物理学前景时说,物理学美丽而晴朗的天空中飘着两朵乌云。因为当时的物理学看似完美,只有迈克尔逊—莫雷实验和黑体辐射实验得不到解释。而今天的物理学天空中,不能只说是两朵乌云,而应该说是黑云压城。尽管20世纪的物理学取得了伟大的成就,并对人类社会的发展做出了巨大的贡献,但对宇宙最新的观测表明,物理学只能解释仅占宇宙成分4%的已知物质。宇宙其余96%的成分由暗物质和暗能量构成——它们的本质,物理学还无法解释。
      “两朵乌云”成了推动20世纪物理学发展的契机:迈克尔逊—莫雷实验导致了相对论的诞生,黑体辐射实验则发展出了量子力学,成就了20世纪物理学的两大支柱。同样,我们对暗物质和暗能量的全然不知,是对21世纪物理学的挑战,也是物理学发展的又一个重大历史机遇。如果LHC能够找到暗物质粒子,就将成为钻透黑云的第一缕阳光,彻底改变物理学天空的面貌——这将是我们对微观世界和宏观世界认识的一次重大革命


      4楼2013-12-03 23:05
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        《环球科学》:30多个国家参与了LHC的建造和实验,这么大规模的国际合作在粒子物理学领域好像司空见惯。为什么会形成这样的合作机制?
        陈和生:粒子物理实验的研究代表了一种科学研究全球化的趋势。之所以形成一套成熟的国际合作机制,首先是有这样一种需求。粒子物理研究的能量范围越来越高,实验所需的大型科学设施也越来越大。这些设施所需的资金、人力、物力和技术,已经超过了任何一个国家的承受能力,即使经济实力最雄厚的美国也无法独力承担。因此国际合作是粒子物理研究的唯一选择。另一方面,粒子物理是物质结构科学最前沿的基础研究,在可以预见的将来,不会产生任何商业利益,因此大家比较容易合作。如果存在重大商业利益或潜在的巨大应用前景,情况就会复杂得多。
        LHC的合作能够成功,还离不开欧洲原子能研究中心(CERN)。它是欧洲20多个国家合作建立的一个大型粒子物理研究机构,具有成熟的合作机制。在这个基础上,再吸收中国、美国、日本、加拿大、印度等其他国家的科研力量,就比较容易进行。如果没有这一基础,国际合作就会非常困难。十多年前,美国超级超导对撞机也想寻求国际合作,最后却夭折了。其中一条重要因素就是,他们不像CERN,没有一个良好的国际合作机制和一个历史悠久的国际机构


        5楼2013-12-03 23:06
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          《环球科学》:我国参与粒子物理国际合作的整体情况如何?粒子物理研究在世界上处于什么位置?
          陈和生:我国现有中国科学院高能物理研究所、清华大学、北京大学、中国科学技术大学、山东大学、南京大学、华中师范大学、原子能科学研究院等多家单位,参加了LHC 4个实验的国际合作。这是迄今为止,中国物理学家在基础科学领域,参与的规模最大的国际合作项目。高能物理研究所参与了CMS和ATLAS两个探测器的建造和安装,还将参与探测器的运行,同时将积极准备物理研究数据分析。
          CMS探测器端盖上的μ子探测器,有1/3由我们高能物理研究所建造,还有1/3由美国的几家大学和研究所合作完成,另外1/3则是俄罗斯完成的。这台探测器由三国科学家共同设计,共同研制,然后分在3个地方大批生产,最后再集中起来组装和调试。三个国家组成了一个统一有机体,共同完成端盖上μ子探测器的建造工作。从这个例子就可以想象,整台对撞机的国际合作规模有多大。
          除了参与CERN的LHC以外,我们还和其他粒子物理研究机构有着密切合作,包括德国汉堡电子同步加速器研究中心、美国费米国家加速器实验室、斯坦福直线加速器中心、日本高能物理研究机构等。在走出国门参与国外合作的同时,我们还在国内开展高能物理实验,吸引外国科学家参与进来,包括北京正负电子对撞机上的北京谱仪、西藏羊八井国际宇宙线观测站和大亚湾反应堆中微子实验等。
          历史上,我国粒子物理研究曾经取得过不小的成就。王淦昌先生在1942年就提出了一种利用轨道电子俘获检测中微子的可行方案。改革开放以后,从北京正负电子对撞机开始,我国的高能物理研究迅速回到了国际前沿,许多成果成了国际粒子物理研究的热点。比如,我们对粲夸克的研究成果,就让一度沉寂的粲物理重新活跃起来。应该说,我国科学家在世界高能物理研究领域,已经占有了一席之地


          6楼2013-12-03 23:06
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