人类对物质结构不断深入的研究，都源于好奇心。

那时人们从来没有问过研究物质更深层次能有什么用，而是对它有兴趣，

在这些研究中不断发现了很多有用的东西。

科学发展最主要的动力，就是我们的好奇心。

【演讲专家】

王贻芳

中科院高能物理研究所所长

对宇宙的思索，对物质世界的探索是人类的自然本能。从物质结构来说，原子学说提出后，发展出了分子学说，之后发展出现代意义上的化学。1905年，英国物理学家卢瑟福通过实验发现原子内部有原子核，导致了原子核物理的研究。上世纪60年代，物理学家发现了夸克，对物质结构有了更深层次的认识，产生了新的学科——粒子物理学，或者叫高能物理。

▲英国著名物理学 家、1908 年诺贝尔化学奖获得者欧内斯特·卢瑟福（图片来自网络）

粒子物理的无穷小与宇宙学的无穷大

粒子物理研究简单来说就是无穷小，需要搞清楚世界最小是什么。我们目前的研究最小到夸克级别。宇宙学是另一个极端，他们研究无穷大。对整个宇宙我们还有很多未了解的问题，宇宙学中有三个主要问题我们还不清楚，就是反物质、暗物质、暗能量。

简单来说，暗物质是我们看到宇宙中很多不发光但存在引力相互作用的物质。

反物质与宇宙大爆炸有关。在爆炸时我们认为这一刻总电荷为零，正电荷和负电荷粒子分别存在，自然可以想象爆炸后产生的物质和反物质是一样的，但我们现在看到的都是普通物质而没有天然的反物质。我们看到的都是质子外面有一个电子在围绕它旋转，从没见过一个正电子围绕一个反质子转，这就是反物质消失之谜。我们为这个谜付出了很多努力，但目前还未解决。

暗能量是宇宙加速膨胀带来的问题。在牛顿力学中，如果物体被加速一定有力的作用，那么宇宙在加速膨胀，力是哪里来的?我们还不知道，只能认为宇宙中均匀存在一种暗能量，给了宇宙加速膨胀的力。

为了了解宇宙的起源，我们需要粒子物理学和宇宙学配合起来。粒子物理中的无穷小和宇宙学中的无穷大有着非常深刻的关系。研究粒子物理学里的无穷小，就要研究物质的内部结构，唯一的办法就是将其打碎，越小的物质将其打碎所需的能量越高。宇宙学中的无穷大可以简单用宇宙大爆炸早期高温和高能量状态来说明，宇宙早期爆炸和膨胀以及之后的演化规律与我们粒子物理学现在研究的规律完全一样。所以通过粒子物理学的研究可以发现宇宙早期到底是怎么回事，遵从了什么样的规律。

▲物理学中的标准模型，它们共能组成61种粒子，希格斯玻色子不属于规范玻色子（图片来自网络）

粒子物理研究离不开加速器

现代自然科学中有三个最重要的前沿。物质的基本结构、宇宙的起源和演化这两者在粒子物理与宇宙学中有交融，这也是我们高能物理研究所的工作。第三个是生命的起源和本质，也需要粒子物理学提供研究手段。

粒子物理研究需要建造大量的加速器，这些加速器会产生X射线和中子，可以用来研究物质的结构。医院里就有X光机，加速器可以产生比医院X光机高上亿倍强度的通量，可以用于研究蛋白质的结构和其他材料的结构。

物质科学是一切现代科学的基础。粒子物理学的目标是研究哪些基本粒子组成了物质，它们之间的相互作用，以及它们各自的性质，最后是宇宙的起源和演化。粒子物理的三个前沿分别是高能量(粒子能量越来越高)、高强度(粒子数量越来越多导致精度的提升)，以及与宇宙的起源和演化相关的研究。

粒子物理研究主要依赖加速器，等于有了显微镜。但我们还需要眼睛，也就是谱仪。电子对撞的过程需要用探测器检测出来。把对撞点用各种探测谱仪包起来，就能看到对撞产生的次级粒子，以便于我们重建过程，理解过程和物理规律。

当然，粒子物理中也有不用加速器的物理实验，如宇宙线和中微子的探测，有在天上有在地下。但总体来说，非加速器实验使用的是天然源，是不可控的，有一定局限性。

基础研究带来广泛应用

粒子物理研究最终产生了广泛的应用。加速器就是个例子，目前全世界大约有3万5千台加速器，其中一半以上用在医院。我们日常生活和加速器密切相关，离不开加速器，如超市卖的海鲜很可能是用加速器做过消毒处理，否则很快就会腐烂变质。医疗用品很大一部分是通过加速器消毒。还有家用电缆的阻燃，安检设备，石油测井，空间实验等等都用到了加速器。

从科研角度来说，加速器的研制还带来了同步辐射和散裂中子源的发展。我们中国现在刚有第一台散裂中子源和三台同步辐射光源。它们可以比喻成巨型X光机，是科学研究必备的手段。它们对其他学科有巨大的推动作用，化学、生物、材料、地质、环境都离不开它们。北京高能同步辐射光源即将在怀柔开始建设，预计2018年年底开工，2025年建成;经过高能所十多年努力的在广东东莞建设的中国散裂中子源装置即将验收。

粒子物理的发展除了直接应用，还有间接推动高技术发展的例子。比如目前通常使用的微波加速即带来了微波技术的发展，发展出了微波功率源;超导微波加速会使用到大型制冷机，涉及液氦、低温技术。这些都是相关应用方面技术最先进、要求最高的设备，从而推动了各自技术的发展。比如真空、机械这些普通的技术，如果应用于加速器，那么就是相关技术的最高水平。所以粒子物理研究极大推动了科学技术的发展。

在宇宙学发展应用上，从几百年前伽利略发明的用肉眼观察的光学望远镜，发展到后来的大型光学望远镜，到现在的红外探测器，射电望远镜例如天眼FAST等，以及即将在西藏阿里建设的宇宙微波背景辐射探测装置。除光学望远镜外，还有非光学望远镜，采用的是粒子物理研究用的探测技术，通过这些技术探测X射线、伽马射线等，来研究宇宙演化的规律，推断起源。

当然这里也有卫星和空间站的建设，空间站里也有粒子物理中的探测器，研究宇宙学的规律。天文研究也应用了很多技术，这些技术非常复杂但也应用广泛。比如建造天眼(FAST)所需的机械精度非常高;天文台除光学观测之外，还有空间碎片的观测与跟踪，这些看似和我们日常生活没有关系，但对国家安全有重大意义，也对我们的日常生活安全有着重要影响。

▲ 2015年10月30日，四川省凉山州 雅砻江锦屏水电站，中国锦屏地下实验室内中子数据分析 设备。中国首个极深地下实验室—— “中国锦屏地下实验室”2010年12月12日在四川雅砻江 锦屏水电站揭牌并投入使用，锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米，是目前世界岩石覆盖 最深的实验室，容积3.5万立方米。

中微子是目前了解最少的粒子

知道原子核存在后又经过70年的研究，我们对物质有了更深刻的认识，这里有1/3诺贝尔物理学奖颁给了粒子物理方向。我们知道元素周期表里有100多种元素，现在发现比原子核更深次也有个周期表，只有12种基本粒子。这12种基本粒子又分两大类，轻子和夸克。我们最熟悉的电子，在100多年前就被发现了，还有其他几种比电子重的轻子，除了质量不一样，性质却和电子完全一样。这种周期变化很奇怪，我们至今也不明白。

中微子则是我们了解最少的基本粒子，也是今天研究非常重要的热点和前沿。今天，物理学家不再研究电子，因为它的性质已经非常清楚了。但中微子的性质一直没有搞清楚，到现在还不知道它的质量和基本性质。

还有一个奇怪的粒子，是所有粒子中最后一个被发现的——希格斯粒子，也被称为上帝粒子，这个粒子的作用是给其他粒子质量，它的发现获得了2013年诺贝尔物理学奖。为什么有这个粒子?这是粒子物理发展的结果。在理论上要把方程式写下来，需符合数学和物理学的“规范”，这个“规范”中所有基本粒子不能有质量，方程才能写出来。但很显然，这与观测事实不符，基本粒子都有质量。很多人为此做出努力，上世纪60年代，希格斯提出一种理论，这些粒子质量本身为零，希格斯场和粒子发生相互作用使它们有了质量。

我在最初听到这个理论时很惊讶，也许原来规范场的方程就是错的呢?就应该从有质量的方程写起，为什么要先没有质量再加上质量?但从上世纪60年代到2012年也没有更好的理论能够解释实验数据，所以人们就相信这个理论并一直在寻找希格斯粒子。2012年物理学家们发现了希格斯粒子，从而证明这个理论确实是对的，能够描述这个物质世界，这就是所谓的标准模型。现在所有实验事实都与标准模型在99%以上的情形符合，精度很高。这就是粒子物理学到目前为止取得的成就，这些成就主要是基于加速器的成果。

中国在粒子物理学上成绩斐然

我们中国在做什么呢?我们进行了几大类实验，有基于加速器的粒子物理实验，也有基于非加速器的粒子物理实验。

北京正负电子对撞机是我国高能物理发展的起点，这台80年代建设的加速器目前还在使用。同时我们还参与了国际其他实验室的实验，如欧洲核子研究中心的实验。我们规划的未来基于加速器的粒子物理实验是环形正负电子对撞机。

在非加速器物理方面还有一些实验，比如在大亚湾核电站旁建设的大亚湾中微子实验，正在建设的江门中微子实验，以及四川锦屏地下暗物质实验。在宇宙线方面，我们有西藏羊八井宇宙线观测站，目前发展为四川正在建设的高海拔宇宙线观测站。还有西藏阿里宇宙微波背景辐射天文台，研究原初引力波和宇宙早期膨胀的规律等。

在空间实验方面，由于近些年我国航天技术发展很快，我们有机会利用现有的火箭、卫星在空间进行天体物理研究。最近这两年的悟空卫星和慧眼卫星都是我们国家重要的科技成果。“慧眼”是高能所牵头研制的硬X射线调制望远镜卫星，未来我们将在X射线天文和宇宙线探测方面有新的部署，HERD和XTP。

我国的宇宙射线实验，从上世纪50年代在云南高山站上开始，到70年代西藏5500米的高原上，90年代在羊八井建立宇宙线观测站，从一个小房子到几百平米的实验装置，规模逐渐扩大。2017年在四川稻城开始建设的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)更是有量级的提升，能达到在国际上10TeV以上伽马天文研究最好的灵敏度。这些实验技术的发展，让我们能在某些方面达到世界上最好的水平。

还有西藏阿里原初引力波的实验装置，在北半球只有格陵兰岛和西藏是最好的观测地点，希望能利用我们特有的条件取得一定成就，做出更好的贡献。

空间探测是从80年代气球开始，从气球到嫦娥到美国丁肇中领导的AMS实验。最新的就是2017年6月15日发射的“慧眼”卫星，习总书记2018年新年贺词提到的中国科技发展成就的第一项就是“慧眼”，实现了中低高能都覆盖的X射线探测。

未来，我们还要建设大型的X射线天文台eXTP。期望2023年左右发射。我们空间探索实验的设施和规模从以前自己在家学到现在某些方面能达到国际领先，再有10年20年会发展成为别人来参加我们的项目。我们的高能宇宙辐射探测装置HERD将会是未来唯一一个位于空间站的研究设施。

在地下粒子物理实验方面，我们有中微子实验装置。1998年和2002年，分别发现了两种中微子振荡模式，三个中微子发现了两种变化。2012年时，我们在大亚湾反应堆中微子实验装置上看到了第三种新的中微子振荡模式。大亚湾中微子实验研究2003年起步，2012年完成第一个科学成果，会运行到2020年。

那么下一步要怎么办?所以2008年时，我们设计了江门中微子实验。实验建造的中微子探测器将是世界上能量精度最高、规模最大的液体闪烁体探测器，比过去提高20倍以上。该实验还将建设国内跨度最大地下洞室、世界最大的有机玻璃球。这项实验的完成会带来巨大的科学技术进步。比如，把光转换成电子的20英寸光电倍增管，过去我们做不了，现在我们努力地把它生产出来，目前已经完成了一半的需求。

未来几年要把所有设备做出来，争取2021年开始运行，这也是中微子研究方面国际上最重要的试验装置。我们江门中微子实验合作组超过550人，来自全世界72个机构单位，囊括17个国家和地区。

加速器研究带来意想不到的应用

环形对撞机概念的提出起源于对基本粒子的探索，如刚才提到的希格斯粒子，是在欧洲核子中心周长27公里的质子质子对撞机上发现的，这个加速器是在上世纪80年代开始挖隧道，先安装了正负电子对撞机，在2000年拆掉变成了质子质子对撞机，并在2012年发现希格斯粒子，这是上万名科学家和工程师30多年努力的结果。

希格斯粒子的发现不仅在科学上具有巨大影响，还诞生了非常重要的发明：我们每天所上的万维网www和能上网的浏览器。第一个网址和浏览器都诞生在欧洲核子中心，为了解决高能物理实验中科学家之间信息交流的问题发明出了它们，本来只是内部传递资料的这种手段很快就传播到了全世界，科学家们并没有申请专利，让世界上所有人都能免费共同使用。

因为它是从高能物理研究起步，中国的第一个网页，国外进入中国的门户网站，就是我们高能所建立的。高能物理研究对人类生活产生了巨大影响。现在我们知道，网络带来的经济收益远远超越过去几十年世界对高能物理的投入。

粒子物理是科学上一个极为重要的领域，仍然还有很多未知等待我们去挖掘，呼吁更多年轻的朋友加入进来。■

【本文由记者刘辛味整理自王贻芳2018年2月5日的主题演讲《探索无穷——物质结构与宇宙》(有删节)，文字已经王贻芳审核。感谢中科院高能所王晨芳帮助订正】

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