是時候祭出這張圖了！

驗證大一統理論所需要的能級！

對於粒子物理來說，加速器只有越造越大才能支撐基礎物理的進步，但是也有很大風險。LHC驗證了標準模型中最後一個粒子希格斯波子，下一代80-100km級的加速器會帶來什麼新的發現？最沮喪的是什麼都沒有，那樣不僅沒法跟納稅人交代，往後也許就沒有哪個政府願意出資建造更大、更貴的對撞機了。大一統理論能量量級目前預測為10^24eV，而LHC對撞產生10^13eV，這之間的11個數量級被物理學家稱為“大沙漠”：

如果用常規直線加速器，要達到10^24eV則需要7光年長。用尾波加速器則需要47億公里，和三體中的環日加速器差不多長。而要想達到量子引力能級的話用常規加速器可能需要幾十萬光年，也就是傳說中的環銀河系加速器

也就是說，以人類目前的能力想要造出能夠打破“大沙漠”的加速器，基本是不可能的，你能造出幾光年的加速器嗎？做不到啊！

既然做不到，那麼，倒不如先懸擱咯

————下面高能開始————

不確定性原理指出，一個粒子的位置和動量不能同時被確定。所以，要看到越小的東西，就需要“光源”發出的粒子波長越短。由於光速等於波長和頻率的乘積，而能量等於普朗克常量與頻率的乘積，因此，粒子波長更短意味著能量更大。 也就是說，要看清小小的基本粒子，需要用攜帶巨大能量的探測粒子才行。於是我們需要把探測粒子加速到很高的能量，能完成這種工作的裝置就是粒子加速器。 例如，北京正負電子對撞機就是這樣的一臺加速器。這臺對撞機可以把正負電子加速到20億電子伏的能量，也就是說把電子加速到光速的99.999 997%，並以這樣的速度，每秒進行上百萬次對撞。正是這樣的加速器，承擔著實驗探索基本粒子性質的重任。

大劉在三體3中把環日加速器描寫成一個個相距一百五十萬公里的線圈在木星軌道上運轉。下面介紹一下這種裝置的一些問題，順便科普一下相關知識，並不是為了吐槽小說（作為科幻作品已經足夠了）。 問題1：線圈之間的間隔毫無意義 問題2：太陽系尺度的加速器不會是環形的 問題3：可見光藍移效應造成GKZ極限 問題4：微型黑洞蒸發過快無法吞噬木衛十三 問題5：高能粒子束與普通物質的相互作用不足以氣化飛船

問題1：線圈之間的間隔毫無意義 大劉對這種加速器構造的解釋是宇宙空間已經非常接近真空，所以不需要加速管道了。確實，太陽系行星際空間比LHC的真空加速管道還要空，但是作者可能沒有仔細考慮加速器為什麼建得那麼大。本來，粒子可以在環形管道中不停的跑並被加速無數次，無論加速器多麼小。限制粒子能量上限的是加速器的曲率半徑，而大劉描寫的加速器卻只在線圈處做急轉彎，線圈之間做直線運動，這使得環日加速器的巨大半徑變得毫無意義。現實中的環形加速器都用偏折磁鐵讓粒子束均勻向心加速。LHC擁有1232個偏折磁鐵，每個14.3米長，佔了總長27km的將近三分之二（剩餘的長度被四極磁鐵佔用，用來聚焦粒子束）。

問題2：太陽系尺度的加速器不會是環形的 粒子加速器有兩種構造：直線加速器和環形加速器。目前世界上最大的直線加速器SLAC總長3.2km，最高能量50GeV，每公里加速15.6GeV，屬於世界先進水平。而要想達到LHC的最高能量14TeV，直線加速器要造900km，顯然遜色於周長只有27km的LHC。環形加速器中的粒子束當然沒有里程上限，限制最高能量的有兩個因素：磁場強度與同步輻射 限制1：磁場強度 粒子做圓周運動時離心力和向心力（偏折磁場）必須保持平衡：mv^2/r = q*v*B 把速度換成動量表達以至於公式適用於狹義相對論：p^2/mr = q*B*p/m p/r = q*B q是粒子電荷，也就是基本電荷 B是磁場強度，超導電磁鐵技術極限在8.3T左右（需要乘以0.65因為三分之一週長被聚焦磁鐵佔用） 剩下的就是粒子動量跟加速器半徑了。由於高能粒子的靜質量可以忽略不計，動量p*c其實就是粒子的能量。

LHC的上限就是磁場強度決定的，有興趣的話自己敲進計算器試試，看看極限是不是在7TeV（單束） 限制2：同步輻射 帶電粒子做加速運動會產生同步輻射，功率為：P = (2/3*e^2*c / r^2) * (E / mc^2)^4 公式比較複雜，重要的是粒子靜質量m出現在分母中，也就是說同樣的速度粒子質量越大損耗越少。出於這個原因，質子加速器一般採用環形，而電子加速器一般加速器採用直線（比如下一代的ILC）。世界最大，也是最後一臺環形電子加速器LEP的能量上限就是同步輻射造成的，長27km（與LHC共用一個隧道），上限209GeV（雙束）。

如果以同樣的損耗功率為代價，LHC的上限應該是LEP的2000倍（因為質子質量是電子的2000倍）或418TeV，顯然同步輻射對LHC不是問題。不過，需要注意的是為了保持損耗功率不變，加速器半徑必須以能量的平方增長。比起限制1來，同步輻射隨著加速器增大早晚會成為首要限制。而且這個限制是技術手段無法逾越的，因為它是物理基本定律。

那麼問題來了：到底什麼時候質子環形加速器會敗給質子直線加速器？ 我的計算結果為大約844000km，能量上限達13200TeV。在地球上是沒戲了。但在太空中這是近在咫尺，連地日拉格朗日點都不到，更不用提五十億公里周長的環日加速器了。

問題3：可見光藍移效應造成GZK極限 迄今為止人類觀測到的最高能的宇宙射線能量為3.12*10^20eV，或者50焦耳，相當於職業選手丟擲棒球的能量集中在一個基本粒子上。這基本與GZK理論極限相符：這種極高能粒子會透過多普勒效應將其前方的宇宙背景輻射（波長21cm）藍移到伽瑪射線並與之發生反應：γ + p => p + π0 這些反應會損耗任何能量超過GZK極限能量的粒子使其無法在宇宙中傳播，即使某個黑洞製造了更高能量的粒子我們也觀測不到。當然，人類的加速器遠遠達不到這種能級，即使書中的環日加速器也最多能達到5.7*10^18eV（按照同步輻射上限計算）。但是加速器的粒子束並不處於星際空間的黑暗中。

太陽輻射強度在木星軌道為50.3W/m^2，比宇宙微波背景輻射強度3.11*10^-6W/m^2要強千萬倍。太陽輻射以可見光為主（波長500nm），按E = hc/λ計算每個太Sunny子是背景輻射光子能量的四十萬倍，就是這樣太Sunny子密度還是背景輻射光子密度的四十倍。 橫向多普勒效應藍移（Sunny與粒子束運動方向垂直）為 1 / sqrt(1-(v/c)^2) = γ = E/mc^2 質子靜質量約為938MeV => γ = 5.7*10^18eV / 938MeV = 6.1*10^9 Sunny藍移：E = hc/λ = hc*6.1*10^9 / 500nm = 15GeV 15GeV 的伽瑪射線不但產生π0綽綽有餘，還可以和質子發生一系列其他反應損耗其動能，所以環日加速器的粒子束還真不能暴露在外，起碼要擋一擋Sunny。

關於極高能宇宙射線還有個有趣的故事：2008年LHC即將投入執行前有群吃飽了撐的人提出抗議，聲稱加速器有可能產生一些危險反應，比如引發真空衰變毀滅宇宙之類的。物理學家給出的最有說服力的理由（除了這幫人是毫無物理學背景的白痴外）就是宇宙射線能量遠高於加速器也沒有引發災難。但是宇宙射線粒子本身的能量不是最重要的，重要的是它與大氣層第一次撞擊時釋放的能量（質心動能）。由於大氣分子是靜止的，撞擊時絕大部分動能不會被釋放出來（就像一輛大卡車撞擊小汽車一樣，撞擊過後卡車依然保留大部分動能高速前進）。一個3.12*10^20eV的質子撞擊靜止物體時只釋放大約1000TeV，比LHC是大了兩個數量級但是環日加速器就不安全了。

問題4：微型黑洞蒸發過快無法吞噬木衛十三 黑洞的視界半徑（也稱為史瓦西半徑）公式： r = 2Gm / c^2 帶入之前估算的環日加速器能量（雙束）： r = 1.48*10^-25m 可能大部分人對這個數字沒什麼感覺，但是這個半徑實在是小的讓人無法想象。如果把一個原子放大到地球那麼大，那麼這個黑洞便會被放大到原子的大小。粒子物理中反應截面一般用nanobarn衡量，這個黑洞的截面比它小了整整20個數量級，把它放進木衛十三就是等到太陽變成白矮星它也不會長大。而這一切都以霍金輻射不存在為前提，但現在物理學界幾乎沒人質疑霍金輻射的存在了。

木為十三的質量為1.1*10^16kg，視界半徑為0.016奈米，和小說中的二十一奈米差了三個數量級。我不確定這個錯誤是怎麼產生的，木衛十三的直徑在小說中和網上資料並沒有什麼出入（分別是8km與10km）。不過，即使按0.016奈米的黑洞計算，黑洞蒸發時間為1.1*10^32s = 3.5*10^24年，和小說裡寫的半個世紀有天壤之別，我估計作者在這方面並沒在意具體數字。 霍金輻射的功率為2.96W，和一個小LED燈泡差不多。但是黑洞的黑體輻射溫度為1.1*10^7K相當於太陽核心，基本上全是X射線。 書中說由於黑洞很小高Way沒有被黑洞潮汐力撕碎。事實應該恰恰相反，越是小黑洞視界表面潮汐力越大。人是可以安全透過超大質量黑洞的視界的，但是恆星級黑洞和微型黑洞會將任何物體在視界外撕碎，按1噸的承受力計算高Way大概能存活到離視界4米的地方。 還有一點就是書中描寫的人影逗留在黑洞邊緣上。根據廣義相對論在外部座標系看來落入黑洞的物體確實會定在視界上不動，但是從視界邊緣傳出的光會迅速被紅移出可探測範圍，波長堪比太陽系直徑，所以這只是思想實驗而已，實際上高Way到視界附近就消失了。根據廣義相對論，高Way並不只是看起來像是停止不前了，而是確確實實還沒跌入黑洞（不過已經是碎片了）。視界內與視界外不只是無法溝通，而是根本就不存在於一個時間軸上。問高Way到底跌入了黑洞還是停留在表面就像問兩個相互運動的座標系那個才是靜止的一樣，兩者是完全對應的，都可以正確描寫所有物理過程，沒有任何衝突。二維的黑洞表面上的一切過程一一對應著黑洞三維內部空間裡的一切過程，就像電腦螢幕上的畫面一一對應著處理器中的程式碼一樣。感興趣的話可以看看黑洞熱力學方面的資料。 再來點關於黑洞的科普： 很多人認為黑洞的密度一定是極高的，但事實不一定如此。如果黑洞密度的定義是奇點本身密度的話，那不管黑洞質量多少密度顯然是無窮大。但是一般都把黑洞密度定義為其質量除以視界體積。這種定義的意義在於一旦一個天體內部（恆星、白矮星、中子星）某個區域內的質量大於臨界值，這一區域就一定會向一個奇點塌縮，沒有任何力量能夠阻止（至少在史瓦西幾何中是這樣）。

這個臨界值就是史瓦西半徑給出的： r = 2Gm / c^2 比較有意思的是視界半徑與質量是直線關係，這與一般物體不同。均勻密度的物體質量和體積，也就是半徑的三次方呈正比。這條規律直接導致的結果就是質量越大的黑洞密度也就越低，它的體積比質量增加的要快。恆星級黑洞非常緻密，密度比簡併態物質還高，但是超大質量黑洞密度往往較低。M87星系中央的黑洞質量相當於64億個太陽，半徑190億公里，可以輕鬆裝下整個太陽系包括柯伊伯帶，但是密度只有0.45g/cm^3，還不到空氣的一半。 還有不少人認為黑洞的巨大潮汐力很恐怖，實際上我覺得宇宙天體中沒有什麼比黑洞潮汐力更不可怕的東西了。潮汐力和引力一樣，只取決於質量和距離。黑洞的潮汐力作用之所以這麼引人注目是因為黑洞除了這個就和物質基本上沒有別的相互作用了。一個恆星級黑洞如果靠的足夠近確實可以把地球撕碎，但是換成一個同樣質量的恆星照樣可以，而且早在那之前地球表面就被烤焦了。要是靠近到連飛船和人都能被撕碎的距離換成恆星早就進星核了。其實中子星也能撕碎飛船之類，而且還有更致命的強磁場和X射線。可以說，同樣的質量黑洞是破壞力最小的東西。黑洞的唯一一點特殊技能是透過兩極的噴流引發伽瑪射線暴，不過那也只有超大質量黑洞在有大量氣體供吞噬的情況下才能發生，在當今宇宙已經不具備這種條件了。

問題5：高能粒子束與普通物質的相互作用不足以氣化飛船 這個道理其實很簡單，粒子能量增加不代表反應橫截面增加，有時候還會減少。醫用加速器就很好的利用了這一特徵。大部分情況下傳統放射性療程（伽瑪射線）會對腫瘤外部的面板和其他健康組織產生破壞，因為射線必須先經過這些區域。質子射線的好處是首先接觸人體時反應截面較低，在達到一定深度後由於動能降低，反應截面突然急劇升高，釋放絕大部分能量。只要初始動能和角度控制的好能夠起到在人體深處定點打擊的效果。同樣，在飛船誤入加速器禁區時由於反應截面的緣故只有極個別粒子和飛船發生撞擊。由於飛船速度較低粒子束能釋放的質心能量很有限，高能粒子一次碰撞最多也就釋放三十萬分之一的能量，這點減速不足以對反應截面產生顯著作用導致正反饋。 再來給大家介紹一個逆天黑科技：鐳射尾波加速器

不管是直線還是環形，目前的所有粒子加速器“加速”那一部分用的是同一個原理：射電共振器 就是這個玩意：

放到加速器裡面是醬紫：

示意圖

大家可能奇怪為什麼需要這麼個造型古怪的共振器，而不用射電輻射直接加速粒子。原因很簡單：物理老師教導我們電磁輻射是橫波，不是縱波：

粒子放進去只會隨著電場上下浮動，不會向輻射本身的前進方向加速。 共振器的作用就是把電場的方向橫過來，形成駐波。電場方向高頻交替，使得粒子透過時正好受到前進方向的力：

但是這種結構的缺點是電場強度轉換較低，而且有上限，電場太強就會擊穿加速管。所以直線加速器每公里只加速十幾個GeV。而鐳射尾波加速器中等離子體代替共振器，用鐳射（或粒子束）將等離子體中的電子驅離，形成一個個尾波（質子由於質量大在這個時間尺度上幾乎原地不動），緊跟的粒子束受到電場加速：

下圖中的Y軸表示電子密度，可見相當一部分電子被驅離了：

一些試驗型電子尾波加速器甚至做到在波谷處將所有電子驅離，達到了基於電磁力加速的理論極限（因為縱向電場沒法比100%正負電荷分離更強了）。得克薩斯一個鐳射尾波加速器創下了2cm加速2GeV的世界紀錄，比普通直線加速器要高將近一萬倍！當然，這項技術還處於起步階段，產生的粒子能量分佈和光度都不理想，無法進行有意義的對撞實驗，而且也只能維持最多幾十公分的距離。但是一旦進入實用階段尾波加速器完爆任何其他構造，更沒必要建造環形加速器了。目前有很多大研究機構，包括CERN和SLAC都在投入這項技術的研發。 對於粒子物理來說，尾波加速器在不久的未來可能會一根救命稻草。加速器只有越造越大才能支撐基礎物理的進步，但是也有很大風險。LHC驗證了標準模型中最後一個粒子希格斯波子，下一代80-100km級的加速器會帶來什麼新的發現？最沮喪的是什麼都沒有，那樣不僅沒法跟納稅人交代，往後也許就沒有哪個政府願意出資建造更大、更貴的對撞機了。大一統理論能量量級目前預測為10^24eV，而LHC對撞產生10^13eV，這之間的11個數量級被物理學家稱為“大沙漠”：

如果用常規直線加速器，要達到10^24eV則需要7光年長。用尾波加速器則需要47億公里，和三體中的環日加速器差不多長。而要想達到量子引力能級的話用常規加速器可能需要幾十萬光年，也就是傳說中的環銀河系加速器

。這一目標目測只能靠強互作用力加速器實現。

ps：三體裡水滴並沒有我們最初想象的那麼牛X。強相互作用力的結合能不過MeV級別（最穩定的鐵元素結合能為每個質子8.5MeV），比電磁力結合能要高百萬倍（氮氣分子結合能為9.8eV），但是對於粒子束來說是小意思。對於GeV能級的粒子束來說靶體是水滴還是一朵雲彩沒有差別，都只是一團粒子而已，它們之間的相互作用可以忽略不計。連公元紀元的人類都已經掌握TeV能級的粒子加速技術，要製造能破壞強相互作用力材料的粒子炮不在話下。也許人們事先沒有意識到水滴這種東西存在的可能進而沒有給艦隊裝備粒子炮。 注： eV指電子伏特,等於一個電子在一伏電壓加速時獲得的能量. GeV--十億電子伏特,MeV --百萬電子伏特 1GeV=1000MeV

人類探索世界，探索宇宙的腳步永無止境。如果這麼容易就放棄了，人類也沒有現在的文明瞭。

不管是愛因斯坦，還是楊振寧都已經完成了自己的歷史使命。剩下的路應該是年輕人的了。

我們都懷著無比好奇的心情，等著這個世界帶給我們新的驚喜。

高振寧認為，不建超大對撞機，高能物理仍然有其他方向值得探索，比如尋找新加速器原理，比如尋找美妙的幾何結構，如弦理論所研究的

而且楊振寧在上世紀八十年代所說的 “The party is over” 針對的也是大型對撞機這個發展路子，而不是整個高能物理。在沒有新思想注入的情況下，建造越來越高能的對撞機看起來確實是一場成本極高的豪賭，特別是在對超對稱的實驗探測仍然一無所獲的今天。

大型對撞機雖然在歷史上極大地推動了高能物理的發展和驗證，但並不是高能物理所能依賴的唯一工具。隨著觀測技術的發展，很多天體物理學和宇宙學的現象都可以為我們提供能量遠高於對撞機的觀測機會。另外，作為超越高能物理標準模型的重要突破口的中微子，與其相關的實驗和探測並不特別需要對撞機。

總而言之，我認為文章中提到的楊振寧的那些言論都還是挺有道理的。

高能物理。

楊振寧說“盛宴”已過。光量子宇宙認為“正席”未開。

那麼，“盛宴”和“正席”具體何所指：

1、蜂擁而上，趕個熱鬧勁？

2、好研究的成果別人出了，難研究的難度太大十年八年破不了局？

3、猛增研究經費？

愚某人認為，無論哪種情況，都不宜過熱，有一兩個研究所槓著拼就行了。

愚某人認為，科研的“大力”應放在國防和民生上。特別是醫療，好多頑疾如風溼、關節炎、婦科、神經、高血壓、糖尿病、風癱、癌，等等，一直沒有“特效藥”，一直在給人們製造痛苦。

有盛宴，也得有副好腸胃，不是？

宇宙有多大有多深有多遠，高能物理的路就有多遠，真理就有多深，實踐前景就有多大。人類今天在高能物理領域，還處在踏進殿堂之門的階段，盛晏還遠未開席，只不過上了幾道小菜罷了。

科學無止境！是不斷的開發研究而得來的成果，高能物理也同樣如此！

楊振宇說：（高能物理盛宴已過）筆者認為不復合科學理論，沒有這麼快到了物理科學頂端，應該是，“還有新的突破！”

只能用研究與時間來證明，結論尚早，外行難理解科技！只能有這麼點認識。

恕本民科直言，楊振寧先生所謂的‘粒子物理’盛宴已過，更準確的說法是:

粒子物理研究物質的時代一去不復返！

研究物質表象的粒子物理已經走進了死衚衕，今年的諾貝爾物理獎便是明證！而且，只會越來越糟！

2019年是超越物質時代的元年，在本民科的引領之下，粒子物理正在不可避免地轉向超越物質的研究。

好訊息是，當本民科在辦公桌上製造出最小的黑洞之後，粒子物理和宇宙學便戛然而止，到達了終點

世界上的科學家們，連天體有多少維度都沒搞清楚。就說盛宴已過。這話也太大了。我認為只是吃了幾個窩頭而已。連培林榨菜都沒吃上呢。你讓現在的科學家制造。一個小草出來，我看看。如能早出。小草來，說明科學已經上路了。