还要建造大型对撞机吗？这种激光技术更具前景，研发费用更低
01
2019年4月29日，杨振宁先生在中科院大学明德讲堂演讲，这位97岁的物理学大师再一次明确反对投入巨资建造大型对撞机的发展规划，甚至并不看好高能物理学的前景：
The party is over——盛宴已过。
高能物理是一门高大上的学科，它可以揭开宇宙的本质——看清微观状态下物质的结构。可是想要深入研究高能物理并不容易，需要建造一个巨大的辅助设备——粒子加速器。
因为想要了解物质的微观结构，首先要把物质粉身碎骨。粒子加速器就是用高速粒子去打碎被测物质。
1928年，挪威科学家罗尔夫·维德罗制造出了世界上第一台直线粒子加速器。
可是，直线加速器的长度作为实验室之用明显是过于庞大了。1932年，美国物理学家厄内斯特·劳伦斯设计出了一种更高效的方法：
将电子管组成一个环形，让带电粒子在圆环的每个电子管中同步升压，能达到几百万电子伏的高压。
1932年，劳伦斯发明的世界上第一台回旋加速器
劳伦斯建造的60英寸回旋加速器。
这种情况下有一定几率可以撞碎原子。这就是研究高能物理学的最佳利器——对撞机的原型。
十几年之后，科学家们认为加速两束相反方向的粒子，让它们在环形真空室内不断回旋并以接近光速的速度撞击，这种方法效率更高，而且便于测量。
到了60年代，世界上第一台正负电子对撞机在意大利建成；
70年代，华裔物理学家丁肇中先生在美国布鲁克海文国家实验室利用质子对撞机发现了第4种夸克的束缚态—J粒子，从而获得诺贝尔物理学奖。
90年代，瑞士日内瓦的欧洲核子中心建成了世界上最大的正负电子对撞机（LEP）；2007年，LEP升级为横跨法国和瑞士边境，深埋地下100米，环状隧道有27公里长的世界最大、能量最高的人造机器——强子对撞机（LHC）。
希格斯玻色子概念图
可是，这个强子撞机子自2008年运行以来，虽然以发现了希格斯玻色子——即上帝之子而闻名，之后却再无重大成果，特别是故障频繁，多次停运维修，少则数月，长则数年。
对撞机不仅造价（上百亿）极为昂贵，还具有高速、高能、强磁的工作环境， 其加速系统、冷却系统、探测系统、封闭系统和数据处理系统都极为复杂，运行和维护的成本也颇为惊人：
运行一个小时的电费就是近二十万RMB，按年运转6000小时，一年的电费要超十亿，这还没算各种耗材和人力成本。
还有，粒子在碰撞之后，撞碎的小粒子都是极不稳定的，绝大部分会转瞬即逝，极难观察、记录和描述，更不用说捕捉和存留了。而其它残留粒子都是自然界里常规的稳定粒子或半衰期不稳定粒子，对研究毫无意义。
这种高烧钱、高技术、高人才要求的大型对撞机实验，对于任何一个国家的财力物力人力都是一种考验和挑战。
事实上，杨振宁已经不是第一次反对我国建造大型粒子加速器，早在1972年杨振宁回国访问时，知道我国正打算建造大型粒子加速器，当时就提出了反对意见。
2016年9月4日，杨振宁在《知识分子》发表文章称中国今天不宜建造超大对撞机，第二次对我国准备建造大型粒子对撞机提出反对意见。
2017年5月11日，杨振宁在清华大学科学馆，面对超过100万观众的直播镜头，第三次对建造大型对撞机表达了反对观点。
杨振宁这样认为：
即使拥有世界上最大的加速器，也不太可能再次实现重大突破。
这是因为能找到的基本粒子几乎都被找到了，而没有被找到的未知粒子，还需要不断升级为更高规格的加速器（LHC的持续升级就投入了不少于1000亿美元）才能继续寻找。
也就是说，要花费更多超出预算的钱，这无疑是一个极为沉重的负担。
杨振宁最后指出：
不建超大对撞机，我认为至少有两个方向值得探索，寻找新加速器原理；寻找美妙的几何结构。
02
环形加速器的结构可以持续地将粒子加速到接近光速，但是这种加速器也有一个缺点：
接近光速的粒子在磁场中沿弧形轨道运动时，粒子的能量会以一种叫做同步辐射的方式被发散出去。
长期以来，同步辐射非常不受高能物理学家待见，因为它消耗了加速器的能量，阻碍了粒子能量的提高，成了高能物理研究中极力要克服的重要因素。
那么，同步辐射是如何被发现的呢？
美国科学家埃德温·马蒂森·麦克米伦
时间来到1945年，美国科学家埃德温·马蒂森·麦克米伦发明出了同步回旋加速器。
这种加速器可以使粒子被加速过程中，加速电场的频率会随着加速粒子能量的增加而降低，使粒子回旋频率与加速电场同步，最重要的是使得加速器的建筑体积不会过于巨大，这是加速器发展史上的一次重大革命。
但是，这种加速器在加速粒子的过程中，能量损失很大，极大地阻碍了粒子的能量提高。
1947年，科学家们终于找到了问题的症结。原来，在真空中，以接近光速运动的粒子束在磁场中沿弧形轨道运动时，会沿切线方向辐射出电磁辐射。
这就像我们在下雨天手持雨伞，不停地转动伞柄，在伞边缘的切线方向就会飞出一簇簇水珠一样。因为它是在同步加速器上被发现的，因而被命名为同步辐射。
然而同步辐射的能量浪费并非一无是处，它会以一种高能量，高纯净度，高准直的电磁波的形式发散出去。
我们日常的可见光和X光等，也是一种电磁辐射。但同步辐射具有以往所有电磁辐射（光源）不可比拟的优良性能：
波长范围宽（从远红外到X光范围）、强度和亮度高（是X光的上万到上亿倍）、准直性高（几乎是平行光），可以提供十几到几十小时的稳定光束。
丑小鸭终于变成了白天鹅。
正是由于同步辐射光的频谱之宽，我们利用单色器就可以随意选择所需要的波长，进行单色光的实验。因此同步辐射光源可以开展的实验所涉及的学科之多、应用的领域之广，是其它实验装置所无法比拟的。
从20世纪70年代开始，世界各国竞相开展了同步辐射的研究，其卓越的性能可以开展衍射分析，也可以应用在材料学、结构生物学等学科的研究中。
获得诺贝尔奖的 5 项基于同步辐射结构解析的研究工作
如今，同步辐射已经成为物理学、化学、材料科学、地质科学、生命科学、医学等众多科学领域中最先进的研究手段，并且在电子、医药、化工、生物和纳米加工等方面均具有广阔的前景。
同步辐射是继火、电灯之后，促进人类发展的第三种人造光源。
03
目前，同步辐射光源已经历了四代的发展，可是它的弊病是仍然需要依赖传统加速器这种大型设备来运行。
这些传统加速器的原理都是通过射频场加速，其核心是电场对电子的加速。对于几十上百GeV的粒子加速能量的需求自然要加速长度在km量级，体量必然十分巨大。
如今有一种自由电子激光辐射光源的技术有望摆脱对大型加速器设备的依赖，它的核心技术也是源于高能物理，尤其是直线对撞机的发展：
利用超强超短激光在等离子体中诱发的等离子体波来加速高能电子，其加速梯度高于传统加速器三个量级以上，比如1GeV的电子只需要大约1mm的加速长度。所以这种激光器的尺寸要远远小于传统加速器。
我们平时说的激光器，可以称它为束缚电子激光，它是电子在能级结构上的跃迁辐射光子。
而自由电子激光，就是已经脱离了能级结构，在自由空间里的电子做周期运动产生的辐射。而且，自由电子激光器不需要气体、液体或固体作为工作物质，直接可以将高能电子束的动能转换成相干辐射能。
就在2021年的6月，我国中科院上海光学精密机械研究所已经研制出高性能200太瓦的重频自由激光装置：
首次将高能电子束能散压缩至千分之二，这一成果让我们看到了超小型辐射源的曙光。
由于自由电子激光特别适宜于研究固体表面物理、半导体物理、超导体、凝聚态物理、化学、光谱学、非线性光学等多个方面。
所以它不仅是同步辐射的换代技术，甚至可以说是光刻机的未来发展方向之一，当然也可以用于开发X激光来直接刻写芯片。
它的未来绝对是革命性和颠覆性的。
2018年4月，我国已经开始建设硬X射线自由电子激光装置，并计划于2025年竣工投入使用。
上海硬X射线自由电子激光装置
它是我国迄今为止投资最大的（约100亿人民币）科技基础设施项目。总长度为约3公里，深不过30米。仅为超大型对撞机的三十分之一。
该装置建成后，将为我国的物理、化学、生命科学、材料科学、能源科学等多学科提供前所未有的高分辨成像、先进结构解析、超快过程探索等尖端黑科技。
