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9 通往未来的一扇门（第2页）

基础研究和新技术

我们谁也没有想到，1989年，在离我们几个办公室远的地方，蒂姆·伯纳斯·李所做的，竟然如此深刻地改变了世界。万维网的引入就是一个例子，这说明最重要的创新往往遵循意想不到的路径。欧洲核子研究组织没有人想发明万维网，连伯纳斯·李也从没想过。但这是一个需要解决的问题，因为大型正负电子对撞机的实验产生了大量不同类型的数据：报告、图表、照片和技术图纸。我们必须找到一种方法来组织它们，让数以千计的合作者可以使用它们。这就是正确的解决方案。一个人充满**，想要验证他的想法是否可行，他的老板不太理解他在做什么，但老板还是让他去做，然后突然就成功了！世界永远地改变了。

第一个网页诞生于1991年8月6日，而今天网页数量已经有10亿个。最棒的是，这些网页都是免费的。有时这让我想到，如果每次一个网页被访问，就有一分钱转给欧洲核子研究组织，我们能进行多少个项目啊。但协议是明确的。我们的研究是由政府资助的，我们发现的一切都将免费向全世界开放。高能物理领域的发明和发现不会获得专利、利润和版税。世界向欧洲核子研究组织提供资金已经占了优势：即使抛开文化和科学层面，我们的活动本身的经济影响也远远超过了最初的投资。

网络的例子被引用最多，因为这直接关系到我们的日常。有很多技术是从基础物理中产生的，并且改变了我们的生活。1895年圣诞节的前几天，当德国的物理学家威廉·伦琴说服他的妻子安娜·贝莎时，他有些犹豫说出实话，他让妻子把左手放在一个周围满是奇怪的玻璃灯泡的盘子下摄影，并静站大约十五分钟，而这个设备丈夫已经摸索了好几个月。第一张X光片彻底改变了诊断和医学领域。

伦琴试图了解当电流在真空管的电极之间通过时会产生什么现象。他从来没有想过，他发明了一项挽救数百万人生命的技术。让我们试着想象一下，19世纪末，一个街上的路人会说什么：“可是，这些弄不明白的研究究竟是为了什么呢？把这些资源投资治疗那些即将死于咳嗽的儿童不是更好吗？”

改变世界的发现遵循着一条不稳定和不可预测的路径。有时，最重要的技术几乎是由那些并不明确寻求这些技术的人无意识地开发出来的。一个想法往往要经过几十年的时间才能得到应用：就像一条喀斯特河流消失在地下洞穴中，在那里流了数千米，然后突然又完全重新出现。

在一切事物的基础上都存在着划时代的突破且颠覆参考范式的发现。有时候，一开始，没有人认为它们可以被利用。然后，也许几十年后，它们闯入了人们的日常生活。伦琴自己甚至没有想过，他的研究开启了一条通向计算机轴向断层扫描、超声、核磁共振的道路—没有这些创新，现代医学将不会存在。

经常会有这样的情况，一个发现引出了另一个发现，就像一个雪球带来的雪崩。X射线使我们能够更好地了解原子核和恒星，并为我们提供了一种研究分子结构的方法，而这种结构是开发每一种新药和每一种新材料的基础。

一个刚毕业的、非常年轻的学生，威廉·劳伦斯·布拉格，发现了一个奇怪的现象，当伦琴的X射线照射小晶体时就会发生这种现象。他以自己的名字命名这种特殊衍射现象，这不仅使他成为史上最年轻的诺贝尔奖获得者（他去斯德哥尔摩领奖时只有25岁），而且使我们得以详细研究原子和分子的组成。他革新了化学、制药、材料科学、生物学和许多其他学科。

类似的论点也适用于激光。一开始，在实验室里研究激光时，它们被认为是没有任何实用价值的设备。谁能想到它们会如此有力地进入我们日常生活的方方面面？今天，有了激光，视觉障碍得到了治疗，堵塞动脉的血栓得到了疏通；可以听音乐，可以看电影；超市店员用激光告诉我们放在购物车里的商品的价格；一群暴徒在体育场试图利用激光棒干扰对方守门员；高功率的细激光束在工业上被用来刺穿陶瓷或金属板。

我们有充分的理由相信，这种无声的分子转移仍然在起作用。今天，许多为建造大型强子对撞机而开发的技术已经悄悄地进入了人们的日常生活。为了生产我们需要的磁铁，我们开发了性能非常高的超导电缆。同样的电缆也进入了新一代的核磁共振成像机中，从而使其变得更强大、更紧凑而且更便宜。随着成本和规模的减少，许多医院，特别是第三世界国家的医院，可以获得以前不对他们开放的诊断技术。

我们为大型强子对撞机开发的一些新型微型光学设备已经应用于电信市场，它们改善了产品性能，降低了成本。

为我们的量热计和跟踪器工业生产的新型晶体和硅探测器，被用于新开发的医疗诊断机器，可以产生更清晰的图像，并减少对患者的辐射剂量。

更不用说网格计算了。从一开始就很明显，即使是世界上最强大的超级计算机，也无法处理大型强子对撞机实验产生的大量数据。这里也有必要开发一种新技术，答案就是网格，一种绝对创新的计算基础设施。20世纪90年代初，一个未来主义的提议出现了，起初很多人认为太过雄心勃勃。这个想法很简单：由于没有一个计算机中心有足够的内存来存储数据，也没有足够的计算能力来分析它们，于是有人提出了建立一个世界超级中心，由所有致力研究的主要数据中心组成。这就形成了一个由几十万台计算机组成的集群，这些计算机学会了像一台巨型计算机一样工作。数据分布在磁盘上有空闲空间的地方，当需要分析数据时，使用当时可用的处理器，无视其物理位置。

因此，一位年轻的印度研究员，想要对一类事件做一些分析，今天就可以打开他在加尔各答的笔记本电脑，访问网格并请求他感兴趣的数据，然后他启动他的分析程序，并查看生成的图表。他不知道，也不需要知道，数据一部分存储在芝加哥，一部分存储在博洛尼亚，分析这些数据的软件在中国台湾运行，最后的部分在德国运行，然后传输给印度。有了电网，计算能力就像电力一样：如果你需要电力，你不必购买后院的发电机，你也不在乎电力从哪里来，也不用知道哪些工厂在一天的不同时间或一年的不同时间运行。你插上电源，使用你需要的能源，然后付账单就完了。网格可以让你在计算上做同样的事情，它让每个人都可以使用超级计算机，甚至是那些没有大型基础设施的国家。通过这种方式，数以千计的用户可以并行执行操作，而且与安装无数本地计算中心所需的成本相比，成本更低。

像所有的创新想法一样，这消耗了15年的疯狂工作以开发新的架构，使其可靠和安全。有了网格，计算深刻地改变了它本身。计算资源变得更加强大和便宜，因此每个人都可以访问。大型强子对撞机网格的成功使得新架构能够输出到许多其他需要大量计算资源的研究领域，如气象学或流体动力学。网格解决方案的商业变体云计算，即“云”，已经成为一个重要的工具，使数百万用户能够更好地管理他们需要的计算资源。再一次，就像互联网一样，源于高能物理发明的工具正在改变我们脚下的世界。

我们用于研究的加速器是一个日渐壮大的家庭的先锋。目前世界上大约有3万个加速器，只有260个（不到1%）用于基础研究。50%用于医学，特别是用于放射治疗，治疗癌症患者，也用于生产诊断用的同位素和放射性药物；另外41%用于在硅和其他半导体中植入离子以制造电子芯片；剩下的9%用于工业生产。

没有物理学就不会有现代医学。没有加速器，就不会有让一切运转的小型电子设备：飞机、火车、汽车、机器、工具、我正在打字的电脑，以及离不开的智能手机。谁能告诉我们，即使是最新的发现，那些看起来非常抽象、与日常应用相隔甚远的发现，类似的后续不会发生呢？

当人们问我希格斯玻色子在日常生活中将有什么应用时，我回答说我不知道。我无法想象一束准直的希格斯玻色子能做什么，我也不知道这个新的标量场的工作原理会有什么用处。但我相信，迟早会有人嘲笑我的这番话，就像我们今天重新阅读20世纪30年代物理学家们关于反物质的辩论时露出微笑一样。当时的伟人，狄拉克、韦尔、安德森，没有一个能想象到，仅仅几十年后，那些被他们称为正电子的奇怪粒子，每天都会用于数百家医院的正电子发射断层扫描术（PET）。在世界各地，反物质不是被用来制造丹·布朗书中的恐怖炸弹，而是被用来诊断严重疾病或研究阿尔茨海默病患者大脑中的变化。

因此，我们有必要保持谨慎，并记住物理学家迈克尔·法拉第在回答英国财政大臣威廉·格莱斯顿的问题时所说的话：“但你发现这个东西究竟是为了什么？”“我不知道，但很可能你很快就会对它征税。”

未来的挑战：日本和中国

希格斯玻色子的发现引发了一场充满**的科学辩论，也引发了与新一代加速器有关的重大政治策略，这些加速器将继承大型强子对撞机的成果。下一步，重复发现W和Z玻色子所采用的方案，建造一个大型电子加速器。正如建造大型正负电子对撞机是为了制造数百万个Z玻色子并精确测量它们的所有特性一样，现在我们想象一个机器，在这个机器里电子和正电子相互碰撞，对新的玻色子重复同样的操作。一个真正的希格斯粒子工厂，在理想的实验条件下产生数百万个希格斯粒子，并精确地研究它们的所有特性。

自2011年12月以来，日本一直有重新启动国际直线对撞机（ILC）的想法，这是一个已经讨论了多年的倡议，而125GeV玻色子的证据让这个过程变得非常有趣。既然已知希格斯粒子的质量，就可以很好地计算希格斯粒子产生的过程和可以使用的衰变模式。国际直线对撞机项目计划让加速的电子和正电子在直线轨道上碰撞。为了避免电子围绕圆形轨道运动的辐射问题，他们采用了一个激进的解决方案。两束电子和正电子在相反的方向加速发射，在配备探测器的相互作用区相互碰撞。

尽管这一概念很巧妙，但技术上的困难限制了性能，尤其是亮度。在线性加速器中，电子束和正电子束一旦交叉，就会被撞飞，给新的粒子束让路。虽然新的注入速度很快，但它不可能每秒产生一万到两万次碰撞。在圆形加速器中，光束可以在轨道上停留数小时，每秒穿越数十万次，直到它们失去强度并被替换为止。这样就有可能产生更多的碰撞。

为了弥补这一缺陷，线性对撞机将光束集中到最大，集中到极致，将相互作用区缩小到无穷小的值。这就造成了稳定性问题，因为每一个微小的扰动都可能导致亮度的损失。国际直线对撞机项目提议将两束电子和正电子集中在5nm的尺寸上，这个尺寸比大型正负电子对撞机的尺寸小1000倍。让两个如此微小的光束正面碰撞会带来前所未有的位置控制问题。

国际直线对撞机的物理程序预测在500GeV的质心碰撞，并假设之后达到1000GeV。这些目标决定了加速器的长度，因为用于加速电子和正电子的谐振腔的性能受到了限制。今天，在工业规模上生产出的最好的超导谐振腔，能够产生每千米24GeV的最大加速度。目前正在开发国际直线对撞机的谐振腔，可达每千米35GeV。通过这种方式，将光束发射15km，并配备数千个谐振腔，预计将达到500GeV。整个加速器，包括两束粒子正面碰撞的区域，将成为一个长度约31km的线性基础设施。

国际直线对撞机是一个由来自世界各地的研究小组参与的项目。日本已经表示愿意接收这台新机器，并在该国北部的北上山地划出一块区域。这是一段由白垩纪岩浆凝固而成的极其坚固的山脉，它经受住了灾难性的地震，比如最近摧毁福岛南部的地震。

实际上，在一个几乎一直有微震的地区安装如此精密的机器会让人们产生许多担忧。人们担心，在这些条件下，在如此小的光束之间产生高强度的碰撞是不可能的，但是日本人非常自信。真正的问题是现在没有一个国家，包括日本，承诺为所需的80亿美元费用提供大部分资金。即使是在立即做出决定并尽快获得资金的乐观假设下，也无法在2019年之前开始建设，在2030年前机器也无法运行。