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杨振宁为什么说高能物理的研究方向错了？

自始至终，杨振宁都不建议我们将研究的重点放在高能物理这个方向，即便这么多年的时间过去了，杨振宁这位伟大的物理学家也没有改变自己的意见。数百亿美元的资金不如用在其他研究领域，尤其是那些可能是未来发展方向的领域。

当然，抛去高额的研究成本不说，杨振宁先生认为目前已经不再是高能物理的盛宴，而希格斯玻色子也已经被找到。即便高能物理可能是大家比较感兴趣的一个方向，但正如19世纪和20世纪在物理学的研究内容和方法上都存在很大不同。因而，杨振宁先生认为21世纪物理学未来的发展方向也有较大概率不同于20世纪。

事实上，高能物理就是从20世纪后半世纪大火的一个方向，但这并不意味着21世纪之后的时间也是如此。杨振宁先生认为，物理和其他科学前沿已经细化出了很多方向，我们在选择的时候不仅要依托自己的能力，预估未来的前景，更要灵活大胆一些才好来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-462.html。

简单阐述下什么是高能物理

相信对于不少人而言，高能物理和大型强子对撞机这样的词语，本身就让人感到摸不着头脑，因为鲜少有人会涉猎与此有关的信息。其实，物理学是一个拥有很多分支的学科，而高能物理学（又被称为基本粒子物理学）便是其中之一，只不过这个领域所研究的东西会比原子核的层次更深，目的是为了在特殊微观世界中的物质在结构上所呈现出的性质。

不同于我们所处的这个世界，在充满高能量的微观世界中，所有物质之间的转化关系和其中的规律都需要进行特殊研究才有可能被发现。简单点说，现在大家在高能物理学这个领域做研究，主要是为了发现新粒子，因为新材料是依托在新粒子的基础之上。说到这里，大家应该就明白了，既然新的粒子这么难找到，那就说明技术就主要体现在探测新粒子的仪器上。

关于大型强子对撞机来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-603.html

目前，世界上能力最高、规模最大的粒子加速器，便是欧洲大型强子对撞机大型强子对撞机。大型强子对撞机可不是一种不同的机制设备，它是加速器复合体（欧洲粒子物理研究所）的最新补充，本质上则是一种为了寻找新粒子（包括微观量化粒子）才应运而生的仪器，能够实现让质子加速对撞。

不知道有多少人对林恩?埃文斯这个人有所了解，原本是一名矿工儿子的他由于特别对物理这个科学领域感兴趣，不仅拿到了著名大学的博士学位，更成为了欧洲大型强子对撞机的重要领头人。这位科学家对宇宙大爆炸尤为感兴趣，一心想要揭开宇宙中的那些未解之谜，这也是他策划创立欧洲大型强子对撞机项目的根本原因。

在过去的这数十年中，世界各地的物理学家们都在研究宇宙构成的基本粒子，以及它们之间可能发生的相互作用。因为，这样可以让粒子物理学的标准模型变得越来越完整。简单来说，这就好比是科学领域中粒子物理学上存在的诸多未解之谜，过程中会涉及到大量的实验数据，而大型强子对撞机就好比是专门收集这些数据的重要角色。

高能天体物理学的研究内容来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-371.html

自然界中的原子只包含三种亚原子粒子：质子、中子和电子，但物理学家们现在正在利用其他种类的亚原子粒子创造 奇异原子 （ exotic atoms），以了解它们是如何运作的。

我们倾向于认为原子像不同种类的小球，但它们更像小型机器。每个原子的运作方式都有些不同。为了更好地了解它们是如何运转的，将原子中的某个部分替换掉，看看有什么变化。研究人员已经发现，有时关于原子如何运转的传统模型是错误的。

对奇异原子的间接研究可以追溯到20世纪50年代的早期 同步加速器 和 氦气泡室（ Bubble Chamber ） 。这些实验的测量结果非常不精确，只能确认它们的存在，但逐渐地，方法得到了改进，并导致对各种不能长期存在的原子进行越来越精确的实验。

到目前为止， K介子 （kaon）、 π介子 （pion）、 μ介子 （muon）、 反质子 （antiproton）和 西格玛超子原子 （sigma hyperon atoms）都已经用X射线进行了观测。这种被称为X射线荧光光谱分析技术允许测量原子中的状态转换， 但是，激光光谱学的直接合成和检测一直是比较困难的，因为激光光谱学要精确得多。

2010年，德国加兴的马克斯-普朗克量子光学研究所（MPQ）的Randolf Pohl和其他人创造了 μ介子氢 ，其中一个μ介子代替了电子。利用激光，他们能够计算出质子的电荷半径，这对已知值提出了挑战。μ介子是像电子一样的轻子，具有相同的-1电荷和1/2自旋，并且没有亚结构，因此创造 μ介子原子 并不太困难。

对这些奇异原子的测量使我们能够研究原子物理的许多方面，并以高精度验证标准模型的预测。理解强相互作用是这里的一个主要动机，它开启了我们对相互作用强度、质量、磁矩、原子的核属性、放射性衰变和粒子-核相互作用等基础科学的理解，并在核聚变方面有应用。

最近，物理学家们用 π介子 创造了更多的奇异原子， π介子 是由夸克和反夸克组成的介子。这要困难得多，因为当你向物质发射一束π介子时，会产生大量的新粒子。 为了克服这个问题，研究人员从石墨中制造出π介子，并将光束定向到超冷超流氦-4上，创造出了 π介子氦！

在1935年发现中子之后，人们预测了像π介子这样的介子。该粒子被预测为比电子质量大200倍。1947年，首次从宇宙射线中探测到带电的π介子，其质量和预测的大致相同。同年，原子物理学的两位巨头费米和泰勒都预测， 通过用重的带负电荷的介子取代电子，可以形成 奇异原子 。 来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-379.html

孤立地看，一个π介子仅在26纳秒（一秒的十亿分之一）内衰变为一个μ介子和一个反中子。因此，这使得研究变得非常困难，但与试图用一个π介子制造一个原子时发生的情况相比，这不算什么。在这种情况下，原子会在不到一皮秒（一万亿分之一秒）的时间内衰变，并且π介子被吸收到原子核中。如果在氦原子中放置一个稳定的结构，π介子氦是“亚稳态的”，这意味着它持续的时间更长（10几纳秒）。另一个电子（氦有两个电子和两个质子）使原子保持稳定的时间更长，即使该原子与其他氦原子发生碰撞。

这种较长的寿命使得 π介子氦气 适合使用亚纳秒级的激光脉冲进行激光光谱分析，这使得科学家们能够窥探这种奇异原子的特性来源:https://faithandyoung.com/cshi/202501-6867.html。激光引发了裂变过程，引起了一个电磁级联，使π介子撞向原子核，而裂变的产物： 中子、质子和氘核 ，表明激光击中了一个π介子型氦气原子。

这项技术可以通过与量子电动力学（QED）的理论结果相比较，确定π介子以及μ介子反中微子的精确质量。 基于这些测量，新的“第五种”力也可以被限制，从而限制了新的物理学。

这一切都归结于 光谱学 的魔力，我们用同样的技术来探测遥远的恒星。

光谱学使，甚至科学家能够研究原子在不同频率的光下发生的跃迁。你可以把原子想象成一个小机器，一个原子核在中心，电子围绕着它运行。由于原子是如此之小，电子是 离域 的（delocalised），这意味着它们以概率云的形式出现在原子周围。量子力学的另一个特征是，电子只能在特定的能量水平上生存。它们可以处于基态，占据最低能级，也可以处于较高能级。有多个电子的原子在每一层只能有一定数量的电子来源:https://www.faithandyoung.com/cshi/202501-7334.html。

原子只有在与电子所能占据的能级相匹配的频率下才能吸收光子。这些频率是原子的光谱的一部分。当正确频率的光照射到原子时，电子会吸收能量并变得活跃。其后，它将衰变回其基态，并以特定频率的光的形式释放能量。不同的元素有不同的吸收光的光谱。这就是我们如何知道恒星是由什么组成的。

下显示了这个过程，光子撞击电子，使它“加速”到下一个水平，就像火箭加速一样来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-685.html。

这张很好理解，但却是错误的。真正过程一定比这更神秘。电子云只是吸收了能量并跳到下一级。在不涉及数学的情况下，下面一张更好的：

光子导致电子瞬间跳到一个更高的层次。

发射光谱与吸收相反。在这种情况下，一个原子以某种方式被激发，然后以特定频率的光释放能量。这就是激光是如何产生的。

我们用激光光谱学测量的几乎所有东西都涉及普通原子，而不是π介子原子，众所周知，能级是基于对电子的精确测量和理论预测。相比之下，π介子是由夸克组成的，与质子和中子的共享比电子多得多。此外，它们是由夸克和反夸克组成的，所以它们也包含反物质。

激光光谱学研究两个能级，有时被称为电子或 π 介子的 主量子数 ，用符号n表示，以及 角动量子数 ，用符号l表示来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-522.html。从一个主能级和角动量对 (n,l) 到另一个的跃迁被观察到在一个特定的光频率激发。占据n= 15-16附近高位置的π介子寿命更长。

寿命为皮秒的原子被称为“俄歇”原子，寿命为10纳秒的原子被称为亚稳态原子。

俄歇效应（ The Auger effect ） 是由被称为原子弹之母的利斯-迈特纳（Lise Meitner）在1922年发现的，指的是当内部空位被填充时从原子中发射电子。从本质上讲，有东西撞击原子导致一个内部电子被射出，另一个电子填补空缺，释放其能量，然后一个外部电子，称为俄歇电子，被射出。

这个俄歇过程，当应用于π介子时，导致它们迅速下降到原子核中，在那里它们导致原子核发生裂变。这发生在一万亿分之一秒内。然而，在亚稳状态下，这种情况不会发生， 它需要数千倍的时间让π介子落进去。

在亚稳态下， 由于π介子处于高能轨道上，俄歇效应被大大降低来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-322.html。你可以把这想象成一艘宇宙飞船，处于围绕一个星球的很高的轨道上，需要一段时间才能撞上它来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-564.html。

对π介子原子的研究可能导致对非微扰量子色动力学（QCD）的最严格的测试之一，即π介子和原子核之间通过强力的相互作用。 任何差异都可能导致新的物理学诞生。 即使是现在，实验也在推动理论计算的边界，并将QCD带到一个全新的验证水平。

这种水平的精确性可以将物理学完全带入新的方向，因为对强核力的理解远不如对电磁学的理解。它甚至可能导致新的、基于强力或弱力基础能源的突破。奇异原子是我们全面了解原子性质的一个关键组成部分。

高能天体物理学研究发生在天体上的这些高能光子的产生机理、辐射特征和物理规律。此外，由于这种辐射与其起源处的宇宙线高能带电粒子存在着密切关联，能够到达地球的宇宙线粒子的能量高，其能谱从10千兆电子伏开始直跨10个数量级，因此也把对高能宇宙线粒子的产生和加速机制的研究纳入高能天体物理学的研究范围 。

宇宙中的高能现象和高能过程是多种多样的，超新星爆发、星系核的活动和爆发、天体的X射线和γ射线辐射、宇宙线和中微子过程（见中微子天文学）等都是明显的例子来源:https://www.yz66.net/xwzx/202501-2308.html。此外，在某些天体上，例如类星体和脉冲星等，也有一些高能过程。它们都是高能天体物理学的研究对象。高能天体物理学已经取得一些重要的研究成果，主要表现在以下几个方面：①对于在恒星上可能发生的中微子过程作了开创性的研究，发现光生中微子过程、电子对湮没中微子过程以及等离子体激元衰变中微子过程等，对晚期恒星的演化有重要的影响；②对太阳中微子的探测发现实验值与理论值有较大的差距；③关于超新星的爆发机制，提出了一种有希望的理论；④超新星爆发可能是宇宙线的主要源泉；⑤在宇宙线中探测到一些能量大于1020电子伏的超高能粒子，中国科学院原子能研究所云南站在1972年发现一个可能是质量大于1.8×10－23克的荷电粒子；⑥发现星系核的爆发现象和激烈的活动现象；⑦1973年发现宇宙γ射线爆发，1975年又发现宇宙X射线爆发，二者是70年代天体物理学的重大发现；⑧对超密态物质和中子星的组成、物态和结构作了相当深入的研究。

与高能天体物理的观测基础相对应的天文学分支又称高能天文学。由于高能辐射的粒子特性，通常必须采用核探测器进行观测；由于地球大气的屏障作用，高能天文观测只能在40千米以上的高空气球、火箭和人造地球卫星上进行。1962年美国的火箭载探测器首次发现了一个光学亮度很弱而X射线通量很强的天体，名叫天蝎座X–1。这一发现说明，宇宙空间中存在着一类以高能电磁辐射为主的天体或天体现象，而且辐射的总能量之大是太阳一类的恒星或普通星系所无法相比的。天蝎座X–1的发现标志着高能天文学的诞生、全波天文观测时代的开始。在以后的40年中，100余颗高能天文卫星被送上太空，现已观测到能量从1千电子伏直至1,000千兆电子伏以上天体的高能γ光子辐射，发现了上万个宇宙X射线源、数百个宇宙γ射线源（包括X射线脉冲星、类星体等一大批高能天体）、宇宙γ射线暴、X射线暴、双星致密星和黑洞的X射线辐射等一系列的高能辐射现象，带给人们一个全新的宇观世界，高能天文观测本身及其所带动的高能天体物理研究获得了前所没有的迅速发展。来源:https://wzwebi.com/cshi/202501-1069.html

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