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昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎?你一定用過CERN發明的這個東西!──《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》

昂貴的粒子物理基礎研究值得嗎?

基礎研究如大強子對撞機的建造成本很高,每個人都有權利詢問是不是值得。圖/Image Editor@flickr

粒子物理學的基礎研究當然是非常有趣的,但它也是很昂貴的。舉例來說,歐洲核子研究組織(European Organization for Nuclear Research,簡稱為CERN )大強子對撞機的建造成本(包括人員、儀器研發和建造材料)約為 30 億歐元(約 33 億美元)。超導環場探測器本身的建造費用為 4.55 億歐元(5 億美元)。儘管這個數字看起來很大,但歐洲核子研究組織 8.25 億歐元的年度預算(約 9 億美元)只相當於每個年紀大到可以喝咖啡的歐洲公民喝一杯咖啡加總起來的費用。

但是這筆金額還是很龐大,所以每個人都有權利詢問這筆錢是不是花得值得。

在此,我將解釋投資於研究的經費不僅在經濟上帶來百倍以上的回報,而且可以造福整個社會。由於基礎研究帶來了科技上的突破,醫療技術和通信技術因而有所進步。物理學基礎研究徹底改變了我們的生活方式,而且改變還在持續當中。

以歐洲核子研究組織為例

在本文中,我主要以歐洲核子研究組織作為例子,因為它是目前最大且仍在運轉當中的國際性粒子物理學研究實驗室。

日本的 J-PARC(Japan Proton Accelerator Research Complex) 是一個多用途研究中心,他們也使用質子加速器。其他實驗室,如美國的 SLAC 國家加速器實驗室(SLAC National Accelerator Laboratory) 和費米實驗室(Fermi National Accelerator Laboratory, FNAL)以及德國的 DESY 一直到不久以前都還是非常活躍的粒子物理學研究中心,但他們的加速器目前已經停止運作。費米實驗室的主注入器(Main Injector)則仍在運轉中,為 MINOS、Minerva 和 NOVA實驗供應微中子束。其他實驗則正在等待批准或仍在前置興建階段。還有其他幾個較小的研究中心,例如加拿大薩德伯里的微中子觀測站實驗室(Sudbury Neutrino Observatory Laboratory, SNOLAB),日本的高能加速器研究機構(KEK)和義大利的 Gran Sasso,這些研究中心都是專門研究微中子物理和暗物質搜尋。最近,有參與粒子物理學研究的所有國家決定在大型國際實驗合作計畫中共享資源(例如歐洲核子研究組織正在進行中的實驗合作計畫)。

每年有來自約五十個不同國家的二百五十名學生參與歐洲核子研究組織的暑期課程。這些學生不僅各種研究中都有貢獻,還與來自世界各地的年輕人交流。資料來源:歐洲核子研究組織

粒子物理學基礎研究的回報並不必然都是直接的。舉例來說,目前沒有人知道希格斯玻色子將來會不會有實際的用處,很可能不會!我們並不是因為期待希格斯玻色子能夠解決人類的大問題而做這個研究的。相反的,該研究的目的,是為了能更了解我們周遭的物質世界,並將提高我們的知識層次。

所以說,基礎研究實驗室的首要任務是滿足人類對知識的深度渴求。自從人類存在以來,人們一直都想知道自己的起源和命運。但這些實驗室其實還有其他三個主要目標:為科技發展作出貢獻培養高度專業的人力以及(就國際實驗室而言)透過科學研究促進和平與國際合作

基礎研究帶來燈光,而不止步於漂亮的蠟燭

不過,我們不該低估任何新發現的潛力。誰能預言一百年前物理學家在電子和電磁波上的研究,會對我們今日的生活產生如此驚人的影響呢?一件軼事(即便它有點爭議)可以用來說明這一點。據說英國財政大臣(即財政部長)曾質問法拉第(Michael Faraday)他的電學研究是否有任何潛在用途時,法拉第顯然回答說他不知道可以做什麼用,但法拉第補充說:「先生,將來有一天你可能可以課它的稅」。

正是對電學的基礎研究,徹底改變了我們的生活,讓我們的閱讀不再使用蠟燭。圖/MSphotos@pixabay

電子和電磁學的研究帶來了電子用品、電信和電腦的發展。過去幾個世紀中,物理學家的研究成果和技術人員和工程師的專業知識相結合,並將發現應用在現實中,進而重塑了我們的日常生活。如果沒有物理學的基礎研究,我們今天就會靠燭光閱讀。正如一位同事向我指出的,我們肯定會有非常漂亮的蠟燭,但就只是蠟燭。基礎研究不僅對我們的生活產生重大影響,而且也啟蒙了我們的精神,使人類擺脫了無知的沉重負荷。

不管在理論還是在實驗,好奇心都引導了基礎研究。基礎研究必須不受到限制,使想像力和創造力得以自由流動。縱使無法保證一定能夠發現什麼,但物理學家必須檢視所有的可能。另一方面,應用研究的目的,在於為具體的問題找出實際的答案,它以基礎研究為本,帶來了科技突破,並有更進一步的發展。物理科學應用於其他學科之中,也在各個工業領域當中扮演了重要的角色。從經濟的角度來看,物理學影響著整個社會,我們在本章中將看到,物理學在各領域、各方面的成績,已在日常生活當中影響我們每一個人。

對各國的經濟回報

已有幾份研究試著評估基礎研究對經濟所帶來的影響。經濟與商業研究中心(the Centre for Economics and Business Research, CEBR)為歐洲物理學會(European Physical Society)所做的研究很具啟發性。這份研究是從科技和科學的角度評估基礎研究對歐洲物理學的產業所造成的影響。因此,它涵蓋了所有仰賴電機工程、機械和土木工程、能源、計算、通信、設計製造、運輸、醫學和航空的經濟活動。

仰賴物理學的產業對於歐洲個過總收入之貢獻的百分比,這些國家以其雙字母代碼表示:DE為德國、FR為法國、GB為英國、IT為義大利、ES為西班牙、NO為挪威、NL為荷蘭、CH為瑞士等。 資料來源:歐洲物理學會

2010 年的統計指出,仰賴物理學的產業共為歐盟的 27 個國家、瑞士和挪威創造了 3 兆 8000 億歐元的收入(上圖),相當於這些國家總收入的 15% 左右,超越了零售業的總額。總共有 1 千 5 百 40 萬人在這個產業工作,也就是歐洲總勞動人口的 13%。

促成跨時代的科技發展

在大強子對撞機中,4-緲子候選事件示意圖。圖/ ATLAS, Collaboration @wiki

正如我們在整本書中所看到的,當今粒子物理學的研究需要高度精密複雜的工具才得以進行。通常在設計階段,大型實驗所需的技術並不存在,這些技術必須在過程當中被開發出來,特別是像大強子對撞機這樣二十年前就開始籌備規畫的超大型計畫。大強子對撞機的建造工程,使得若干技術超越當時的疆界,過去從不曾有任何儀器會用到如此強大的超導磁鐵,更不用提這整個計畫的規模,超導、極度真空和極度低溫相關的技術都因此而有很大的進展。

大型實驗合作計畫的所有測量設備也是如此,大強子對撞機所使用的偵測器都需要更高的抗輻射能力以及更高性能的電子模組,在承受極端輻射水平的同時,還要能夠高速與大量採集數據。這個需求提供了建造網格(Grid)的動力,網格是一個龐大的計算機網絡,串聯了成千上萬台遍布在世界各地的電腦,提供了大強子對撞機實驗所需的計算能力。

技術方面的進步已化為現實,並應用在各式各樣的產業中。簡單舉幾個例子,這些應用包括了配有光纖的濕度感測器、使用永久磁鐵之引擎的隔膜系統、設計印刷電路板的開放原始碼軟體,以及 3D列印的附加處理技術。

全球資訊網──來自歐洲核子研究組織的最好的禮物

某些發現也對大部分地球居民的日常生活有直接影響。例如歐洲核子研究組織最成功的結果:全球資訊網(World Wide Web)。全球資訊網深遠地改變了我們取得訊息和知識的方式(包括新興國家),從而影響到地球上數十億人的日常生活。

提姆‧伯納斯-李在歐洲核子研究組織工作時發明了全球資訊網。這張照片攝於1994年,當時他正坐在一個電腦螢幕前面,而螢幕上顯示的正是世界上第一個網頁。根據資料,全球資訊網每年刺激了市值 1.5 兆元的商業交易量。資料來源:歐洲核子研究組織

到目前為止,歐洲核子研究組織對人類最大的影響並不是發現了希格斯玻色子,而是發明了全球資訊網(World Wide Web,簡稱WWW)。全球資訊網是由提姆.伯納斯─李(Tim Berners-Lee)和他的團隊於 1989 年開發出來,當時他在歐洲核子研究組織工作,而當初開發的目的是為了要解決一個影響到歐洲核子研究組織成千上萬名研究人員的問題。科學家們需要一個能有效交換訊息的通訊方式,大多數這些物理學家經常在他們自己的研究機構和實驗室之間穿梭,以參與各種研究活動。為了讓這些物理學家可以彼此交換訊息而不需在行李箱中拖著幾公斤列印出來的文件,全球資訊網於焉而生。

如果說伯納斯─李是一位有遠見的人,那麼我們也可以說歐洲核子研究組織具有非常前瞻的想法,決定將全球資訊網開放給全人類使用,而不要求任何版權收入。由於歐洲核子研究組織的研究是受到公共資金資助,因此我們也希望全球資訊網能使每一個人都受益。網路使得資訊可以在世界上任何地方流通和取得,誰能忽視這個溝通工具對我們的生活所產生的影響呢?

粒子物理學界有愈來愈多人認同「開源」(open-source)的觀念,例如像是知識可以自由、免費地共享,並且透過網路傳播開來。歐洲核子研究組織的實驗結果已經不再只發表在昂貴的專業期刊上,現今所有的資訊都可以在「開源」社群媒體中取得。不僅在科學出版方面是如此,有些軟體也是以合作和共享的精神和其他的機構、業界或社會共享。這樣可以確保來自新興國家的大學和機構不至於處於劣勢。

 

 

本文摘自泛科學2018年2月選書《到世界頂尖實驗室 CERN 上粒子物理課》,臉譜出版

 

 

 

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