“物质最深处”是什么？探索“物质最深处”有何意义？这两个问题不仅是当代粒子物理学科要回答的问题，也在多方力量的合作中推进着人类文明的进步。
6月16日下午4点，本学期最后一期周三茶座有幸邀请到了中国科学院院士、北京大学物理学院教授、核物理与核技术国家重点实验室（北京大学）主任高原宁教授为大家讲解“物质最深处”。中国科学院院士、北京大学物理学院王恩哥教授主持了此次茶座。
主讲人高原宁教授
主持人王恩哥教授介绍主讲人
茶座以希格斯（Higgs)粒子的发现为主线，从科学理论和研究实践的角度回顾了当代粒子物理学探索物质世界基本组成与结构的历史过程，并结合这一过程中的国际合作和技术发明提出了当前中国高能物理学的发展设想，综合阐释了从一个问题到一种事业、从一门科学到一种文明的基础理论研究价值。讲座从以下三个方面展开：
一、希格斯粒子：探索“物质最深处”的理论基础
粒子物理学不仅追问基本粒子的结构是什么，还要了解粒子间的相互作用力。经典力学描述了宏观尺度下低速客体的运动规律，爱因斯坦的相对论描述了宏观尺度下高速客体的运动，量子力学则揭示了微观尺度下粒子的运动规律。但是，针对极端情况--即微观尺度下高速运动的粒子，且会产生和湮灭——则需要用量子场论(quantum field theory, QFT)予以描述。
量子场论的基本概念是指“每种粒子对应一种场，对应各种不同粒子的场在空间中相互重叠地充满全空间。场处于基态时由于不能释放出能量，不能输出信号，从而不表现出直接的物理效应，亦即不表现为出现粒子。”（高崇寿、曾谨言著：《粒子物理与核物理讲座》）因此，场成为了比粒子更基本的单位，且所有的场都处于基态时的物理真空并非“真”的“空”无一物。相反，场的存在让自然界犹如一把提琴，静态的琴弦是处于基态的场，而拨动琴弦时跳跃的音符则是基本粒子。于是乎，自然界变成了承载着场与粒子的提琴所奏出的美妙乐曲。
场的发现引导科学家在测定粒子质量及其影响的研究上更进一步。1964年，Peter Higgs, Robert Brout等6位科学家提出了后来被称为“Higgs机制”的理论设想，打破了原本的对称性规范框架，发现原本没有质量的客体在真空状态中有了质量。而寻找Higgs粒子则耗费了人类近半个世纪的精力，直到2012年该理论才首次在实验上得到证实。
讲座现场撷影
二、加速器与欧洲核子研究中心：探索“物质最深处”的现实努力
基于量子原理和相对论质能关系使得加速器成为探寻Higgs粒子的必要工具。其经历了静电加速器-直线加速器-回旋加速器-同步加速器-粒子对撞机的发展，不仅类型和应用范围逐渐拓展，也为粒子物理学家测试极端情况提供了可能。2012年7月4日，在欧洲核子研究中心（CERN）大型强子对撞机的两个实验组ATLAS和CMS宣布发现Higgs粒子，成为全人类欢欣鼓舞的时刻。
以CERN为代表，各国科学家为了推动前沿基础理论发展的努力成为人类国际合作的典范，不仅获得了跨越国界、信仰和种族的支持，也形成了科学研究与工业生产的良性互动机制。而且，以万维网（world wide web, WWW）等为代表的技术革新改变了人们的日常生活方式，表明Higgs粒子发现的重要价值已经从科学领域蔓延至人类文明的范畴。
三、后标准模型问题：探索“物质最深处”的未来展望
Higgs粒子的发现为粒子物理学的发展揭开了新的篇章。对“Higgs场到底长什么样”的探索很可能触及宇宙大爆炸是否有一级相变、暗物质是什么等关键性问题，对推动基础理论的发展具有重要意义。为精确研究Higgs粒子的性质，国际高能物理界提出了不同的设想，日本准备建成国际直线对撞机（ILC）、欧洲准备在未来环形对撞机（FCC-ee -- FCC-hh）上下功夫，美国专注于中微子束及其实践（LBNF/DUNE），而我国高能界的学者们则以Circular Electron-Positron Colider（CEPC）为设想，旨在使精密机械等国内已有技术更上一层楼、超导高频腔等国内没有的技术国产化、高温超导等变革性的关键技术突破。
纵贯历史，粒子物理学的发展与政治决策密切相关。对于中国CEPC的建立来说，其决策过程对未来有重大影响，中国科学界与国家高能界需要为决策提供科学依据，通过开展深入的预研究，论证其科学目标、基建规划、工程造价、国际合作和对环境及社会的影响等多个维度的可行性。同时，当前的高能界也要注重区分讨论与争论，形成合力、共谋发展。
高原宁教授分享的图片
讲座最后，高原宁教授将《三体》作者刘慈欣的“从长远的时间尺度来看，在这无数可能的未来中，不管地球达到了怎样的繁荣，那些没有太空航行的未来都是暗淡的”改为“没有太空航行+对撞机的未来都是暗淡的”。这一微小却精妙的改动不禁让物质最深处的探索即充满诗意，又具备了可行性。高教授还与大家分享了他十分喜欢的图片，让我们看到人类凭借智慧与热忱在辽阔天空和茫茫苍穹间“吾将上下而求索”的勇气和毅力。现场韩启德、王恩哥、汤超和傅军等嘉宾就讲座内容进行了进一步深入探讨，鼓励青年学人继续探索物质的最深处，为人类文明的发展而挑战和超越自我。
讲座在与会嘉宾们的热烈讨论中落下了帷幕，王恩哥教授向高原宁教授表示了衷心感谢。他向大家介绍了下学期“周三茶座”的主讲人名单，并祝愿新学期“周三茶座”继续为大家带来新观点、新知识、新启发。
文字来源：谭萌
图片来源：冯慧敏
