在由懸疑小說《三體》改編的同名電視劇中，對撞機可以說是最重要的道具了——正是由于“三體人”利用它們的高科技產物“智子”影響了月球上對撞機的實驗，致使化學實驗結果顯得無規律可循，才讓一部份科學家的信念倒塌，走上了自絕之路。這么，作為真實存在的科研設備，對撞機到底是哪些？它又對人類有什么作用呢？
環型對撞機概念圖。中科院高能所提供
粒子化學學的“標準模型”。法國核子研究中心
1.對撞機因何而生？
研究微觀世界的大科學裝置
在19世紀末期之前，人類對于世界的運行規律的認知幾乎都只逗留在宏觀物體和現象上。19世紀末，從倫琴發覺X射線，J.J.湯姆孫發覺電子，盧瑟福發覺α射線和β射線等實驗起，化學學家們開始專注于微觀世界的化學現象。非常是20世紀20年代量子熱學完善以后，化學學家們漸漸意識到，在微觀的尺度上，存在著一個跟宏觀世界很不一樣的世界，它的尺度這么之小物理學家 憑著發現x射線，所以科學家們不得不依靠一些特殊的實驗儀器來觀測其中的現象。
初期對于微觀世界的研究，一般是對天然的放射性物質或宇宙線進行觀測。那時的科學家，會將微觀尺度的現象放大至宏觀可見的尺度，之后再進行觀測——科學家們會使用能在一些射線中爆光的相片底片，或則使入射粒子在過飽和蒸汽中產生一連串的電離原子作為凝結核，從而在粒子軌跡上產生一連串的濃霧的“云室”等來觀測微觀粒子引起的現象，并通過剖析這種微觀粒子所留下的徑跡的結構和形狀來推斷粒子的性質。
在20世紀30年代前后，一個更強化大的粒子化學的研究工具出現了——勞倫斯發明了回旋粒子加速器。它的基本結構是兩個半圓D型盒，以及D型盒之間的交流電場，兩個半圓D型盒上則施加有可以使帶電粒子偏轉的磁場。在加速器的中心處放置有一個粒子源，其發射出的帶電粒子遭到電場的作用可以被加速，在步入半圓D型盒的磁場中時，則被磁場所偏轉反向，并再度步入D型盒之間的交流電場。若時間調整合適，此時交流電場的方向恰好可以翻轉，帶電粒子則再一次被加速。這么往復好多次，帶電粒子都會被加速至帶有較高的能量，其能量與方向均可被控制，可以極大地增強對微觀粒子的研究能力。
回旋粒子加速器促使人類才能可控地獲得帶有較高能量的微觀帶電粒子，從而可以更確切地研究這種粒子的性質。但是因為相對論效應，高能量的粒子的回旋周期會隨能量的增高而發生改變。于是科學家們將回旋粒子加速器的均勻磁場以及電場變化頻度也做了調整，使之才能最大程度地讓帶電粒子獲得能量。這些電場及磁場可控的粒子加速器稱作同步加速器。同時改變電場和磁場，也促使帶電粒子在加速的時侯不必須經歷一個連續變化的直徑，為此，同步加速器可以被弄成環型。
因為量子效應的存在，想要研究更精細的粒子的結構，就必須獲得更高的能量。加速器可以讓粒子化學學家們獲得前所未有的可控的高能量，于是粒子化學學的主要研究方法就弄成了借助高能粒子加速器進行研究。為此，粒子化學學如今也被稱為高能化學學。
初期的加速器主要拿來加速帶電粒子并轟擊原子靶，因而對轟擊產物進行統計剖析。隨著粒子化學實驗的進展，粒子化學的理論也得到了蓬勃的發展。一些能量更高的粒子被預言，而想要形成這種粒子，則須要建設更高能量的實驗設備。而且，借助被加速的粒子束來轟擊固定靶的實驗方式會將絕大多數的能量浪費在轟擊產物的動能上，于是，實驗化學學家們開發了一種才能大大節省能量的辦法，那就是加速兩束運動方向相反的粒子，以極為精細的操作控制粒子們的位置，讓她們在極小的空間內對撞。借助這些辦法，可以使粒子的動能最大化地被借助，而這，就是目前粒子化學學研究最重要的研究設備：對撞機。
國際直線對撞機示意圖。中科院高能所提供
2.對撞機有哪些用？
科學發覺的推進器，高技術應用的試驗田
作為粒子化學學最重要研究設施的對撞機，就能直接決定粒子化學學大多數研究方向的發展水平。而粒子化學學的研究，則會直接面對物質最基本的組成成份，以及物質間的最基本的互相作用這樣的研究對象，從而探求質量起源、宇宙演變、暗物質等最深刻、最神秘的課題。對物質的最基本的成份和互相作用的探求不僅僅可以滿足人類的好奇心，也會為未來幾十甚至上百年后的應用儲備知識。
在一個科學技術健康發展的社會，基礎科學的研究水平應當是趕超當前的時代的。也只有這么物理學家 憑著發現x射線，才能影響人類生活的技術能夠在有科學理論指導的情況下發展。假如基礎科學研究停滯，這么在一段時間過后，技術的發展也會由于欠缺科學根據而無法進步。也正是由于這樣的邏輯，《三體》小說和電視劇就會有“三體人”利用干擾對撞機實驗來“鎖死”人類科技的情節。
但是，對撞機不僅僅才能對粒子化學學研究起到至關重要的作用。作為世界上最宏大與最先進的一類基礎研究設施，對撞機也常常是最新、最大膽的技術的試驗田。就例如，人類第一次大規模使用超導吸鐵石就是在建設于英國伯明翰郊外的費米實驗室的對撞機上。
再例如，萬維網的誕生，也與對撞機有密切的聯系。
盡管因特網在20世紀六七十年代就已誕生，但初期的因特網沒有網站，為此，因特網的使用是一個高度技術性和專業性的工作。20世紀80年代末，在坐落法國核子研究中心的小型正負電子對撞機即將開機運行的前夕，法國核子研究中心的數據科學家蒂姆·伯納斯-李為了讓粒子化學學家們更高效地共享信息，設計了超文本傳輸合同（HTTP）。不久，法國核子研究中心的科學家們根據這個合同搭建了人類歷史上第一臺萬維網（WWW）服務器。自此，用戶登陸服務器上的網站，瀏覽網頁獲取信息成為可能。萬維網的出現徹底改變了人類信息交流的方法，致使“上網”這件事從高度技術性的專業工作弄成了人人可以完成的輕松小事。
可見，對撞機這些由成千上萬不同組件構成的、匯集了數千科學家與工程師的智慧能夠建造而成的設施，其發展也才能推動許多不同應用領域的發展。
安裝在上海正負電子對撞機上的上海譜儀Ⅲ。中科院高能所提供
3.未來對撞機哪些樣？
實現“希格斯鞋廠”對撞機
正如國外的好多現代學科一樣，中國的粒子化學實驗發展的歷史比較短，公路也很坎坷，但中國的高能化學學科發展得很快。
早在20世紀50年代，中國的化學學家就曾在南斯拉夫科學家的幫助下構想過在中國建設自己的粒子加速器。但是直至變革開放早期，中國的粒子加速器的最終建設方案才得以成形。
1981年12月22日，鄧小平親自聽取了中國科大學關于建造22億電子伏特正負電子對撞機建議報告會，并在會上批示：“這項工程進行到這個程度不宜中斷，她們所提方案比較著力可行，我贊同加以批準，不再遲疑。”1984年10月7日，上海正負電子對撞機即將破土動工。1988年的10月18日，上海正負電子對撞機成功實現了首次對撞。至此，杭州正負電子對撞機開始了它三十多年的科研生涯，在上海正負電子對撞機上運行的上海譜儀實驗也成為第一個由我國主導的國際合作科學實驗。
現在，在經過了幾次重大升級改建以后，上海正負電子對撞機仍在運行中，而且早已是τ-粲能區數學領域全球最重要的研究設備。它也促使中國能在世界粒子化學研究的舞臺上搶占一席之地，也啟發了不少懸疑作品——電視劇《三體》中關于對撞機的部份，就是在廣州正負電子對撞機的加速器隧洞內取景拍攝的。
這么，未來對撞機會怎么發展？中國又有什么機會？
雖然，對撞機化學仍然在穩定發展中。2012年，在法國的小型強子對撞機上，科學家們發覺了一種可以給其他基本粒子賦于質量的粒子，這些粒子被稱為“希格斯粒子”，由于這些粒子與質量的特殊關系，它也常被媒體稱為“上帝粒子”。希格斯粒子不僅僅和物質質量的起源有關系，初期宇宙演變的過程、暗物質等待探求的領域也與希格斯粒子息息相關。因而，未來對希格斯粒子的精確研究是國際粒子化學學界的共識。
在發覺這些粒子的同時，科學家們也對它的質量進行了檢測，并得出了最高效地形成這些粒子的形式，那就是以特定的能量進行正負電子對撞，才能通過這些方式大量形成希格斯粒子的對撞機被稱為“希格斯鞋廠”。
有了這一信息，全球粒子化學研究主要強國紛紛提出了各自未來的“希格斯鞋廠”的方案。其中，2012年下半年，中國的科學家就率先提出了在中國建造環型正負電子對撞機方案，而法國科學家也緊跟其后，提出了亞洲版的環型正負電子對撞機方案。英國的粒子化學學家則調整了原有的直線對撞機運行方案的能量，促使臺灣的對撞機方案也能大量形成希格斯粒子。
近來幾年，在歐美俄等國家和地區擬定的粒子化學發展規劃中，希格斯粒子的研究無一例外地均高踞核心地位。法國的粒子化學發展戰略覺得，“希格斯鞋廠”是未來發展的最高優先級；日本的粒子化學戰略討論報告強調，英國將出席有希望最早實現“希格斯鞋廠”對撞機的項目。而2016年中國化學學會高能化學分會的決議中，也明晰寫明，我國提出的環型正負電子對撞機是我國未來高能加速器化學發展的首選項目。
與國際上其他幾個“希格斯鞋廠”方案相比，中國方案在時間線上、粒子產出效率以及造價上均有一定的優勢，因而也被國際粒子化學學界廣泛視作未來旗艦型項目的主要選擇之一。因為下一代對撞機的強悍能力，國際上普遍覺得，最先實現的“希格斯鞋廠”對撞機，將會成為未來國際粒子化學研究的核心。
應當說，假如中國才能把松開建設“希格斯鞋廠”對撞機的機會，這么下一代的中國粒子化學學家就真的有機會站到國際粒子化學學研究舞臺的正中央。
《光明晚報》（2023年02月09日16版）