超大对撞机 美国物理“大牛”们怎么说

菲利普・安德森　在反铁磁性、高温超导等领域有重大贡献,1977年获得诺贝尔物理学奖,是美国SSC项目最有影响力的反对者。本报记者抱着试试看的态度,邀请他对这场争论做个点评,没想到93岁的老人家很快就通过电子邮件做了简短回应。 

　　

▲叶军　美国光学学会会士,美国物理学会会士,2011年当选为美国国家科学院士,成为极少数在改革开放后本科就读于中国大陆高校的美国国家科学院院士获得者。 

　　 　

▲韩涛　美国匹兹堡大学物理天文系教授,粒子物理-天体物理-宇宙学中心主任；美国物理学会会士；清华大学物理系千人讲席教授,长期从事高能物理理论和对撞机物理的研究,曾亲历美国SSC的兴衰。 

　　

▲戴维・格罗斯75岁,美国理论物理学家,2004年诺贝尔物理学奖得主。他去年曾在《华尔街日报》上发表《中国的科学大跃进》文章,力赞中国超大对撞机计划。此次,他还特意让人把回应译成中文,原文长近5000字。 

不久之前杨振宁、丘成桐、王贻芳关于中国是否应该建设超大对撞机的争论,影响已经超出了中国,引起了全球物理学界关注。现在看来,这已经不再仅仅是有关中国高能物理发展的一场争论,而是正发展为事关全球高能物理未来发展方向的一场大争论。应本报记者的邀请,两名美国诺贝尔物理学奖得主、两名美籍华人科学家共计四名物理“大牛”,分别从各自立场独家回应这场注定载入科学发展史册的大“对撞”,其中两人挺“撞”,两人反“撞”,为中国争论提供了美国视角。因篇幅原因,他们的观点刊登时略有删减。

安德森:代价过大

我已经认识、仰慕杨先生60年了,我同意他的意见。我认为,在许多年的踌躇后,我反对建设超大对撞机终究还是对的。我的直觉是粒子物理学家太执着于高能量对撞这个代价极大的单一研究方式,而忽略了其他重要的实验事实(比如暗能量、暗物质、丢失零点能量等问题)比追逐更高的能量还有意义。

叶军:不是非建不可

我个人认为,中国不应该建设能级超过大型强子对撞机的新型超大对撞机,至少现在不应该建。考虑到这样一个项目需要投入大量的时间、人力和费用,我们必须对社会给出一个非常有说服力的科学理由,才能做这件事。但我没有看到非建不可的理由。“标准模型”对物理世界的描述极其成功。不过,依然有一些突出的基本问题存在,可能需要超出“标准模型”的新物理才能解释。在没有确定性框架的情况下,科学界可以广泛投入,努力寻找新物理,这才是谨慎做法。比如,可在高精度测量方面投入,这可能会产生各种假设与新理论的线索,或为各种假设与新理论加以限制。现在我们根本不清楚建设能级提高10倍的下一代超大对撞机是否会产生突破。所以我认为,这场争论不仅仅是中国的争论,实际上也是全世界物理学界的争论。

韩涛:中国赶超世界绝好机遇

我1990年毕业时的博士论文题目就是:“大型对撞机中希格斯粒子的研究”。其后至今一直参与国际上高能物理的前沿研究,并经常参加国际上对未来高能物理的讨论。我完全同意王贻芳所长和丘成桐教授的见解,对杨振宁先生的评论不敢苟同。我认为中国参加并竞争来主导国际大科学项目,现在时机已经成熟,不应错失良机。

1993年10月,美国国会宣布终止SSC计划。1994年12月,欧洲核子研究中心(CERN)正式批准了大型强子对撞机(LHC)的建造,此后高能物理研究的中心从美国移到欧洲。LHC于2012年发现了希格斯粒子,解释了基本粒子的质量起源这一个古老问题,把人类对自然界的探索深入到了约10-9纳米的尺度。LHC带动了日内瓦周边的科学教育事业、工业的发展(发明万维网、超导体应用、低温技术应用、快速电子学),甚至城市建设(地铁公交网)。LHC没有成为“无底洞”,倒是一个“聚宝盆”。反观SSC所在地得克萨斯州的爱丽丝乡,20年来没什么起色,已建成的22.5公里的地下隧道被抛弃在那里无人问津。克林顿总统在签署终止SSC文件时明确指出,这将是美国科学界的严重损失。

今天,美国在高能物理的研究上,仍然提供了很大的投资,每年政府提供的研究经费约10亿美元,研究重点放在中微子实验和重味物理研究、暗物质及宇宙学的研究以及高能前沿的LHC,只是没有像大型对撞机那样的“旗舰”领头项目了。

自从上世纪90年代北京正负电子对撞机运行以来,中国的实验高能物理研究从无到有,已经达到了举世瞻目的高度。有很多科研成果为国际所认可,并获得国际奖项。中国新一代的高能物理学家有知识、有勇气来承担大型国际项目,这是前所未有的。我相信,大型对撞机的第一步希格斯工厂以及下一步更高能区的大型强子对撞机是会建造的,中国不建,别国也会的,不是有人在“忽悠”中国。

重要的是,我们只有一个时间不长的机会:美国还没有恢复状态；欧洲CERN忙于全力运行LHC,十年内腾不出手准备下一代的大型对撞机。时间上看,这是中国的高能物理研究赶超世界的绝好机遇,机不可失,时不再来。中国抢先建造希格斯工厂,就会使我们成为国际研究中心,领导高能物理研究20年甚至更长。这种国际领先的状态,中国是从来没有过的!

格罗斯:若中国重复美国弃建错误,将是一场悲剧

杨振宁教授是上世纪物理学的伟人之一,他最近表示反对在中国建设超大对撞机,我对此完全不能认同。

首先,我要说的是,我为中国对撞机计划可能带来的科学发展潜力感到非常高兴与极大鼓舞。作为中国科学事业的朋友和中国科学院外籍院士,我也为这个项目可以为中国带来许多益处而兴奋不已。

上个世纪90年代早期,我亲眼目睹了美国超级超导对撞机(SSC)计划被取消,当时SSC最积极的反对者提出了很多与杨教授一样的论点。然而今天,绝大多数人(包括当时的反对者)都同意SSC计划的终止对美国基础物理学是一场灾难,带来的很多负面效应始终难以消除。美国在粒子物理学上曾维持多年的毋庸置疑的领导地位,就这样很快地拱手让给欧洲,同时丧失的是一种至关重要的“大胆设想”和实行雄心勃勃的长期大型项目的能力。

今天,在这个物理学发展的关键历史时刻,中国面临着为物理学作出巨大贡献、同时也一举使自己成为基础物理的世界领导者的黄金机遇。如果中国在这个时候因为听信了同样的错误论点而重复美国当年犯下的严重错误,那将是一场悲剧。

目前,中国物理学家提出的是今后20年建设一个环形正负电子对撞机(CEPC),周长大约在50到100公里；在更远的将来,这个50到100公里的隧道还可以用来建设一个巨型质子对撞机(SPPC),但真正要负责任地作出建设SPPC的具体决定至少要到10年以后。

下面我来一一讨论杨先生的论点。

(一)建加速器需要的资金是个无底洞吗?

不是!SSC的例子早就过时,情况现在已经发生很大变化。事实上,取消SSC让国际粒子物理学界吸取了深刻教训。过去20年里,所有大型加速器项目都基本按时、按预算完成,包括最主要的欧洲大型强子对撞机。中国粒子物理学家详细估计了CEPC的造价,大约需要60亿美元。过去几十年中,从北京正负电子对撞机,大亚湾中微子实验,到散裂中子源项目,中国高能物理大工程在预算和实际造价相符合方面有很好的记录。

从LHC出发外推估计CEPC的造价是不合理的。众所周知,建设像CEPC这样的正负电子对撞机比建设像LHC这样的质子对撞机要便宜许多。我们现在还不能对SPPC的造价做出准确估计,因为这将取决于在今后10-20年中各项新技术的发展。

(二)像中国这样的发展中国家负担得起这样的对撞机吗?

可以!杨先生指出,尽管从经济总量上讲已经是一个富有的大国,中国的人均国民生产总值(GDP)仍然比不上发达国家。但是,人均GDP不是一个正确的指标,除非中国要建造的对撞机的数量和人口成正比。换言之,用同样的逻辑,我们也可以说在中国人均为这个对撞机的投资会比在世界上其他国家要少!

中国在世界舞台上雄心勃勃,这主要取决于中国的GDP总量,而不是人均GDP。　尽管人均GDP不高,但这阻止不了中国把目光投向月球,也阻止不了中国建成三峡大坝这样的伟大工程。启动大科学工程和中国的雄心壮志是非常吻合的。

更重要的是,我坚信一条经过历史考验的真理,那就是在科学前沿的长期投资可以推动技术的发展。正是这种技术进步,可以将发展中国家提升为经济超级大国。

(三)投资CEPC会阻挠中国在其他科学领域的发展吗?

不会!尽管我对中国具体如何投资CEPC的建设缺乏深入了解,如此大的一笔投资必然需要国家投入新的资金支持基础科学的发展,这和中国迅速增加基础科学投资在GDP中的比重这一目标是吻合的,其他科学领域不会为建设对撞机付出代价。

而且,SSC事件告诉我们,把科研经费投入看作是零和游戏是错误的。当SSC被终止以后,其他物理领域的科研经费并没有像预想那样大幅增加,美国追求宏伟科学目标的雄心反而受到很大打击,所有科研方向都遭受负面影响。

CEPC还会从另一个方面促进中国科学的发展,即变成吸引国际上物理和工程人才的“磁石”,从而创造和夯实一个能促进中国其他技术领域发展的人才环境。

(四)造对撞机只是要验证超对称这个未被证明的猜想吗?

不是。超对称是一种新的时空对称性,至今仍是一个未被实验证实的猜想。杨先生认为这些对撞机的主要科学目标是寻找超对称,但看起来他没有读任何详细探讨CEPC/SPPC物理目标的文献。CEPC和SPPC的核心物理目标更多是深入理解我们已经发现的希格斯粒子,而与寻找超对称关系不大。

CEPC就像一个强大的显微镜,它研究希格斯粒子的分辨率比LHC强10到30倍,将可以决定性告诉我们希格斯粒子要么还有内部结构,要么它是像夸克和轻子那样的基本粒子。类似的是,SPPC也将以希格斯粒子为中心:它将确定希格斯粒子之间的相互作用是否符合作为一个基本粒子的特性。

当然,SPPC也将探索更高的能量区。和LHC相比,SPPC可以产生出重几乎十倍的粒子。正是因为超对称只是一种未被证实或证伪的猜想,SPPC也会寻找它。其实,所有物理学中伟大的理论,比如杨-米尔斯局域规范场论,或者量子色动力学,在未经实验检验前都“只是一个猜想”。

(五)高能物理对社会有实际的好处吗?

有!即便从最狭窄的意义上讲,直接源于高能物理研究的新技术也已带动大批相关工业的发展,产生的经济效益远远超过在基础科学上的投资。加速器产业的总价值有几十亿美元,它是在粒子物理的研究中诞生的,现在从光源到用于癌症放射治疗的医用加速器,全世界有数以千计的小型加速器。由于质子对撞机需要强磁铁,这极大地带动了超导磁铁技术的发展,形成了几十亿美元的产业。同时,超导磁铁技术又是价值50亿美元的核磁共振成像产业的核心。

更重要的是,推动前沿科学研究发展最强大的动力,来自于我们对了解与掌握自然规律的基本的好奇心。正是对自然规律的掌握,导致了一次又一次的技术革命,彻底改变了我们的生活。通常,这些技术上的进展可以被看做是派生的,并不与科学探索的核心问题直接相关。然而,这些进展又是在解决科学问题的过程中必然出现的。一个著名的例子是,如果没有量子力学,就不可能有现代的电子产业。我们可以说理解量子力学是当今世界2/3的GDP的基础。另外一个著名的例子是发明于欧洲核子中心的万维网,其起初的目的在于应对实验高能物理学家共享海量数据的挑战。

为什么为科学而科学的研究会有如此辉煌的带动革命性技术发展的历史呢?这必然是因为大自然本身提出了比我们可以想象到的更深刻和更具有挑战性的问题。我们对理解自然的追求可以激发出空前的创造力,迫使我们提出更好更深刻的想法。

(六)中国粒子物理学界能力不足以胜任执行这项计划的任务。

不对!我强烈地不同意杨先生的这个观点。80年代北京正负电子对撞机(BEPC)的建成,使中国登上了粒子物理的世界舞台。此后几十年中,中国高能物理稳步成长,愈变愈强。

一个很好的例子是最近的大亚湾中微子实验,在“角逐”中微子混合中最难以捉摸的现象中战胜许多实验组,做出了决定性的测量,拿到了国际声望卓著的大奖,其成就得到国际物理学界公认。负责大亚湾实验的王贻芳教授希望在此基础上开展CEPC/SPPC对撞机计划,一举使中国成为世界高能物理的领导者。

杨先生担心这个计划在科学上会被外国人主导,而中国人的贡献不会被认可。杨先生对中国物理学家的能力和潜力如此缺乏信心,我表示震惊!这些项目会对中国的粒子物理学界产生巨大的促进作用,使得大批的年轻人才投入物理研究。在10-20年内,中国物理学家毫无疑问会成为CEPC的主导力量。

那么,中国物理学家会因为在这些对撞机上的发现获得诺贝尔奖吗?有可能,谁又可以预言呢?但是,得奖又有多重要呢?像这样伟大的科学工程超越了奖项以及对个人荣誉的追求,今天更是如此。可以肯定的是,CEPC将使中国成为今后20年基础物理研究的中心,而建设SPPC可以使这个地位延续至50年。

(七)还有其他低成本的途径研究基础物理吗?

没有!在实验方面,杨先生建议发展新的加速器技术。这当然是一个重要的方向,已经发展了几十年,并产生了对粒子进行更有效加速的具体方法,比如运用激光技术。但是,没有一种现有技术可对大量粒子进行足够一致的加速,从而制造足够多的粒子碰撞来进行基本粒子物理学研究。也许这些困难可以克服,但是也许需要几十年的时间,谁也无法确切预言。

有意思的是,SSC一些著名的反对者也曾提出过类似的论点。当时,凝聚态物理学家指出应推迟建设SSC,等待开发出新的高温超导材料,从而大幅降低建设对撞机的成本。然而差不多30年过去了,我们仍然没有等到那些可以应用的新材料。与此同时,使用传统超导材料的对撞机却在不断作出新的发现,包括顶夸克和希格斯粒子。

杨先生还建议进一步研究物理学中美妙的几何结构。显然,作为理论物理学家,我有信心理论物理可以产生深刻的新猜想,推进我们对自然界规律的认识。对几何结构的研究是很多这样的途径之一。但在最基本的层面上,物理学是一门实验科学,实验一直在发现最深刻的理论的过程中扮演了关键角色。

现在,基础物理学对新实验的需要像以往一样紧迫。事实上,对于与希格斯粒子相关的谜团,LHC的结果使我们在理论上比过去几十年更加困惑了。在这种情况下,我们极其需要实验给我们提供新的清晰信息,而这正是CEPC可以给我们带来的。