郭曉明

大型對撞機(jī)與基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)進(jìn)步

郭曉明

最近，多位知名科學(xué)家公開討論中國是否應(yīng)該建造大型對撞機(jī)的問題，引發(fā)了大眾對高能物理的熱情。高能物理也曾稱粒子物理，是最接近哲學(xué)的前沿科學(xué)，它是逼近終極理論的理論，它研究什么是物質(zhì)，什么是能量，什么是質(zhì)量，什么是電荷。它的研究范圍，有比質(zhì)子、中子更小的粒子，也有大到宇宙的誕生，宇宙的構(gòu)成等問題。這個學(xué)科推進(jìn)的重要方法之一，就是以建造越來越高能量的對撞機(jī)為路徑。

高能物理源于人類對原子核的認(rèn)識的需要，起始于人類對原子核的認(rèn)知的一個理論。原子核由質(zhì)子和中子組成，一些放射性衰變原子核會放射出電子，因此，要了解原子核的結(jié)構(gòu)，必須弄清楚質(zhì)子、中子和電子的相互作用。本來質(zhì)子和中子被稱為基本粒子，1955年毛澤東認(rèn)為不是基本粒子，認(rèn)為還有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。同年物理學(xué)家就用高能電子束測出質(zhì)子和中子有電荷和磁距分布，證明有內(nèi)部結(jié)構(gòu)，不是基本粒子。經(jīng)過物理學(xué)家長期努力，經(jīng)過粒子對撞試驗(yàn)和理論發(fā)展，主流物理學(xué)家已經(jīng)達(dá)成共識，就是質(zhì)子和中子由夸克組成。質(zhì)子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而這些夸克的特性又有不同顏色。用兩個夸克解釋兩個核子，而且符合碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可以說是粒子物理的一大進(jìn)步。然而，構(gòu)建夸克理論用到的對稱性，假設(shè)了有六個夸克，其他夸克組合成許多其它粒子，這些數(shù)量眾多的粒子陸陸續(xù)續(xù)不是被宇宙射線觀測證實(shí)，就是被人工粒子碰撞機(jī)發(fā)現(xiàn)證實(shí)。除了夸克組成的強(qiáng)子，還有輕子，輕子的數(shù)目幾乎和強(qiáng)子數(shù)量差不多，這些亞核粒子相互作用力又需要相應(yīng)的交換粒子來解釋。為了認(rèn)識質(zhì)子、中子和電子這三種粒子的本質(zhì)，高能物理的標(biāo)準(zhǔn)理論已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了60多個粒子，用60多個粒子的理論來解釋三個粒子，這種解釋效率太低。這60多個粒子很多不是自然界觀測得到的，必須用對粒子撞機(jī)對撞才能觀測到，這些粒子壽命極短，它們存在的時間大約是100億分之一秒甚至短于億億分之一秒，以至一些物理學(xué)家不承認(rèn)這些是粒子，稱其為能量共振態(tài)。觀測這些壽命極短的粒子主要依靠測量它們衰變產(chǎn)生出來的次級粒子來推論它們的特性?？淇艘彩桥鲎矊?shí)驗(yàn)無法單獨(dú)分離出來的粒子，夸克的相互作用如此之強(qiáng)，乃至試圖把夸克碰撞出質(zhì)子的能量如此之大，碰撞出夸克的能量足以產(chǎn)生正負(fù)夸克對，變成比質(zhì)子質(zhì)量還大的介子。楊振寧顯然對這個理論保持了清醒的頭腦，有對這個理論可被取代的科學(xué)態(tài)度。李政道和楊振寧獲得諾貝爾獎，就是對高能理論完美的質(zhì)疑，提出宇稱不守恒的論點(diǎn)，他們重新整理了已有的實(shí)驗(yàn)成果，支持了這一論點(diǎn)，后來吳健雄實(shí)驗(yàn)再次證實(shí)了他們的論點(diǎn)，也得到諾貝爾獎。用60多個粒子來解釋三個粒子的理論效率低下且不說，要命的是這個復(fù)雜而美麗的理論對人類技術(shù)進(jìn)步基本沒有任何突破。如今科學(xué)家應(yīng)用的是其他物理知識開發(fā)技術(shù)進(jìn)行高能物理實(shí)驗(yàn)，而高能物理的標(biāo)準(zhǔn)理論和大統(tǒng)一理論并沒有增加人類的技術(shù)能力。如今為了解決人類能源問題，為了開發(fā)可控核聚變技術(shù)，基本用不著夸克理論。可控核聚變技術(shù)的研發(fā)，用的是愛因斯坦狹義相對論的質(zhì)能等式，和原子核的重量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。高能物理理論對核電技術(shù)，對可控核聚變、對核潛艇和核武器都基本沒有幫助。人們不禁要問，物理學(xué)界是否應(yīng)該反思這個學(xué)科的走向？這是耗資巨大的陽春白雪學(xué)科，數(shù)學(xué)之美令人贊嘆不已，但至今沒看到任何實(shí)際應(yīng)用前景。尤其是對核物理技術(shù)沒有實(shí)質(zhì)幫助。

當(dāng)年托勒密地心說也很有成就，只要不斷加上足夠多的天球，就可以足夠精確解釋不規(guī)則的行星運(yùn)動，這是了不起的天體運(yùn)動理論。這個解的存在性叫做傅里葉展開的完備性，就是圓周運(yùn)動的疊加可以擬合出所有周期運(yùn)動乃至非周期運(yùn)動。自從“日心說”觀念突破了“地心說”的思維定式以后，才發(fā)展出了開普勒的行星運(yùn)動三大定律，以三個定律解釋所有行星運(yùn)動，理論效率比需要80多個天球的理論效率高多了。根據(jù)開普勒三大定律，牛頓發(fā)現(xiàn)了萬有引力，以一個萬有引力定律就解釋了所有行星運(yùn)動，理論效率又有一個飛躍。而且，正是由于牛頓定律，才有了我們今天的火箭和衛(wèi)星技術(shù)。如果我們滿足于托勒密的地心說，滿足于疊加足夠多的天球以精密解釋行星運(yùn)動，我們就沒有今天的衛(wèi)星技術(shù)。高能物理理論很可能陷入了托勒密地心說理論的宿命，它可以自圓其說，但不解決實(shí)際問題。楊振寧的擔(dān)心是有道理的，就科學(xué)角度而言，應(yīng)該避免陷入用猜想驗(yàn)證猜想的怪圈。高能物理就是對撞試驗(yàn)驗(yàn)證了理論，但同時又發(fā)現(xiàn)新現(xiàn)象，理論又進(jìn)一步發(fā)展解釋新現(xiàn)象，又需要更高能量對撞驗(yàn)證新理論，如此重復(fù)加深人類對亞核粒子的認(rèn)識。但這已經(jīng)不是粒子現(xiàn)象了，而是能量轉(zhuǎn)換成物質(zhì)的現(xiàn)象。今天的高能物理乃至大統(tǒng)一理論都和托勒密地心說一樣完美和諧，都可以解釋所有各自關(guān)注的現(xiàn)象，但就是不接地氣，為了認(rèn)識質(zhì)子、中子和電子這三個粒子，高能理論過于繁冗。所以，現(xiàn)在高能物理科學(xué)需要的不是這種不斷增加天球的托勒密地心說式的發(fā)展，不是這種沒有止境的讓高能物理理論和高能物理實(shí)驗(yàn)相互印證卻又與現(xiàn)實(shí)世界漸行漸遠(yuǎn)的發(fā)展。高能物理需要平心靜氣整理已經(jīng)積累的高能物理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和天文學(xué)觀察，重新整理認(rèn)識原子核的思路。高能物理應(yīng)該有一個“地心說”到“日心說”的革命，否則就是一個光花錢不出活的象牙塔。

“日心說”到“地心說”的革命，在科學(xué)發(fā)展史上稱為范式更迭。托馬斯·庫恩1962年在《科學(xué)革命的結(jié)構(gòu)》一書中，研究了這種科學(xué)進(jìn)步的跳躍。科學(xué)范式是一群科學(xué)家所共同遵循的世界觀和研究方式。一個新的范式就是一片新天地，很多懸而未決的問題豁然開朗，新誕生的范式迅速擴(kuò)張到很多領(lǐng)域。但時間長了新范式成為老范式，就會僵化乃至束縛思想。普朗克提出量子觀念以后，花了十多年時間想證明量子觀念的“錯誤”，可見其革命性之強(qiáng)，發(fā)明者自己都難以接受。而愛因斯坦對量子力學(xué)的重要貢獻(xiàn)如量子糾纏，就是為了證明量子力學(xué)不可理喻而設(shè)計出來的實(shí)驗(yàn)。量子力學(xué)一下子就解決了原子光譜分離的問題，解決了原子穩(wěn)定性問題，等等。而且，量子力學(xué)的應(yīng)用至今方興未艾。愛因斯坦相對論也是一個范式革命。此前對于波的研究，都有波的傳播介質(zhì)，都有相對介質(zhì)運(yùn)動的速度變化。愛因斯坦拋開介質(zhì)，認(rèn)為光就是在真空中傳播，而且速度不以參照系相對任何參照點(diǎn)的運(yùn)動速度而變，光學(xué)和電磁波的諸多現(xiàn)象迅速得到完美的理論解釋。

人的腦容量有限，人的生命有限，以有限的生命和有限的腦力理解人類積累至今的浩如煙海的知識，需要有高度抽象的理論，可以用一個理論概括一領(lǐng)域的眾多知識。研究質(zhì)子和中子的物理原來叫基本粒子物理，后來改為粒子物理，因?yàn)闆]有怎么粒子是基本的。如今又改為高能物理，因?yàn)檠芯康囊呀?jīng)不是物質(zhì)粒子，而是空間和能量的結(jié)構(gòu)：即按照愛因斯坦質(zhì)能公式，物質(zhì)可以變?yōu)槟芰浚芰恳部梢宰優(yōu)槲镔|(zhì)。碰撞粒子的能量在某些節(jié)點(diǎn)就可以產(chǎn)生正反物質(zhì)粒子對。愛因斯坦質(zhì)能公式?jīng)]有說高于某能量就再也不會產(chǎn)生正反粒子對。今天理論預(yù)測可能某個能量存在正反粒子對反應(yīng)，不能排除更高的能量產(chǎn)生新的正反粒子對。高能物理的范式，好像已經(jīng)走到了范式生命周期的老年期。碰撞機(jī)投資周期長，需要二三十年時間，如果此間高物理論發(fā)生了范式革命，則對撞機(jī)項(xiàng)目就會成為爛尾樓。

如今市場經(jīng)濟(jì)是生產(chǎn)社會化的時代，一個人生產(chǎn)的東西，不能看從挖礦到煉鐵到做工具到出產(chǎn)品從頭到尾自己做。而是從市場購買原料和工具來生產(chǎn)。這是人類至今最新的生產(chǎn)的分工合作模式。科研也一樣，如今科研也有社會分工，已經(jīng)不像牛頓坐在蘋果樹下苦思冥想那種研究了。今天物理學(xué)家最會應(yīng)用數(shù)學(xué)，數(shù)學(xué)家做的只是定理的證明，而物理學(xué)家比數(shù)學(xué)家做更多的數(shù)學(xué)運(yùn)算。物理學(xué)家證明量子力學(xué)的基本定律，化學(xué)家比物理學(xué)家計算更多的量子力學(xué)問題，他們應(yīng)用量子力學(xué)計算分子結(jié)構(gòu)的特性?；瘜W(xué)家證明化學(xué)反應(yīng)公式，生物學(xué)家應(yīng)用化學(xué)定律研究生物?？蒲兄贫仍鯓幽軌蚝侠淼亟M織科研的社會性和經(jīng)濟(jì)學(xué)怎樣組織生產(chǎn)社會性類似。荷蘭發(fā)明了有限公司制度，是社會分工合作的一個范式革命，對市場經(jīng)濟(jì)是一大推進(jìn)。科研體制也需要制度創(chuàng)新。如果中國投入如此巨大的資金建設(shè)高能粒子碰撞機(jī)，它在組織人類基礎(chǔ)科學(xué)研究中起什么作用，中國能以此領(lǐng)導(dǎo)全球科學(xué)進(jìn)步嗎？能吸引全球頂尖科學(xué)家聚集一起研究嗎？這些研究的中間成果能有效變現(xiàn)為技術(shù)革命和開辟新市場嗎？這可能也是建設(shè)碰撞機(jī)應(yīng)該考慮的方面。如此巨大的投資，做出成果是基礎(chǔ)科學(xué)成果，是人類共享的成果，但如果失敗，這成本都是中國墊，這個收益與投入不對稱。中國宇航員進(jìn)入太空，比美國落后40年，但美國30年航天飛機(jī)項(xiàng)目最后廢置，回歸宇宙飛船，讓中國航天技術(shù)的落后忽然縮短了30年。大型對撞機(jī)二三十年才建成，使用多少年后才能知道是否對科學(xué)進(jìn)步有促進(jìn)，其中風(fēng)險甚高。進(jìn)步了是人類共同進(jìn)步，蹉跎了是中國自己蹉跎。建設(shè)碰撞機(jī)對中國科學(xué)技術(shù)進(jìn)步肯定有好處，但對于中國崛起緊迫的國際壓力可能是遠(yuǎn)水不解近渴。中國有火燒眉毛的事情要兼顧?？臻g站開發(fā)新的觀測宇宙高能粒子射線的儀器會不會比碰撞機(jī)更經(jīng)濟(jì)更有效呢？畢竟碰撞機(jī)探測器觀測的也是高能粒子衰變的次生粒子，不斷完善和提高空間技術(shù)也可以獲取更多的高能粒子信息。

歷史表明，科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)革命的發(fā)展秩序有兩種，一種是基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)現(xiàn)在先，技術(shù)進(jìn)步在后。如牛頓萬有引力的發(fā)現(xiàn)，建立了牛頓力學(xué)，然后牛頓力學(xué)成了機(jī)械工程技術(shù)的基礎(chǔ)。一種是先有技術(shù)進(jìn)步，然后引發(fā)科學(xué)研究進(jìn)步。如瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，為了提高蒸汽機(jī)效率，發(fā)展出了熱力學(xué)科學(xué)。二戰(zhàn)之前，是工業(yè)技術(shù)強(qiáng)則經(jīng)濟(jì)強(qiáng)則軍事強(qiáng)，二戰(zhàn)后則相反，是軍工強(qiáng)則工業(yè)技術(shù)強(qiáng)則經(jīng)濟(jì)強(qiáng)。信息時代計算機(jī)理論和信息理論的起始，都與二戰(zhàn)同盟國和軸心國競爭電報密碼破譯密切相關(guān)，信息產(chǎn)業(yè)起于美國是美國軍工技術(shù)領(lǐng)先的結(jié)果。信息論是新學(xué)科，也是軍工競爭推出的科學(xué)進(jìn)步。我們用的互聯(lián)網(wǎng)，就源于美國避免通訊關(guān)鍵單節(jié)點(diǎn)被敵人摧毀而癱瘓軍事通訊技術(shù)的研究。二戰(zhàn)制造鋁箔用于干擾雷達(dá)，二戰(zhàn)后鋁箔被推進(jìn)家用市場，改變美國人烤雞烤土豆的習(xí)慣，催生了鋁箔包裹燒烤烹調(diào)技術(shù)。如果建立對撞機(jī)指望推進(jìn)科學(xué)基礎(chǔ)研究隨機(jī)偶然發(fā)現(xiàn)新技術(shù)新應(yīng)用，不如把錢投入急需打破外國壟斷的技術(shù)和軍事技術(shù)競爭中，反過來推進(jìn)基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步。打破壟斷和軍事競爭的技術(shù)攻關(guān)部門要設(shè)基礎(chǔ)科學(xué)研究生博士點(diǎn)，引入基礎(chǔ)科學(xué)人才，讓大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)學(xué)科學(xué)生有就業(yè)機(jī)會，讓大國崛起急需解決的技術(shù)方向有工程技術(shù)人才和基礎(chǔ)科學(xué)人才的合理搭配，以技術(shù)突破推動基礎(chǔ)科學(xué)進(jìn)步。要建立軍工技術(shù)解密制度，讓投入的科研研究中間成果能夠有效快速轉(zhuǎn)為民用科技創(chuàng)新和市場創(chuàng)新。

作者系加拿大麥吉爾大學(xué)物理學(xué)博士