錢煒

最近，關于中國要不要建大對撞機再度成為網(wǎng)上的熱門話題。在這場學術爭論中最新表態(tài)的一位重量級人物，是83歲的美籍華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中。據(jù)《科技日報》報道，2019年11月7日，83歲的美籍華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者丁肇中在參加中科院前沿科學國際戰(zhàn)略研討會時說，他的大多數(shù)實驗，曾受到很多人反對，其中包括很多諾貝爾物理學獎得主。德國著名物理學家、諾獎得主海森堡的反對理由就是：高能物理沒有前途。但是最終，他們的結(jié)論都被現(xiàn)實推翻了。

丁肇中因此總結(jié)說，“所以說大加速器沒有用是很不可靠的。”中國大對撞機項目的主導人王貽芳是丁肇中在歐洲核子中心時期的弟子。許多年以后，不論大對撞機有沒有建成，王貽芳都會想起他的前輩：王淦昌、張文裕、唐孝威……對于中國粒子物理學家來說，他們的命運似乎總是相似的——畢生愿望就是能夠進行世界級的研究，但卻受制于實驗基礎設施的匱乏。只是這一次，王貽芳比他的前輩們離目標更為接近，他和他的團隊還在努力一搏，希望改寫歷史的走向。

但與前輩們有所不同的是，王淦昌與張文裕是要在理論的框架內(nèi)完成拼圖，而王貽芳此刻面對的，是高能物理不確定的未來——一張新的、尚未開啟的拼圖。而這，正是引發(fā)今天這場大討論的根源。

這場公開的爭論始于2016年。當年8月29日，《丘成桐：關于中國建設高能對撞機的幾點意見并回答媒體的問題》一文發(fā)表，楊振寧隨即公開發(fā)表了《中國今天不宜興建超大對撞機》一文以作回應，將此前一直局限于物理學界之內(nèi)的小范圍爭論，引入公眾視野，并延續(xù)至今。

從萬里長城到巨型對撞機

中國粒子物理學家們對于建造超大對撞機的熱情與渴望，可以追溯到上世紀70年代他們的前輩身上。1973年，中科院高能所剛剛成立，第一任所長張文裕在上任伊始就提出，要建一臺世界上最強大的質(zhì)子加速器。在科學家們的多方努力及周恩來等中央領導人的支持下，這個項目曾一度上馬，但因種種原因而被放棄，最終改為建一臺能量較低的設備，就是如今已經(jīng)成功運行多年的北京正負電子對撞機（BEPC）。

為何對撞機總令粒子物理學家們魂牽夢縈？這需要從科學上進行解釋。對撞機的原理是通過產(chǎn)生高能量的粒子，對另一個粒子進行轟擊，轟擊可能產(chǎn)生出新的粒子，也可能會造成兩者的相互作用，相互作用后的次級粒子會和探測器物質(zhì)發(fā)生反應。這樣人們就可以了解作用后的粒子狀態(tài)，再將它與之前的粒子狀態(tài)進行比較，就可以倒推出新粒子的性質(zhì)。

此外，對撞機還可以在微觀尺度上模擬宇宙大爆炸后的宇宙初期形態(tài)，幫助科學家研究宇宙起源、暗物質(zhì)和反物質(zhì)的性質(zhì)、引力的本質(zhì)和宇宙的維度等重要物理問題。簡單地說，通過不斷提升能量和撞擊次數(shù)，能夠發(fā)現(xiàn)更多的新粒子或者粒子的新性質(zhì)。

上海交通大學鴻文講席教授、中國錦屏Pandax暗物質(zhì)探測項目負責人季向東在接受采訪時解釋說，雖然也有一些低能量的手段來研究粒子，但擁有高能量的加速器與對撞機，是粒子物理學家們更主要的研究手段。因此，高能物理與粒子物理是兩個可以畫約等號的概念，高能是手段，粒子是目標。

楊振寧所說的超大對撞機，指的是中科院高能物理研究所所長王貽芳院士領銜籌劃的對撞機計劃。王貽芳領導的大亞灣中微子實驗曾斬獲過頂級國際大獎——基礎物理突破獎。作為國內(nèi)高能物理界的領軍人物之一，他不能不考慮：世界上最大的對撞機LHC將于2035年關機，在LHC之后，還有這么多至關重要的科學問題，是否需要投入巨資再造一臺更龐大且昂貴的繼任者？在中國，北京正負電子對撞機也將大約再運行8～10年。下一步的發(fā)展目標是什么？

僅僅在LHC發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的兩個月后即2012年9月，王貽芳在一次討論會上提出了一個設想：在50～100米深處的地下，建造一條至少50千米、最好100千米的環(huán)形隧道，第一步安裝的是正負電子對撞機（CEPC），隨后置入的是質(zhì)子對撞機（SPPC）。這一計劃的亮點是，兩套裝置分享一條隧道。SPPC建成以后，對撞能量將達到LHC的7倍以上，成為世界新的最大對撞機。

這個建議一提出，就得到了與會者的一致贊同。兩個月后，在美國費米實驗室舉行的國際會議上，該方案也引起國際同行的極大興趣。2013年，高能所聯(lián)合國內(nèi)19所大學與研究機構的120多名物理學家成立了一個正式的CEPC—SPPC工作組，以縝密地調(diào)研這一方案的可行性。數(shù)月后，以美國普林斯頓高等研究院的理論物理學家尼瑪·阿卡尼-哈梅德為主任的未來高能物理中心在北京成立，旨在幫助建立大對撞機所需的物理案例。大家都認為，無論這一設備最終在地球上的何處建造，這種研究都是值得的。

大對撞機能“撞”出什么

超高能量與超高成本，使這個項目的設想甫一提出，就招致各種議論。《華爾街日報》曾發(fā)文表示，這是中國科學的“大躍進”。國外甚至還有人說，中國的巨型對撞機將制造出黑洞，引發(fā)地球滅亡。

最有力的質(zhì)疑是科學上的。楊振寧曾在《知識分子》微信公眾號發(fā)表公開信表示，如今，高能物理面臨著兩大問題，一是想深入了解剩下的第四種基本力量——引力，還有很大困難;二是還沒有能了解如何統(tǒng)一力量與質(zhì)量。有些高能物理學家希望用超大對撞機發(fā)現(xiàn)“超對稱粒子”，從而為人類指出解決此二問題的方向?！暗钦页瑢ΨQ粒子已經(jīng)有很多年了，完全落空。今天希望用超大對撞機來找到超對稱粒子，只是部分人的一個猜想。多數(shù)物理學家，包括我在內(nèi)，認為超對稱粒子的存在只是一個猜想，沒有任何實驗根據(jù)，希望用極大對撞機發(fā)現(xiàn)此猜想中的粒子更只是猜想加猜想?！?/p>

這段話需要加很多注釋普通人才能看得懂。1960—1970年代，理論物理學的泰斗、諾獎得主溫伯格與薩拉姆、拉格肖提出了粒子物理的“標準模型”，這是一個描述物質(zhì)世界的基本構成（基本粒子）及其相互作用的理論，把基本粒子分為夸克、輕子與玻色子三大類別，共62種，其中夸克與輕子又統(tǒng)稱為費米子。標準模型預言的希格斯粒子是玻色子的一種，與之相關的希格斯機制為基本粒子的質(zhì)量起源提供了動力學解釋，因此，是整個標準模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那將成為標準模型的重大缺陷。

2012 年7月4日，LHC在首次實現(xiàn)質(zhì)子對撞3年后，終于發(fā)現(xiàn)了人們期待已久的希格斯粒子。這是人類認識物質(zhì)世界的一個里程碑。作為標準模型的頂峰，它為實驗與理論幾十年來的進展畫上了句號，物理學家們用了幾乎一個世紀完成了一幅偉大拼圖。

但與此同時，一個超出標準模型的新時代開始了。這是因為，標準模型并非終極理論，它并未預言希格斯粒子和其他基本粒子的質(zhì)量數(shù)值。它也不能解釋暗物質(zhì)或暗能量，而這二者組成了宇宙的95%。此外，標準模型與引力理論也不相容。挖掘標準模型背后的物理規(guī)律（又被稱為新物理），探索超越標準模型的新粒子與新相互作用，是當今粒子物理實驗研究的最前沿。很多科學家都相信，希格斯粒子就是通向未知新物理的橋梁，它不僅能提供很多具體問題的答案，還能指出通向更普遍理論的道路。

強子對撞機的“環(huán)境”是非?！芭K”的，而正負電子對撞機的“環(huán)境”是非?！案蓛簟钡模芭K”的環(huán)境很難把精度做得很高，而在一個“干凈”的環(huán)境里可以進行高精度的測量，同時這也是間接發(fā)現(xiàn)新粒子的手段。

CEPC工作組機構委員會主席、清華大學高能物理研究中心主任高原寧在接受采訪時表示，在舊拼圖已經(jīng)拼完、高能物理走到瓶頸的今天，研究希格斯粒子的性質(zhì)，是高能物理發(fā)展中無法繞過的一環(huán)?！八巧弦环磮D中的最后一塊，但你需要看看，把它拼上去后是真的嚴絲合縫，還是并不完全吻合有些出入，從中我們可以發(fā)現(xiàn)下一塊拼圖的蛛絲馬跡。”

而發(fā)現(xiàn)希格斯粒子的LHC并不能完成這一任務。LHC是質(zhì)子對撞機，它的對撞過程會產(chǎn)生非常多的本底，希格斯粒子事例混雜著大量無用“噪音”，如果采用正負電子對撞機，則本底非常低，能產(chǎn)生大量干凈的希格斯粒子，因此這一裝置被叫作希格斯工廠（CEPC也因此常常被人們直接喚作希格斯工廠）。

對此，季向東做了個形象的比喻，強子對撞機的“環(huán)境”是非?！芭K”的，而正負電子對撞機的“環(huán)境”是非常“干凈”的，“臟”的環(huán)境很難把精度做得很高，而在一個“干凈”的環(huán)境里可以進行高精度的測量，同時這也是間接發(fā)現(xiàn)新粒子的手段。

王孟源畢業(yè)于臺灣清華大學，后在美國哈佛大學獲得物理學博士，雖然他如今已經(jīng)轉(zhuǎn)行做了金融，但卻是大對撞機堅定的反對者。王孟源質(zhì)疑SPPC的科學目標并不清晰。楊振寧的質(zhì)疑，也更多的與第二階段的SPPC有關。他的懷疑并非空穴來風，這實際上牽涉到一個非常宏大的命題：粒子物理，或者說基礎理論物理學的未來在哪里。而這，正是SPPC試圖解決的問題，因為大型質(zhì)子對撞機就是致力于尋找超出標準模型的新粒子與新物理現(xiàn)象。

為解決標準模型里無法解釋的問題，理論物理學家們過去提出了“超對稱理論”，這得到了物理學界的普遍認可。有人曾說：“對于我們這一代人，超對稱理論就是標準的教科書式答案。即便它還沒有被實驗證明，所有人都相信它的存在。”

然而，幾十年來，盡管科學家們建造的對撞機能量越來越高，人們卻一直一無所獲。目前世界上最強大的質(zhì)子對撞機LHC運行至今，除了發(fā)現(xiàn)了希格斯粒子，就沒有再發(fā)現(xiàn)任何新東西。因此，超對稱理論開始受到懷疑。一些人如阿卡尼-哈梅德也提出了一些新的解釋或新的理論。然而，無論是要驗證超對稱還是尋找別的新物理，這都需要更大的對撞機。

但楊振寧認為，由于成本太高，建更大的加速器并不可行，他認為，尋找新的加速器原理與美妙的幾何結(jié)構才是高能物理界應該做的事情。在物理界，他的看法有一定的代表性。

為回應楊振寧，丘成桐2016年在回復記者的郵件中寫道：“在判斷希格斯粒子研究的科學價值時，還是要聽在高能物理前沿實際從事研究工作的專家的意見。建立CEPC 可以對希格斯粒子進行精確的測量，希望找到新的物理線索，這些線索又可以指導SPPC 如何找到新的物理現(xiàn)象。SPPC 要探索更高的新能區(qū)，兩者先后順序不同，相互補充，而又相互獨立。事實上，即使SPPC 不建，CEPC 的科學意義也值得我們?nèi)ソ?，絕對不是浪費。假如因為人為原因而不去找尋我們有能力找得到的真理，中國確實會喪失一個千載一時的機會。”

丘成桐還說，“我從來沒有說過對撞機要驗證我自己的研究理論，事實上，雖然我的很多工作跟物理很接近，也對理論物理做了不少貢獻，哈佛大學物理系也因此聘請我做他們的教授，但我沒有去研究建立物理模型的學問，所以當有記者硬說我要驗證自己的學說時，我有點啼笑皆非?！?/p>

為證明自己的觀點，他回憶說，楊先生著名的規(guī)范場理論，本來是楊先生和他的合作伙伴米爾斯在古典的物理意義下來討論的，當時提出來，就受到泡利的質(zhì)疑！有差不多20年光景，在實驗室中看不到它的物理意義。幸好在20世紀70年代初期，歐美幾個名家將它成功地量子化，因此可以用來描述實驗室中得出來的粒子現(xiàn)象，沒有量子化，就無從得知本來的楊-米爾斯理論的重要性。所以，沒有實驗驗證的物理學很難成長！因此楊先生反對大型對撞機，對所有高能物理學家來說，都是很覺得驚訝的！

丘成桐表示，“我們當然都希望大型對撞機會找到超對稱粒子。假如超對稱被證實存在的話，很多高能物理學家都認為，這個發(fā)現(xiàn)會是21世紀科學上最大的成就。我們希望它在中國的土壤上被首先找到！這個成就絕對可以媲美中國古代的四大發(fā)明。”

不過，季向東認為，即使沒有發(fā)現(xiàn)超對稱粒子也很正常。不論是超對稱還是弦理論，終歸都是猜想，很可能最終實驗出來的結(jié)果與理論相去甚遠，但這就是科學——它是未知的，誰也不能保證能發(fā)現(xiàn)什么。

科學或錢的問題

加速器的高昂成本，決定了高能物理研究一直就是非常燒錢的。早在1987年，在物理學大師史蒂芬·溫伯格的主導下，美國的高能物理學家們就尋求建造一臺世界上最強大的質(zhì)子對撞機，它最初的預算是30億美元，后來迅速增至110億美元。天價的成本在國會引起了普遍的反對。項目于1993年被迫終止。彼時，工程進度才完成20%，就已經(jīng)花掉了20億美元。

當SSC被取消時，全球高能物理學界并未失去一切，因為歐洲的LHC仍在按計劃推進中。這臺有史以來最強大的粒子加速器，探測器大如教堂，其環(huán)形隧道長達27千米，深埋于日內(nèi)瓦郊外地表以下約100米的巖層中。它的身價也只比SSC便宜那么一丁點兒——花了80億美元。

如果一切順利，中國的CEPC將于2021年開建，2028年開始運行。SPPC將于2035年開始實際建造，至2042年完工。整個工程花費不菲，CEPC將耗資400億人民幣，SPPC造價在1000億以內(nèi)?？紤]到這是一個國際合作項目，中國將要掏的錢分別是300億和700億人民幣。王貽芳確認，如果立項，這應該是中國基礎研究領域投資最大的項目。

天價數(shù)字，招致了外界最猛烈的反對。對該項目經(jīng)濟可行性的質(zhì)疑，甚至強過了科學本身的討論。

據(jù)高原寧透露，科技部已經(jīng)批準了3600萬元人民幣用于CEPC的前期預研。但遺憾的是，2016年6月，僅以一票之差，CEPC預研所需的8個億的經(jīng)費申請被發(fā)改委駁回。即使最終連CEPC都沒有建成，高原寧說，他們的預研也依然是有價值的。技術具有通用性，將來在其他項目上也會用到，因此，預研是一次很好的技術儲備。

高原寧目前還無法預料這場公共討論對項目申請的影響，但他覺得，這樣的討論也并不是什么壞事，爭論本身也是對公眾的科普過程。不過，令他感到遺憾的是，很多人包括一些同行，往往連事情的真相都尚不了解就急于發(fā)難，“感覺每個人心中都有一臺自己的對撞機，大家討論的都不是一回事。我們本來希望在科學界先進行細致論證，然后將正反兩方面的意見系統(tǒng)全面地交給公眾?！?/p>

對此，清華大學科技哲學教授劉兵評價說，大科學項目經(jīng)費巨大，花的都是納稅人的錢，本應該接受公眾的質(zhì)疑。中國這樣的討論不是太多，而是太少了，這是一種進步。然而，這次討論的質(zhì)量還不夠高，討論也不夠規(guī)范。

有關加速器的爭論則一直在持續(xù)。早在1970年代，楊振寧就反對中國建大型加速器。盡管同為諾獎得主的李政道也對此事不熱衷，但他卻建議，可以改建一臺較小的正負電子對撞機。1980年，國內(nèi)加速器建設陷于停滯狀態(tài)。在當年的廣州粒子物理理論討論會上，李政道牽頭擬就了一封聯(lián)名信，呼吁中國政府繼續(xù)支持建設高能加速器。楊振寧沒有在信上簽名，并在會后給所有參會的科學家寫了一封信，公開反對建大型加速器。因此，后來BEPC的建成，與李政道的積極推動密不可分。

這一次，楊振寧再次站在了反對者的立場上。他的第一點理由甚至與當年如出一轍：目前中國仍然只是一個發(fā)展中國家，人均GDP還少于巴西、墨西哥或馬來西亞，還有數(shù)億農(nóng)民與農(nóng)民工，還有亟待解決的環(huán)保問題、教育問題、醫(yī)藥健康問題等等。建造超大對撞機，費用奇大，對解決這些燃眉問題不利，目前不宜考慮。

對此，王貽芳曾在公開回應楊振寧的文章里做了回答，但他的同行及前輩溫伯格在遭遇同樣挑戰(zhàn)時的思考或許更加透徹但也更加悲觀——大科學要尋求政府資助，其競爭對象不只包括載人航天器或其他實實在在的科學項目，還包括許多我們需要政府去做的事情。我們最好不要為了保衛(wèi)科學而去攻擊政府在其他需求領域的花費。我們注定失敗。

作為王貽芳的同行，季向東絲毫不擔心自己的科研經(jīng)費將來會被大對撞機這樣的大項目所擠壓。他覺得，中國還在發(fā)展，將來只會有越來越多的經(jīng)費投入到科學領域。某種意義上，科學是在物理學與天文學的基礎上發(fā)展起來的，物理學是科學的基石，高能物理又是物理學里最深奧、最迷人的部分。它與化學、生物醫(yī)學等其他有實際應用的自然學科不同，代表著人類對知識的渴望，包含著人類的精神追求。從這個角度來講，現(xiàn)在，人們考慮眼前太多了，而大對撞機是物理學的未來藍圖。

◎ 來源|中國新聞周刊（有刪減）