中國該不該建超大對撞機？美國諾獎獲得者觀點不一

不久之前楊振寧、丘成桐、王貽芳關於中國是否應該建設超大對撞機的爭論,影響已經超出了中國,引起了全球物理學界關注。現在看來,這已經不再僅僅是有關中國高能物理髮展的一場爭論,而是正發展為事關全球高能物理未來發展方向的一場大爭論。應本報記者的邀請,兩名美國諾貝爾物理學獎得主、兩名美籍華人科學家共計四名物理「大牛」,分別從各自立場獨家回應這場註定載入科學發展史冊的大「對撞」,其中兩人挺「撞」,兩人反「撞」,為中國爭論提供了美國視角。因篇幅原因,他們的觀點刊登時略有刪減。

▲菲利普·安德森

在反鐵磁性、高溫超導等領域有重大貢獻,1977年獲得諾貝爾物理學獎,是美國SSC項目最有影響力的反對者。本報記者抱著試試看的態度,邀請他對這場爭論做個點評,沒想到93歲的老人家很快就通過電子郵件做了簡短回應。

安德森:代價過大

我已經認識、仰慕楊先生60年了,我同意他的意見。我認為,在許多年的躊躇後,我反對建設超大對撞機終究還是對的。我的直覺是粒子物理學家太執著於高能量對撞這個代價極大的單一研究方式,而忽略了其他重要的實驗事實(比如暗能量、暗物質、丟失零點能量等問題)比追逐更高的能量還有意義。

▲葉軍

美國光學學會會士,美國物理學會會士,2011年當選為美國國家科學院士,成為極少數在改革開放後本科就讀於中國大陸高校的美國國家科學院院士獲得者。

葉軍:不是非建不可

我個人認為,中國不應該建設能級超過大型強子對撞機的新型超大對撞機,至少現在不應該建。考慮到這樣一個項目需要投入大量的時間、人力和費用,我們必須對社會給出一個非常有說服力的科學理由,才能做這件事。但我沒有看到非建不可的理由。「標準模型」對物理世界的描述極其成功。不過,依然有一些突出的基本問題存在,可能需要超出「標準模型」的新物理才能解釋。在沒有確定性框架的情況下,科學界可以廣泛投入,努力尋找新物理,這才是謹慎做法。比如,可在高精度測量方面投入,這可能會產生各種假設與新理論的線索,或為各種假設與新理論加以限制。現在我們根本不清楚建設能級提高10倍的下一代超大對撞機是否會產生突破。所以我認為,這場爭論不僅僅是中國的爭論,實際上也是全世界物理學界的爭論。

▲韓濤

美國匹茲堡大學物理天文系教授,粒子物理-天體物理-宇宙學中心主任；美國物理學會會士；清華大學物理系千人講席教授,長期從事高能物理理論和對撞機物理的研究,曾親歷美國SSC的興衰。

韓濤:中國趕超世界絕好機遇

我1990年畢業時的博士論文題目就是:「大型對撞機中希格斯粒子的研究」。其後至今一直參與國際上高能物理的前沿研究,並經常參加國際上對未來高能物理的討論。我完全同意王貽芳所長和丘成桐教授的見解,對楊振寧先生的評論不敢苟同。我認為中國參加並競爭來主導國際大科學項目,現在時機已經成熟,不應錯失良機。

1993年10月,美國國會宣布終止SSC計劃。1994年12月,歐洲核子研究中心(CERN)正式批准了大型強子對撞機(LHC)的建造,此後高能物理研究的中心從美國移到歐洲。LHC於2012年發現了希格斯粒子,解釋了基本粒子的質量起源這一個古老問題,把人類對自然界的探索深入到了約10-9納米的尺度。LHC帶動了日內瓦周邊的科學教育事業、工業的發展(發明萬維網、超導體應用、低溫技術應用、快速電子學),甚至城市建設(地鐵公交網)。LHC沒有成為「無底洞」,倒是一個「聚寶盆」。反觀SSC所在地得克薩斯州的愛麗絲鄉,20年來沒什麼起色,已建成的22.5公里的地下隧道被拋棄在那裡無人問津。柯林頓總統在簽署終止SSC文件時明確指出,這將是美國科學界的嚴重損失。

今天,美國在高能物理的研究上,仍然提供了很大的投資,每年政府提供的研究經費約10億美元,研究重點放在中微子實驗和重味物理研究、暗物質及宇宙學的研究以及高能前沿的LHC,只是沒有像大型對撞機那樣的「旗艦」領頭項目了。

自從上世紀90年代北京正負電子對撞機運行以來,中國的實驗高能物理研究從無到有,已經達到了舉世瞻目的高度。有很多科研成果為國際所認可,並獲得國際獎項。中國新一代的高能物理學家有知識、有勇氣來承擔大型國際項目,這是前所未有的。我相信,大型對撞機的第一步希格斯工廠以及下一步更高能區的大型強子對撞機是會建造的,中國不建,別國也會的,不是有人在「忽悠」中國。

重要的是,我們只有一個時間不長的機會:美國還沒有恢復狀態；歐洲CERN忙於全力運行LHC,十年內騰不出手準備下一代的大型對撞機。時間上看,這是中國的高能物理研究趕超世界的絕好機遇,機不可失,時不再來。中國搶先建造希格斯工廠,就會使我們成為國際研究中心,領導高能物理研究20年甚至更長。這種國際領先的狀態,中國是從來沒有過的!

格羅斯:若中國重複美國棄建錯誤,將是一場悲劇

▲戴維·格羅斯

75歲,美國理論物理學家,2004年諾貝爾物理學獎得主。他去年曾在《華爾街日報》上發表《中國的科學大躍進》文章,力贊中國超大對撞機計劃。此次,他還特意讓人把回應譯成中文,原文長近5000字。

楊振寧教授是上世紀物理學的偉人之一,他最近表示反對在中國建設超大對撞機,我對此完全不能認同。

首先,我要說的是,我為中國對撞機計劃可能帶來的科學發展潛力感到非常高興與極大鼓舞。作為中國科學事業的朋友和中國科學院外籍院士,我也為這個項目可以為中國帶來許多益處而興奮不已。

上個世紀90年代早期,我親眼目睹了美國超級超導對撞機(SSC)計劃被取消,當時SSC最積極的反對者提出了很多與楊教授一樣的論點。然而今天,絕大多數人(包括當時的反對者)都同意SSC計劃的終止對美國基礎物理學是一場災難,帶來的很多負面效應始終難以消除。美國在粒子物理學上曾維持多年的毋庸置疑的領導地位,就這樣很快地拱手讓給歐洲,同時喪失的是一種至關重要的「大膽設想」和實行雄心勃勃的長期大型項目的能力。

今天,在這個物理學發展的關鍵歷史時刻,中國面臨著為物理學作出巨大貢獻、同時也一舉使自己成為基礎物理的世界領導者的黃金機遇。如果中國在這個時候因為聽信了同樣的錯誤論點而重複美國當年犯下的嚴重錯誤,那將是一場悲劇。

目前,中國物理學家提出的是今後20年建設一個環形正負電子對撞機(CEPC),周長大約在50到100公里；在更遠的將來,這個50到100公里的隧道還可以用來建設一個巨型質子對撞機(SPPC),但真正要負責任地作出建設SPPC的具體決定至少要到10年以後。

下面我來一一討論楊先生的論點。

(一)建加速器需要的資金是個無底洞嗎?

不是!SSC的例子早就過時,情況現在已經發生很大變化。事實上,取消SSC讓國際粒子物理學界吸取了深刻教訓。過去20年里,所有大型加速器項目都基本按時、按預算完成,包括最主要的歐洲大型強子對撞機。中國粒子物理學家詳細估計了CEPC的造價,大約需要60億美元。過去幾十年中,從北京正負電子對撞機,大亞灣中微子實驗,到散裂中子源項目,中國高能物理大工程在預算和實際造價相符合方面有很好的記錄。

從LHC出發外推估計CEPC的造價是不合理的。眾所周知,建設像CEPC這樣的正負電子對撞機比建設像LHC這樣的質子對撞機要便宜許多。我們現在還不能對SPPC的造價做出準確估計,因為這將取決於在今後10-20年中各項新技術的發展。

(二)像中國這樣的發展中國家負擔得起這樣的對撞機嗎?

可以!楊先生指出,儘管從經濟總量上講已經是一個富有的大國,中國的人均國民生產總值(GDP)仍然比不上發達國家。但是,人均GDP不是一個正確的指標,除非中國要建造的對撞機的數量和人口成正比。換言之,用同樣的邏輯,我們也可以說在中國人均為這個對撞機的投資會比在世界上其他國家要少!

中國在世界舞台上雄心勃勃,這主要取決於中國的GDP總量,而不是人均GDP。儘管人均GDP不高,但這阻止不了中國把目光投向月球,也阻止不了中國建成三峽大壩這樣的偉大工程。啟動大科學工程和中國的雄心壯志是非常吻合的。

更重要的是,我堅信一條經過歷史考驗的真理,那就是在科學前沿的長期投資可以推動技術的發展。正是這種技術進步,可以將發展中國家提升為經濟超級大國。

(三)投資CEPC會阻撓中國在其他科學領域的發展嗎?

不會!儘管我對中國具體如何投資CEPC的建設缺乏深入了解,如此大的一筆投資必然需要國家投入新的資金支持基礎科學的發展,這和中國迅速增加基礎科學投資在GDP中的比重這一目標是吻合的,其他科學領域不會為建設對撞機付出代價。

而且,SSC事件告訴我們,把科研經費投入看作是零和遊戲是錯誤的。當SSC被終止以後,其他物理領域的科研經費並沒有像預想那樣大幅增加,美國追求宏偉科學目標的雄心反而受到很大打擊,所有科研方向都遭受負面影響。

CEPC還會從另一個方面促進中國科學的發展,即變成吸引國際上物理和工程人才的「磁石」,從而創造和夯實一個能促進中國其他技術領域發展的人才環境。

(四)造對撞機只是要驗證超對稱這個未被證明的猜想嗎?

不是。超對稱是一種新的時空對稱性,至今仍是一個未被實驗證實的猜想。楊先生認為這些對撞機的主要科學目標是尋找超對稱,但看起來他沒有讀任何詳細探討CEPC/SPPC物理目標的文獻。CEPC和SPPC的核心物理目標更多是深入理解我們已經發現的希格斯粒子,而與尋找超對稱關係不大。

CEPC就像一個強大的顯微鏡,它研究希格斯粒子的解析度比LHC強10到30倍,將可以決定性告訴我們希格斯粒子要麼還有內部結構,要麼它是像夸克和輕子那樣的基本粒子。類似的是,SPPC也將以希格斯粒子為中心:它將確定希格斯粒子之間的相互作用是否符合作為一個基本粒子的特性。

當然,SPPC也將探索更高的能量區。和LHC相比,SPPC可以產生出重幾乎十倍的粒子。正是因為超對稱只是一種未被證實或證偽的猜想,SPPC也會尋找它。其實,所有物理學中偉大的理論,比如楊-米爾斯局域規範場論,或者量子色動力學,在未經實驗檢驗前都「只是一個猜想」。

(五)高能物理對社會有實際的好處嗎?

有!即便從最狹窄的意義上講,直接源於高能物理研究的新技術也已帶動大批相關工業的發展,產生的經濟效益遠遠超過在基礎科學上的投資。加速器產業的總價值有幾十億美元,它是在粒子物理的研究中誕生的,現在從光源到用於癌症放射治療的醫用加速器,全世界有數以千計的小型加速器。由於質子對撞機需要強磁鐵,這極大地帶動了超導磁鐵技術的發展,形成了幾十億美元的產業。同時,超導磁鐵技術又是價值50億美元的核磁共振成像產業的核心。

更重要的是,推動前沿科學研究發展最強大的動力,來自於我們對了解與掌握自然規律的基本的好奇心。正是對自然規律的掌握,導致了一次又一次的技術革命,徹底改變了我們的生活。通常,這些技術上的進展可以被看做是派生的,並不與科學探索的核心問題直接相關。然而,這些進展又是在解決科學問題的過程中必然出現的。一個著名的例子是,如果沒有量子力學,就不可能有現代的電子產業。我們可以說理解量子力學是當今世界2/3的GDP的基礎。另外一個著名的例子是發明於歐洲核子中心的萬維網,其起初的目的在於應對實驗高能物理學家共享海量數據的挑戰。

為什麼為科學而科學的研究會有如此輝煌的帶動革命性技術發展的歷史呢?這必然是因為大自然本身提出了比我們可以想像到的更深刻和更具有挑戰性的問題。我們對理解自然的追求可以激發出空前的創造力,迫使我們提出更好更深刻的想法。

(六)中國粒子物理學界能力不足以勝任執行這項計劃的任務。

不對!我強烈地不同意楊先生的這個觀點。80年代北京正負電子對撞機(BEPC)的建成,使中國登上了粒子物理的世界舞台。此後幾十年中,中國高能物理穩步成長,愈變愈強。

一個很好的例子是最近的大亞灣中微子實驗,在「角逐」中微子混合中最難以捉摸的現象中戰勝許多實驗組,做出了決定性的測量,拿到了國際聲望卓著的大獎,其成就得到國際物理學界公認。負責大亞灣實驗的王貽芳教授希望在此基礎上開展CEPC/SPPC對撞機計劃,一舉使中國成為世界高能物理的領導者。

楊先生擔心這個計劃在科學上會被外國人主導,而中國人的貢獻不會被認可。楊先生對中國物理學家的能力和潛力如此缺乏信心,我表示震驚!這些項目會對中國的粒子物理學界產生巨大的促進作用,使得大批的年輕人才投入物理研究。在10-20年內,中國物理學家毫無疑問會成為CEPC的主導力量。

那麼,中國物理學家會因為在這些對撞機上的發現獲得諾貝爾獎嗎?有可能,誰又可以預言呢?但是,得獎又有多重要呢?像這樣偉大的科學工程超越了獎項以及對個人榮譽的追求,今天更是如此。可以肯定的是,CEPC將使中國成為今後20年基礎物理研究的中心,而建設SPPC可以使這個地位延續至50年。

(七)還有其他低成本的途徑研究基礎物理嗎?

沒有!在實驗方面,楊先生建議發展新的加速器技術。這當然是一個重要的方向,已經發展了幾十年,併產生了對粒子進行更有效加速的具體方法,比如運用激光技術。但是,沒有一種現有技術可對大量粒子進行足夠一致的加速,從而製造足夠多的粒子碰撞來進行基本粒子物理學研究。也許這些困難可以克服,但是也許需要幾十年的時間,誰也無法確切預言。

有意思的是,SSC一些著名的反對者也曾提出過類似的論點。當時,凝聚態物理學家指出應推遲建設SSC,等待開發出新的高溫超導材料,從而大幅降低建設對撞機的成本。然而差不多30年過去了,我們仍然沒有等到那些可以應用的新材料。與此同時,使用傳統超導材料的對撞機卻在不斷作出新的發現,包括頂夸克和希格斯粒子。

楊先生還建議進一步研究物理學中美妙的幾何結構。顯然,作為理論物理學家,我有信心理論物理可以產生深刻的新猜想,推進我們對自然界規律的認識。對幾何結構的研究是很多這樣的途徑之一。但在最基本的層面上,物理學是一門實驗科學,實驗一直在發現最深刻的理論的過程中扮演了關鍵角色。

現在,基礎物理學對新實驗的需要像以往一樣緊迫。事實上,對於與希格斯粒子相關的謎團,LHC的結果使我們在理論上比過去幾十年更加困惑了。在這種情況下,我們極其需要實驗給我們提供新的清晰信息,而這正是CEPC可以給我們帶來的。

（原標題：《超大對撞機,美國物理「大牛」們怎麼說》）

TAG:澎湃 |

※我們還在熱烈討論要不要建超大對撞機，CERN已經接納了第22個成員國
※楊振寧：中國今天不宜建造超大對撞機 | 獨家
※超大對撞機：觀點「對撞」有益科學決策
※中國超大驅下水，軍迷無不興奮而高呼，而這一性能則為最大亮點
※回家開門發現超大蜘蛛」朝我衝來嚇壞！仔細一看又讓人哭笑不得
※笑與不笑有超大反差的愛豆，最後一位，大哥還是忙內全在一笑之間
※造超大對撞機值得嗎？
※滑鼠墊一定要買超大的！不信你們看評價
※楊振寧反對「千億建超大對撞機」引爭論
※俄羅斯的這艘驅逐艦使得美國都畏懼三分，超大威力值得關注
※中國如何趕超美國？與一百年前美國趕超大英帝國如出一轍
※孩子將來的競爭對手超乎我們想像，衝擊超大，家長們準備好了嗎？
※軍事第一強國也玩不過大自然 美軍反潛機集體北上躲超大颶風
※長得不美還尺度超大，蔡依林怎麼會被這個日巴混血搶了男友？
※超大北歐風案例 給你不一般的居家視覺感受
※美國邁阿密機場驚現超大UFO！最後卻尷尬了！
※不要小看民間！美國小作坊推出超大號狙擊槍，射程超5公里
※所長又來搞事情了！超大福利，你不來看看嗎？
※拒中超大合同後他在英超重生，一數據比梅西強不少