史蒂芬·霍金、戈登·凱恩：中國應該建造巨型對撞機嗎？

作者簡介：史蒂芬·霍金（Stephen Hawking），英國著名物理學家與宇宙學家，被譽為繼愛因斯坦後最傑出的理論物理學家之一。英國皇家學會院士（1974 年，是當時最年輕的院士），美國科學院外籍院士（1992 年），1979 年至 2009 年劍橋大學盧卡斯數學教授，現任劍橋大學理論宇宙學中心研究主任。

戈登·凱恩（Gordon Kane），美國密歇根大學維克托·魏斯科普夫（Victor Weisskopf）傑出教授，密歇根理論物理中心榮譽主任。曾獲美國物理學會頒發的朱利葉斯·埃德加·利林菲爾德（Julius Edgar Lilienfeld）獎（2012 年），J.J.櫻井（J. J. Sakurai）理論粒子物理學獎（2017 年）。

譯者簡介：鮮於中之在清華大學獲得物理學博士學位，目前在哈佛大學從事博士後研究，主要研究方向為粒子物理與宇宙學理論。是科普讀物 From the Great Wall to the Great Collider (by 丘成桐，Steve Nadis) 中文版 《從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景》的譯者之一。

本文原文將發表於ICCM Notices，中譯文將刊載於《數理人文》雜誌，歡迎讀者朋友分享、評論和反饋建議。媒體或機構如需轉載，請聯繫波士頓國際出版社或《數理人文》。

霍金（左圖，來源：Flickr / Lwp Kommunikáció）與凱恩（右圖，來源：維基）

縱觀人類文明史，尤其是近四個世紀，理解我們所在的宇宙是無數人的理想，也是物理學的焦點。進入 20 世紀末，我們終於獲得了粒子物理學的標準模型和宇宙學的標準模型。它們對世界的描述成功卻不完善。成功是因為，它們在最高的能量和整個宇宙的範圍內都成立，從而實現了物理學的傳統目標。

而不完善之處在於，這兩種標準模型都是描述性的理論，我們還不知道它們緣何正確。此外，這兩種標準模型沒有解釋萬有引力，尤其是沒有提供引力的量子理論。它們也無法解釋一些關鍵問題，比如遍布宇宙中的暗物質究竟是什麼，以及為何宇宙在大爆炸之初包含等量的物質和反物質、而如今反物質只有物質的十億分之一，等等。

過去幾十年里，物理學的前沿陣地迅速擴張，物理學家的目標也愈加宏偉。自 20 世紀 70 年代起，物理學家就致力於用一種更基本的相互作用力統一描述幾種看似不同的已知相互作用。在此過程中，他們發現超對稱對於理解這種統一極有助益，出現於 80 年代的暴脹理論和弦理論進一步強化了這些觀念。回想當初，歐內斯特·盧瑟福（Ernest Rutherford）在 20 世紀 20 年代曾說：「在我的系裡，別讓我聽見誰談論宇宙。」然而時過境遷，誠如史蒂文·溫伯格（Steven Weinberg）所言：「過去與現今物理學家的差異，不僅在於他們知道得不如我們多。對於探索知識的目標和途徑，他們的看法也完全不同。」

物理學進步的動力在於新概念和新工具，比如新的粒子對撞機和探測器。明確希格斯玻色子的存在，已從根本上改變並加深了我們對宇宙的理解。但如果沒有歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（LHC），這一切就無從談起。渺小的人類竟能理解整個宇宙，既讓我們心生敬畏，又獲得慰藉。

位於 CERN 的大型強子對撞機的 CMS 探測器（照片來源：CERN）

在這方面，美國於 1993 年取消的超導超級對撞機（SSC）充當了歷史的反面教材。美國因此失去了基本粒子物理學的領導地位，不過也為中國邁向這個位置讓出了機會。各方面的詳細記錄顯示，導致 SSC 失敗的原因複雜多樣，政治環境、偶發事件、管理失誤、對國際合作的依賴，諸多不利因素髮生了疊加。這其中，經費超支並非主要原因。

CERN 於 2012 年發現了希格斯玻色子，邁出了理解宇宙的重要一步。我們由此確知，粒子物理學的標準模型連同產生質量的對稱破缺機制，可以成功地描述我們的世界。希格斯相互作用在其中扮演關鍵角色：若不是電子通過與希格斯玻色子相互作用而獲得質量，原子的尺寸就會和宇宙一樣大，我們的世界也就無法存在。可是，電子一旦通過和希格斯場的相互作用獲得質量，量子修正就會使它重得變成黑洞，除非某種有待發現的新物理將電子質量穩定在它的實際值。構想中的這台對撞機就將尋找這種新物理的線索。

規劃中的中國對撞機分為兩個階段。第一階段是「環形正負電子對撞機」（CEPC），而第二階段則是「超級質子對撞機」（SPPC）。兩者都需要很長的環形隧道，其周長預計可達 100 千米。在第一階段，物理學家將集中研究希格斯物理，並試圖從中揭示更深刻的基本理論。儘管我們通過量子修正的理論知道，已經發現的希格斯玻色子不可能是標準模型中的希格斯玻色子，但 LHC 中關於希格斯玻色子衰變的數據告訴我們它們很像：希格斯玻色子幾種衰變模式的分支比都和標準模型的預期一致，儘管它們本可以非常不同。不過，LHC 的數據仍然允許相當不同的結果。其中最重要的過程是希格斯玻色子衰變為兩個傳遞弱相互作用的 Z 玻色子。該衰變模式分支比的 LHC 測量值與標準模型預言的比值為 1.3±0.3 。LHC 的進一步運行只能略微減小其不確定度，而 CEPC 能夠將精度提高一個數量級，從而真正告訴我們希格斯玻色子是否同標準模型的預言一致。其他幾種衰變模式的情況也類似。此外，根據我們對希格斯玻色子的現有理解，應當還有與之相伴的粒子。發現這些粒子需要能量更高的新對撞機，而搜尋這些粒子將是未來對撞機的主要目標。新對撞機能夠提供更好的數據，供我們研究希格斯玻色子性質，從而使我們更深入地理解希格斯物理的重要角色。

目前，位於日本的國際直線對撞機（ILC）項目與 CEPC 的目標相似。CERN 也在規划下一代對撞機，其中名為 CLIC 的直線正負電子對撞機與 CEPC 也有相似的目標。不同國家和地區的加速器或對撞機有相似的物理目標，以往很常見。這不僅對於科學研究很可貴，對建造它們的國家和地區也極有價值，我們將在下文討論。

與 ILC 和 CLIC 等其他方案相比，CEPC 的一個巨大優勢在於，它的第二階段 SPPC 將以更高的能量對撞質子。SPPC 可直接使用 CEPC 的隧道。我們有充足的理由至少將總能量提升到 LHC 的兩到三倍。六到七倍於 LHC 的能量最終或許也是可行的，而這需要研發強度更高的超導磁鐵。質子對撞可以提供觀察預期信號所需的高亮度，我們可以為此制定長達數十年之久的研究計劃。更高能量的對撞機有兩個主要目標，其一是理解希格斯玻色子自身如何獲得質量，其二則是通過更高的能量搜尋新的突破。

在希格斯物理之外，儘管無法確知 CEPC 或 SPPC 將來會發現什麼，一種有趣的可能性是名為「超對稱」的基本對稱性。正如電荷共軛對稱性告訴我們每種粒子都有其反粒子，超對稱意味著我們將能發現標準模型粒子的夥伴粒子。通過對超對稱夥伴粒子性質的研究，我們知道如果超對稱的確存在，那麼 SPPC 就有希望通過更高的能量發現它們。

有人認為，LHC 到目前為止仍未發現超對稱夥伴或其它新現象，意味著發現它們的可能性很低。但這與歷史經驗相悖。當人們在 1979 年發現底夸克時，物理學家預期頂夸克只比底夸克重幾倍。事實上頂夸克的確存在，但是比底夸克重 41 倍，直到近二十年後才被發現。如果超對稱伴子也比 Z 玻色子重 41 倍，那麼 LHC 及其後續升級就無法發現它，但 SPPC 仍有機會。超對稱理論的另一個非凡性質是，它能夠將對撞機提取數據的尺度，與更深層理論自然存在的尺度，也就是普朗克尺度，聯繫在一起，從而有助於我們發現更深刻的基本理論。CERN 也在規劃建造更高能量的質子對撞機 FCC，預計能量最初為 LHC 的兩到三倍，最高可升級到 LHC 的六倍。由於造價高昂，這些能量更高的對撞機計劃最終很可能只有一項付諸實踐。

建造 CEPC 及其後續升級版本，中國將深受其益。值得著重指出的是，當我們步入知識的前沿時，新技術和新思路將是繼續進步的前提。若非如此，就無所謂前沿了。只依賴現有的技術和設備，我們不會走太遠。在這方面，LHC 作為絕佳的範例在許多領域都有充足的文獻證據，例如網格計算。萬維網對全球經濟的巨大影響更不待言，而它正是物理學家為了粒子物理的研究需要在 CERN 發明的。有人說，如果萬維網的每一次使用都需要向 CERN 繳納一便士，那麼粒子物理學界就永無經費之虞。粒子物理探測器的發展還能催生更多價值至少數十億美元的工業技術，比如磁鐵技術，以及未來的超導線技術。這些新技術產出的價值，將遠超建造對撞機的投資。

編註：蒂姆·博納斯?李（Tim Berners-Lee）在 CERN 工作期間，為了創造能夠管理並傳播由大型強子對撞機產生的海量數據而發明了萬維網。世界上第一個網站由博納斯?李於 1991 年在 CERN 創建，博納斯?李獲得了 2016 年的圖靈獎（照片來源：CERN）

可以說，CERN 發明的萬維網催生了第三次工業革命。同理，建造 CEPC 所需的材料和技術，以及對數據獲取、存儲和訪問的需求，也有助於點燃第四次工業革命。高能物理引領了第三次工業革命頭幾十年的進程，而工業界也僅僅在近年來迎頭趕超。歷史有可能會第四次重演。

由 CERN 培養的博士，近半數轉向了工業界等粒子物理之外的領域，為這些領域注入了新的活力。CEPC 亦然。這將帶來顯著的成效，因為一方面，基礎研究激發創新創業，另一方面，LHC 為創業公司的第一批產品提供市場，從而增加成功機會、降低創業風險。中國對撞機亦然。由於粒子物理必須站在前沿，更深入地探究自然，就需要新方法和新技術，所以新技術一定會出現。投資一台高水平對撞機，將有助於加速中國的經濟發展。

或許，這項事業的最大的收益在於吸引大量中國的青年才俊。在此過程中，這些年輕人會對科學的不同領域產生興趣，從而轉向各個科學領域，極大地促進中國科學事業的發展。培養一大批科學家，對於中國的教育系統也是一次重大而極為有益的挑戰和機遇。

CEPC 有機會作出根本性的重大發現。不過即使如此，也還需要一台質子對撞機，通過一條很長的環形隧道以及數以千計的高強度磁鐵，來發現更多新粒子並探索它們的性質。在這方面，歷史再一次提供了嚮導：物理學家首先在能量較低的設備上發現了標準模型中負責傳遞力的玻色子（W、Z 粒子和膠子）。CERN 接下來用了二十年建造並運行了正負電子對撞機 LEP，以研究標準模型與其他替代理論，從而最終確立了標準模型的正確性。此後，物理學家利用 LEP 的隧道建造了能量更高的質子對撞機 LHC，並最終發現了希格斯玻色子。

發現新粒子或排除新粒子的存在，除了高能量對撞機是否另有途徑？物理學家其實也發明了巧妙的方法，將質子或電子加速到更高的能量。遺憾的是，所有這些新方法提供的亮度都遠不夠發現新物理。它們至多每十年可以提供幾個事件，但我們需要每年數十個或數百個事件。在 20 世紀 80 年代規劃 SSC 的時期，SSC 的反對者聲稱，將會出現新的磁鐵技術取代業已成熟的超導磁鐵。可是 40 年過去了，這樣的新磁鐵技術還是沒出現，或許根本就不存在。最近，史蒂夫·納迪斯（Steve Nadis）和丘成桐合著的《從萬里長城到巨型對撞機：中國探索宇宙最深層奧秘的前景》一書，從科學和文化的角度闡述了這台對撞機的重要性，並由波士頓國際出版社（International Press of Boston）於 2015 年出版【編註：中文版由電子工業出版社於 2016 年出版】。

中國已有幾項中等規模的科學裝備，比如由中國科學院高能物理研究所和物理研究所運行、最近成功開機的中國散裂中子源，就是世界上四台同類設備中的一台。在高能物理領域，CERN 目前是絕對領導者。它擁有世界級的高能物理中心，吸引了全球各地數以千計的物理學家在此工作，也吸引了大量訪問者參觀 CERN 的實驗室和探測器。如果中國建造 CEPC 和 SPPC 這樣的大科學裝備，就將取代 CERN 的地位，成為高能物理的國際中心。CERN 也在規劃同類對撞機，但這必須放在大型強子對撞機的升級運行之後，因此需要十年或更久的時間。

位於廣東東莞的散裂中子源裝置（來源：視覺中國）

中國迄今已明智地資助了很多大科學設備，但從科學技術、投資規模和文化影響力的角度看，其中的大多數都還未達到世界領導地位。至少在幾個重點領域繼續進步、達到世界領導地位，對中國至關重要。以科學重要性和技術影響力衡量，以 BEPC 三十年的經驗為基礎，CEPC 是上佳之選。幾乎所有的花費都將發生在中國。如果中國推進這項事業，其他國家也會參與其中，從而在人類共同目標的引領下、和平和諧的氣氛中，極大地促進國際合作。

對撞機建設如今已是成熟的技術。通過專家審核，預算與日程規劃將能相當精確地符合實際。中國的人均 GDP 尚未達到發達國家水平，但這不是拒絕對撞機的理由。正相反，對撞機將為更多人提供新的工作機會從而推動經濟增長。中國的 GDP 總量已進入世界最高陣營，因而有能力投資一台未來的對撞機。正如王貽芳指出，CEPC、甚至 SPPC 的經費佔 GDP 的比例，並不會超過現有能量較低但運行成功的北京正負電子對撞機（BEPC）在建造時所佔的比例。此類投入激發的技術進步，將幫助發展中國家崛起為經濟領導者。對中國而言，繼續明智地投資基礎研究非常重要。而且，資助對撞機與資助其他科研領域應當並行不悖，互不干擾。每個領域的經費都應能夠維持其健康發展。

北京正負電子對撞機（BEPC）的直線注入器（照片來源：中科院高能物理所）

中國的粒子物理學界已經發展成熟。他們通過北京對撞機 BEPC 掌握了較低能量的對撞機技術。許多中國物理學家也曾供職於 CERN 和費米實驗室等對撞機實驗室。如果中國領導此類尖端研究，外國同行也會前來參與和協助，確保取得最大成功。由此取得的任何新突破必將聲名遠揚。大型對撞機項目的推動者和項目領導獲得諾貝爾獎，在粒子物理學界屢有先例。加速器物理學家西蒙·范德米爾（Simon van der Meer）和卡洛·魯比亞（Carlo Rubia）就因 CERN 的對撞機而獲得諾貝爾獎，更早的先例還有粲夸克的發現，獲獎者是丁肇中和伯頓·里希特（Burton Richter）。我們也為此期待中國的諾貝爾獎。

若沒有新的對撞機設備，推動科學發展的新理論、新概念和新工具還會出現嗎？當然會。新思路自然會導致新見解。但是不論理論再優美，沒有數據的支持，我們就無法知道它能否描述並解釋真實自然界的方方面面。若非希格斯玻色子的發現，仍會有許多人懷疑用希格斯場描寫真空態的正確性。天體物理和宇宙學的觀測，比如宇宙微波背景，也能提供重要的信息，但這些結果無法揭示頂夸克的存在、質量的起源、希格斯物理、相互作用的統一，等等。暗物質是什麼？我們能否統一併簡化關於相互作用力的理論，並將其與產生質量的希格斯機制聯繫起來？什麼導致了宇宙初始時刻的快速暴脹？要回答這些重大問題，實驗數據對於我們的理論至關重要。

利用實驗數據和邏輯推理，將我們對物理宇宙的理解延伸到時間的起點和宇宙的邊界，是人類文明的非凡成就。通過未來的對撞機提供的新結果，中國將有機會帶領我們邁向理解宇宙的全新境界。通過粒子物理與宇宙學解釋自然運行的內部規律，是人類文明的核心事業。將這項事業推向新高度的國家，它的榮耀和成就將被歷史永遠銘記。

本文經數理人文微信公眾號授權轉載

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