“杨丘之争”未落幕

钱炜

最近，关于中国要不要建大对撞机再度成为网上的热门话题。在这场学术争论中最新表态的一位重量级人物，是83岁的美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中。据《科技日报》报道，2019年11月7日，83岁的美籍华裔物理学家、诺贝尔物理学奖获得者丁肇中在参加中科院前沿科学国际战略研讨会时说，他的大多数实验，曾受到很多人反对，其中包括很多诺贝尔物理学奖得主。德国著名物理学家、诺奖得主海森堡的反对理由就是：高能物理没有前途。但是最终，他们的结论都被现实推翻了。

丁肇中因此总结说，“所以说大加速器没有用是很不可靠的。”中国大对撞机项目的主导人王贻芳是丁肇中在欧洲核子中心时期的弟子。许多年以后，不论大对撞机有没有建成，王贻芳都会想起他的前辈：王淦昌、张文裕、唐孝威……对于中国粒子物理学家来说，他们的命运似乎总是相似的——毕生愿望就是能够进行世界级的研究，但却受制于实验基础设施的匮乏。只是这一次，王贻芳比他的前辈们离目标更为接近，他和他的团队还在努力一搏，希望改写历史的走向。

但与前辈们有所不同的是，王淦昌与张文裕是要在理论的框架内完成拼图，而王贻芳此刻面对的，是高能物理不确定的未来——一张新的、尚未开启的拼图。而这，正是引发今天这场大讨论的根源。

这场公开的争论始于2016年。当年8月29日，《丘成桐：关于中国建设高能对撞机的几点意见并回答媒体的问题》一文发表，杨振宁随即公开发表了《中国今天不宜兴建超大对撞机》一文以作回应，将此前一直局限于物理学界之内的小范围争论，引入公众视野，并延续至今。

从万里长城到巨型对撞机

中国粒子物理学家们对于建造超大对撞机的热情与渴望，可以追溯到上世纪70年代他们的前辈身上。1973年，中科院高能所刚刚成立，第一任所长张文裕在上任伊始就提出，要建一台世界上最强大的质子加速器。在科学家们的多方努力及周恩来等中央领导人的支持下，这个项目曾一度上马，但因种种原因而被放弃，最终改为建一台能量较低的设备，就是如今已经成功运行多年的北京正负电子对撞机（BEPC）。

为何对撞机总令粒子物理学家们魂牵梦萦？这需要从科学上进行解释。对撞机的原理是通过产生高能量的粒子，对另一个粒子进行轰击，轰击可能产生出新的粒子，也可能会造成两者的相互作用，相互作用后的次级粒子会和探测器物质发生反应。这样人们就可以了解作用后的粒子状态，再将它与之前的粒子状态进行比较，就可以倒推出新粒子的性质。

此外，对撞机还可以在微观尺度上模拟宇宙大爆炸后的宇宙初期形态，帮助科学家研究宇宙起源、暗物质和反物质的性质、引力的本质和宇宙的维度等重要物理问题。简单地说，通过不断提升能量和撞击次数，能够发现更多的新粒子或者粒子的新性质。

上海交通大学鸿文讲席教授、中国锦屏Pandax暗物质探测项目负责人季向东在接受采访时解释说，虽然也有一些低能量的手段来研究粒子，但拥有高能量的加速器与对撞机，是粒子物理学家们更主要的研究手段。因此，高能物理与粒子物理是两个可以画约等号的概念，高能是手段，粒子是目标。

杨振宁所说的超大对撞机，指的是中科院高能物理研究所所长王贻芳院士领衔筹划的对撞机计划。王贻芳领导的大亚湾中微子实验曾斩获过顶级国际大奖——基础物理突破奖。作为国内高能物理界的领军人物之一，他不能不考虑：世界上最大的对撞机LHC将于2035年关机，在LHC之后，还有这么多至关重要的科学问题，是否需要投入巨资再造一台更庞大且昂贵的继任者？在中国，北京正負电子对撞机也将大约再运行8～10年。下一步的发展目标是什么？

仅仅在LHC发现希格斯粒子的两个月后即2012年9月，王贻芳在一次讨论会上提出了一个设想：在50～100米深处的地下，建造一条至少50千米、最好100千米的环形隧道，第一步安装的是正负电子对撞机（CEPC），随后置入的是质子对撞机（SPPC）。这一计划的亮点是，两套装置分享一条隧道。SPPC建成以后，对撞能量将达到LHC的7倍以上，成为世界新的最大对撞机。

这个建议一提出，就得到了与会者的一致赞同。两个月后，在美国费米实验室举行的国际会议上，该方案也引起国际同行的极大兴趣。2013年，高能所联合国内19所大学与研究机构的120多名物理学家成立了一个正式的CEPC—SPPC工作组，以缜密地调研这一方案的可行性。数月后，以美国普林斯顿高等研究院的理论物理学家尼玛·阿卡尼-哈梅德为主任的未来高能物理中心在北京成立，旨在帮助建立大对撞机所需的物理案例。大家都认为，无论这一设备最终在地球上的何处建造，这种研究都是值得的。

大对撞机能“撞”出什么

超高能量与超高成本，使这个项目的设想甫一提出，就招致各种议论。《华尔街日报》曾发文表示，这是中国科学的“大跃进”。国外甚至还有人说，中国的巨型对撞机将制造出黑洞，引发地球灭亡。

最有力的质疑是科学上的。杨振宁曾在《知识分子》微信公众号发表公开信表示，如今，高能物理面临着两大问题，一是想深入了解剩下的第四种基本力量——引力，还有很大困难;二是还没有能了解如何统一力量与质量。有些高能物理学家希望用超大对撞机发现“超对称粒子”，从而为人类指出解决此二问题的方向。“但是找超对称粒子已经有很多年了，完全落空。今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子，只是部分人的一个猜想。多数物理学家，包括我在内，认为超对称粒子的存在只是一个猜想，没有任何实验根据，希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。”

这段话需要加很多注释普通人才能看得懂。1960—1970年代，理论物理学的泰斗、诺奖得主温伯格与萨拉姆、拉格肖提出了粒子物理的“标准模型”，这是一个描述物质世界的基本构成（基本粒子）及其相互作用的理论，把基本粒子分为夸克、轻子与玻色子三大类别，共62种，其中夸克与轻子又统称为费米子。标准模型预言的希格斯粒子是玻色子的一种，与之相关的希格斯机制为基本粒子的质量起源提供了动力学解释，因此，是整个标准模型的基石之一。假如希格斯粒子不存在，那将成为标准模型的重大缺陷。

2012 年7月4日，LHC在首次实现质子对撞3年后，终于发现了人们期待已久的希格斯粒子。这是人类认识物质世界的一个里程碑。作为标准模型的顶峰，它为实验与理论几十年来的进展画上了句号，物理学家们用了几乎一个世纪完成了一幅伟大拼图。

但与此同时，一个超出标准模型的新时代开始了。这是因为，标准模型并非终极理论，它并未预言希格斯粒子和其他基本粒子的质量数值。它也不能解释暗物质或暗能量，而这二者组成了宇宙的95%。此外，标准模型与引力理论也不相容。挖掘标准模型背后的物理规律（又被称为新物理），探索超越标准模型的新粒子与新相互作用，是当今粒子物理实验研究的最前沿。很多科学家都相信，希格斯粒子就是通向未知新物理的桥梁，它不仅能提供很多具体问题的答案，还能指出通向更普遍理论的道路。

强子对撞机的“环境”是非常“脏”的，而正负电子对撞机的“环境”是非常“干净”的，“脏”的环境很难把精度做得很高，而在一个“干净”的环境里可以进行高精度的测量，同时这也是间接发现新粒子的手段。

CEPC工作组机构委员会主席、清华大学高能物理研究中心主任高原宁在接受采访时表示，在旧拼图已经拼完、高能物理走到瓶颈的今天，研究希格斯粒子的性质，是高能物理发展中无法绕过的一环。“它是上一幅拼圖中的最后一块，但你需要看看，把它拼上去后是真的严丝合缝，还是并不完全吻合有些出入，从中我们可以发现下一块拼图的蛛丝马迹。”

而发现希格斯粒子的LHC并不能完成这一任务。LHC是质子对撞机，它的对撞过程会产生非常多的本底，希格斯粒子事例混杂着大量无用“噪音”，如果采用正负电子对撞机，则本底非常低，能产生大量干净的希格斯粒子，因此这一装置被叫作希格斯工厂（CEPC也因此常常被人们直接唤作希格斯工厂）。

对此，季向东做了个形象的比喻，强子对撞机的“环境”是非常“脏”的，而正负电子对撞机的“环境”是非常“干净”的，“脏”的环境很难把精度做得很高，而在一个“干净”的环境里可以进行高精度的测量，同时这也是间接发现新粒子的手段。

王孟源毕业于台湾清华大学，后在美国哈佛大学获得物理学博士，虽然他如今已经转行做了金融，但却是大对撞机坚定的反对者。王孟源质疑SPPC的科学目标并不清晰。杨振宁的质疑，也更多的与第二阶段的SPPC有关。他的怀疑并非空穴来风，这实际上牵涉到一个非常宏大的命题：粒子物理，或者说基础理论物理学的未来在哪里。而这，正是SPPC试图解决的问题，因为大型质子对撞机就是致力于寻找超出标准模型的新粒子与新物理现象。

为解决标准模型里无法解释的问题，理论物理学家们过去提出了“超对称理论”，这得到了物理学界的普遍认可。有人曾说：“对于我们这一代人，超对称理论就是标准的教科书式答案。即便它还没有被实验证明，所有人都相信它的存在。”

然而，几十年来，尽管科学家们建造的对撞机能量越来越高，人们却一直一无所获。目前世界上最强大的质子对撞机LHC运行至今，除了发现了希格斯粒子，就没有再发现任何新东西。因此，超对称理论开始受到怀疑。一些人如阿卡尼-哈梅德也提出了一些新的解释或新的理论。然而，无论是要验证超对称还是寻找别的新物理，这都需要更大的对撞机。

但杨振宁认为，由于成本太高，建更大的加速器并不可行，他认为，寻找新的加速器原理与美妙的几何结构才是高能物理界应该做的事情。在物理界，他的看法有一定的代表性。

为回应杨振宁，丘成桐2016年在回复记者的邮件中写道：“在判断希格斯粒子研究的科学价值时，还是要听在高能物理前沿实际从事研究工作的专家的意见。建立CEPC 可以对希格斯粒子进行精确的测量，希望找到新的物理线索，这些线索又可以指导SPPC 如何找到新的物理现象。SPPC 要探索更高的新能区，两者先后顺序不同，相互补充，而又相互独立。事实上，即使SPPC 不建，CEPC 的科学意义也值得我们去建立，绝对不是浪费。假如因为人为原因而不去找寻我们有能力找得到的真理，中国确实会丧失一个千载一时的机会。”

丘成桐还说，“我从来没有说过对撞机要验证我自己的研究理论，事实上，虽然我的很多工作跟物理很接近，也对理论物理做了不少贡献，哈佛大学物理系也因此聘请我做他们的教授，但我没有去研究建立物理模型的学问，所以当有记者硬说我要验证自己的学说时，我有点啼笑皆非。”

为证明自己的观点，他回忆说，杨先生著名的规范场理论，本来是杨先生和他的合作伙伴米尔斯在古典的物理意义下来讨论的，当时提出来，就受到泡利的质疑！有差不多20年光景，在实验室中看不到它的物理意义。幸好在20世纪70年代初期，欧美几个名家将它成功地量子化，因此可以用来描述实验室中得出来的粒子现象，没有量子化，就无从得知本来的杨-米尔斯理论的重要性。所以，没有实验验证的物理学很难成长！因此杨先生反对大型对撞机，对所有高能物理学家来说，都是很觉得惊讶的！

丘成桐表示，“我们当然都希望大型对撞机会找到超对称粒子。假如超对称被证实存在的话，很多高能物理学家都认为，这个发现会是21世纪科学上最大的成就。我们希望它在中国的土壤上被首先找到！这个成就绝对可以媲美中国古代的四大发明。”

不过，季向东认为，即使没有发现超对称粒子也很正常。不论是超对称还是弦理论，终归都是猜想，很可能最终实验出来的结果与理论相去甚远，但这就是科学——它是未知的，谁也不能保证能发现什么。

科学或钱的问题

加速器的高昂成本，决定了高能物理研究一直就是非常烧钱的。早在1987年，在物理学大师史蒂芬·温伯格的主导下，美国的高能物理学家们就寻求建造一台世界上最强大的质子对撞机，它最初的预算是30亿美元，后来迅速增至110亿美元。天价的成本在国会引起了普遍的反对。项目于1993年被迫终止。彼时，工程进度才完成20%，就已经花掉了20亿美元。

当SSC被取消时，全球高能物理学界并未失去一切，因为欧洲的LHC仍在按计划推进中。这台有史以来最强大的粒子加速器，探测器大如教堂，其环形隧道长达27千米，深埋于日内瓦郊外地表以下约100米的岩层中。它的身价也只比SSC便宜那么一丁点儿——花了80亿美元。

如果一切顺利，中国的CEPC将于2021年开建，2028年开始运行。SPPC将于2035年开始实际建造，至2042年完工。整个工程花费不菲，CEPC将耗资400亿人民币，SPPC造价在1000亿以内。考虑到这是一个国际合作项目，中国将要掏的钱分别是300亿和700亿人民币。王贻芳确认，如果立项，这应该是中国基础研究领域投资最大的项目。

天价数字，招致了外界最猛烈的反对。对该项目经济可行性的质疑，甚至强过了科学本身的讨论。

据高原宁透露，科技部已经批准了3600万元人民币用于CEPC的前期预研。但遗憾的是，2016年6月，仅以一票之差，CEPC预研所需的8个亿的经费申请被发改委驳回。即使最终连CEPC都没有建成，高原宁说，他们的预研也依然是有价值的。技术具有通用性，将来在其他项目上也会用到，因此，预研是一次很好的技术储备。

高原宁目前还无法预料这场公共讨论对项目申请的影响，但他觉得，这样的讨论也并不是什么坏事，争论本身也是对公众的科普过程。不过，令他感到遗憾的是，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发难，“感觉每个人心中都有一台自己的对撞机，大家讨论的都不是一回事。我们本来希望在科学界先进行细致论证，然后将正反两方面的意见系统全面地交给公众。”

对此，清华大学科技哲学教授刘兵评价说，大科学项目经费巨大，花的都是纳税人的钱，本应该接受公众的质疑。中国这样的讨论不是太多，而是太少了，这是一种进步。然而，这次讨论的质量还不够高，讨论也不够规范。

有关加速器的争论则一直在持续。早在1970年代，杨振宁就反对中国建大型加速器。尽管同为诺奖得主的李政道也对此事不热衷，但他却建议，可以改建一台较小的正负电子对撞机。1980年，国内加速器建设陷于停滞状态。在当年的广州粒子物理理论讨论会上，李政道牵头拟就了一封联名信，呼吁中国政府继续支持建设高能加速器。杨振宁没有在信上签名，并在会后给所有参会的科学家写了一封信，公开反对建大型加速器。因此，后来BEPC的建成，与李政道的积极推动密不可分。

这一次，杨振宁再次站在了反对者的立场上。他的第一点理由甚至与当年如出一辙：目前中国仍然只是一个发展中国家，人均GDP还少于巴西、墨西哥或马来西亚，还有数亿农民与农民工，还有亟待解决的环保问题、教育问题、医药健康问题等等。建造超大对撞机，费用奇大，对解决这些燃眉问题不利，目前不宜考虑。

对此，王贻芳曾在公开回应杨振宁的文章里做了回答，但他的同行及前辈温伯格在遭遇同样挑战时的思考或许更加透彻但也更加悲观——大科学要寻求政府资助，其竞争对象不只包括载人航天器或其他实实在在的科学项目，还包括许多我们需要政府去做的事情。我们最好不要为了保卫科学而去攻击政府在其他需求领域的花费。我们注定失败。

作为王贻芳的同行，季向东丝毫不担心自己的科研经费将来会被大对撞机这样的大项目所挤压。他觉得，中国还在发展，将来只会有越来越多的经费投入到科学领域。某种意义上，科学是在物理学与天文学的基础上发展起来的，物理学是科学的基石，高能物理又是物理学里最深奥、最迷人的部分。它与化学、生物医学等其他有实际应用的自然学科不同，代表着人类对知识的渴望，包含着人类的精神追求。从这个角度来讲，现在，人们考虑眼前太多了，而大对撞机是物理学的未来蓝图。

◎ 来源|中国新闻周刊（有删减）