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丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

by fengshangyue

今天,淡出了公众视野很久的杨振宁,在微信公众号 “ 知识分子 ” 上发表了一篇文章《中国今天不宜建造超大对撞机》,反驳了丘成桐此前发布的一篇文章《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》。

在文章中,杨振宁认为,中国不应该修建大型强子对撞机,原因主要是:修建对撞机耗费极多,会挤压其他学科的经费空间,即便物理学中也有更值得探索且费用更少的领域;强子对撞机修建的价值并不明显,其验证的“超对称粒子”可能仅仅只是个“猜想加猜想”;鉴于中国在高能物理学的现状,即便产生结果也可能与中国没有关系。

关于大型强子对撞机,作为著名高能物理学家,杨振宁的表态无疑是极重的,也把这一争论推向了高潮。一个月前,中国 99.99% 的人,可能对 “ 大型强子对撞机 ” 是什么还一无所知。但是一个月后,它却逐渐慢慢演变为了一个公共话题。这原因有部分是因为,有丘成桐和杨振宁这样的华人科学家参与其中。但更重要的,则是因为 “ 大型强子对撞机 ” 本身的质疑:它可能是一把让人类叩响 “ 宇宙之门 ” 的钥匙,但也可能 —— 而且可能性更大 —— 是一个没有人知道何时能产生财政回报的黑洞,更糟糕的是,也许是一个幻想和骗局。

那么丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?为什么我们要建它?

    丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

(发现希格斯玻色子的大型强子对撞机)

什么是大型强子对撞机?为什么要建设大型强子对撞机?

很多人对对撞机最感性的认识来自于《三体》,在《三体》中,三体人的智能机器 “ 智子 ” 通过大型使粒子对撞机的实验出现数据随机化,锁死了人们物理进步的可能性。很多科学家难以在现有理论体系找到一个自洽的结果,最终在压力下自杀。而人类的物理知识无法进步,又使得在与三体人的战争中不堪一击,节节败退。

小说的确有夸张的成分,但大型对撞机在现代高能物理中起到的作用确实不可小视。简单而言, 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,对撞机还可以使得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。它还可以帮助我们理解夸克和电子是否是宇宙的最小单元,暗物质和反物质的性质,引力的本质,宇宙的维度等重要的物理学问题。简单的说,通过不断的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,从而解答我们在物理学中遇到的种种困惑。

此前,最大的大型强子对撞机(LHC)位于日内瓦附近的侏罗山地下,除了 “ 最大的粒子对撞机 ” 外,它还有 “ 世界上最大的机器 ” ,“ 世界上最快的跑道 ”,“太阳系里最真空的空间 ” 等殊荣。它最大的发现是 2012 年近似发现了物理学 “ 标准模型 ” 中预言的 “ 希格斯玻色子 ” 存在的迹象。这一结果将人类 “标准模型” 物理学大厦的屋顶上盖上了最后一块砖,因此被称为是堪比人类登月的伟大成就。也让曾经预言 “ 无法发现希格斯玻色子 ” 的霍金输了 100 美元。

不过,完成了标准模型并不意味着科学家会就此止步。标准模型虽然看上去很完美,但是仍然无法描述引力,而且它描述的粒子还不到宇宙中存在粒子的 5 %。目前人们正在寻找能够比标准模型更好的物理学模型,超对称理论便是其中之一。很多人热爱超对称理论,因为它看上去非常完美而优雅,如果超对称理论能够被验证,它能够告诉我们为什么粒子有现在的质量,为什么交互作用产生不同的强度,为什么宇宙会是现在这个样子?

不过,尽管理论非常优雅,但超对称理论在实验上却不如人意。大型强子对撞机直到现在,也没有发现任何超对称粒子存在的迹象。今年 LHC 曾经发现一种新的粒子,但是最终也被证明只是统计涨落给人造成的错觉。这已经造成了很多人对超对称理论甚至包括弦论产生质疑,但也有科学家认为,这可能仍然是 LHC 的设计局限造成的。或许新的粒子中绝大多数的质量都超出了 LHC 可探测的能标。如果是后一种,那么,一台更大,更强的强子对撞机,应该就能够回答我们的困惑。

丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

(目前的世界大型粒子对撞机尺寸对比,中国的 BEPC 正负电子对撞机最小,但未来建立的 CEPC 虚线红圈区域则最大)

强子对撞机要花费多少费用?真的会对财政造成负担吗?

LHC 的意义与作用上文已经说明,这也是很多科学家例如美国著名物理学家大卫 · 格罗斯对中国建设新的强子对撞机寄予期待原因 “ 我把这个梦想叫做‘中国的伟大加速器(The Great Accelerator)’,这会和万里长城(The Great Wall)一样引人瞩目。它会比万里长城的作用更大,会在科学技术各领域有突破和发现。 ”

如果一台更强大的 LHC 能够如此有效的解决人类的困惑,那么为什么不是欧美而是中国抢先建造?

答案至少有一点,它的费用非常昂贵。作为人类最精密最巨型的机械,它对地址选择,设备建设,能量耗费都有极其苛刻的要求,美国曾经打算建设一台 SSC (超导超级对撞机),但因成本过高而草草收场。即使是建成的 LHC 迄今共花费 65 亿瑞士法郎(约合412亿元人民币)。而中国要建设的强子对撞机耗费则更加昂贵,杨振宁认为 “ 高能所建议的超大对撞机预算不可能少于 200 亿美元 ”。

许多国际科学家都是关注到了中国近几年不断增加科技投入,对中国寄予期待。但即便如此,在一个发展中国家进行这样的大型工程仍不简单。根据财政部的统计,中央本级支出中科学技术支出为 2706.43 亿元。就目前汇率而看,即便按照杨振宁的估算,也会占至少一半的科研支出。当然,对撞机修建很可能是多年完成,但在经济趋冷的情况下,对其他学科产生挤压是必然的。

丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

(目前中国 CEPC 项目的预估时间表)

支持与反对强子对撞机的理由各是什么?

目前,支持和反对方都在公共媒体上发出自己的声音,可以想见人数还会逐渐增多,如果把数学家丘成桐看做是支持方,杨振宁和王孟源以及部分网民视为反对方,他们各自有以下一些理由。

首先是对于基本理论的争辩,上文所述,丘成桐和许多国际物理学家将更大,能量层级更高的对撞机作为一种物理学发展的方向。但作为当代物理学巨擘,杨振宁认为 “ 今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子,只是一部份高能物理学家的一个猜想。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。” 在国外,LHC 的研究结果曾表明 “超对称理论的原始参数空间已经有99.9%被否定掉了”。《科学美国人》在 2014 年曾经发布一篇文章,题目也非常直接《 超对称玩完了 ?》 。

然而除了科学问题,更多的讨论则集中于强子对撞机的象征意义。丘成桐首先指出强子对撞机会使得中国成为粒子物理学的新中心,项目建成后,至少会有五六千名各国一流科学家为做实验举家迁往中国,且长期居住。这对中国的科技水平有极大的促进作用。除此之外,强子对撞机有利于增强民族自豪感,也是中国的民族尊严得到体现的表现。丘成桐甚至在文中激动地写: “今日的中国,已非吴下阿蒙,难道不需要为这个人类最崇高的理想作出贡献?难道我们只是在游戏机、在房地产、互联网上赚点好处,就心满意足?在我记忆所及,中外古今都还没有过这样的大国!” PingWest 记者看到,部分支持派网民将此与 “ 郑和下西洋 ” 做比,希望政府不要失去下一次科技革命的机会。

而反对者则认为,强子对撞机实际上是一个国内出钱供国外人和设备表演的无底洞。杨振宁指出 “ 其设计,以及建成后的运转与分析,必将由90%的非中国人来主导。如果能得到诺贝尔奖,获奖者会是中国人吗?”。知乎用户 “ rendao ” 贴出一张图,证明核心设备仍然是西门子。

丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

更重要的是,很多反对者认为,中国仍然是发展中国家,有更加需要的项目如民生需要投入。即便在科研中,国内仍需要更多的基础人才培养,学术环境改善,物理学处于也有更实证,见效更快的方向,在这些都未加强的情况下,投入一个可能上百年才会对人类生活产生改变的方向,实在太过奢侈。在国内新闻评论网站观察者网,许多网民认为美国不要的设备,搬到中国来,是“不安好心”。针对支持派的“郑和下西洋”,也有人指出这是一次类似于郑国渠的 “ 疲秦之计 ” 。

丘成桐支持,杨振宁反对的“中国造大型强子对撞机”究竟是什么?

(华人物理学家杨振宁)

反思:科学的未来与公众的关系是?

大型强子对撞机的争议还在发酵,但目前而言,论战双方都开始更多诉诸如民族主义一样公众情感而非科技论证。这似乎暗喻一个事实:像西方许多国家一样,中国的科技发展也在越来越受到社会,尤其是公众舆论的影响。

传统意义上,科学曾经是一个独立的技术领域,但是随着科技的发展,科技所需要的成本越来越高,对社会其他部分的依赖越发的强。尤其是对于对撞机这样投入极高,时间极慢的基础性研究,势必要得到更多的社会或经济支持。因此,科学和公共舆论关系越发紧密。从正向看,对于环保、反核、动物权利的呼吁,多多少少制约了科学发展的负面作用,使之更加注意人道和社会有益。但有时部分科学进步也要考虑民间的反馈和意见,从而对这些学科发展造成影响。但如少数人将正常的科学研究分歧诉诸政治话语,其结果往往如同苏联的 “ 李森科学派 ” 一样非常糟糕。

中国人对此并不陌生,“ 郑和下西洋 ” 是一个令许多中国人都印象深刻的故事。明朝官员对于郑和下西洋徒费钱财、缺乏回报的谴责,在当时的历史情况下不能说没有道理。但结果是间接使中国错过了地理大发现的行程。今天的网民距离尖端科学,比当初的明朝官员距离航海费用要远得多,但公共舆论却已经成为了新的 “ 言官 ”。如何平衡科学要求与社会其他发展之间的关系?如何保证科学发展不会成为少数人决策多数人接受的结果,但又不会影响到科学的独立性?这些问题是需要人们去思考的。

PingWest中文网



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