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丘成桐支持,楊振寧反對的中國大型強子對撞機究竟是什麼?
送交者: 力挽狂瀾 2016年09月05日20:47:48 於 [軍事天地] 發送悄悄話

  今天,淡出了公眾視野很久的楊振寧,在微信公眾號 “ 知識分子 ” 上發表了一篇文章《中國今天不宜建造超大對撞機》,反駁了丘成桐此前發布的一篇文章《丘成桐:關於中國建設高能對撞機的幾點意見並回答媒體的問題》。

  在文章中,楊振寧認為,中國不應該修建大型強子對撞機,原因主要是:修建對撞機耗費極多,會擠壓其他學科的經費空間,即便物理學中也有更值得探 索且費用更少的領域;強子對撞機修建的價值並不明顯,其驗證的“超對稱粒子”可能僅僅只是個“猜想加猜想”;鑑於中國在高能物理學的現狀,即便產生結果也 可能與中國沒有關係。

  關於大型強子對撞機,作為著名高能物理學家,楊振寧的表態無疑是極重的,也把這一爭論推向了高潮。一個月前,中國 99.99% 的人,可能對 “ 大型強子對撞機 ” 是什麼還一無所知。但是一個月後,它卻逐漸慢慢演變為了一個公共話題。這原因有部分是因為,有丘成桐和楊振寧這樣的華人科學家參與其中。但更重要的,則是 因為 “ 大型強子對撞機 ” 本身的質疑:它可能是一把讓人類叩響 “ 宇宙之門 ” 的鑰匙,但也可能 —— 而且可能性更大 —— 是一個沒有人知道何時能產生財政回報的黑洞,更糟糕的是,也許是一個幻想和騙局。

  那麼丘成桐支持,楊振寧反對的“中國造大型強子對撞機”究竟是什麼?為什麼我們要建它?

(發現希格斯玻色子的大型強子對撞機)(發現希格斯玻色子的大型強子對撞機)

  什麼是大型強子對撞機?為什麼要建設大型強子對撞機?

  很多人對對撞機最感性的認識來自於《三體》,在《三體》中,三體人的智能機器 “ 智子 ” 通過大型使粒子對撞機的實驗出現數據隨機化,鎖死了人們物理進步的可能性。很多科學家難以在現有理論體系找到一個自洽的結果,最終在壓力下自殺。而人類的 物理知識無法進步,又使得在與三體人的戰爭中不堪一擊,節節敗退。

  小說的確有誇張的成分,但大型對撞機在現代高能物理中起到的作用確實不可小視。簡單而言, 對撞機的原理是通過產生高能量的粒子,對另一個粒子進行轟擊,轟擊可能產生出新的粒子,也可能會造成兩者的相互作用,相互作用後的粒子會和探測器物質發生 反應。這樣人們就可以了解作用後的粒子狀態,再將它與之前的粒子狀態進行比較,就可以倒推出新粒子的性質。此外,對撞機還可以使得微觀尺度上模擬宇宙大爆 炸後的宇宙初期形態,幫助科學家研究宇宙起源。它還可以幫助我們理解夸克和電子是否是宇宙的最小單元,暗物質和反物質的性質,引力的本質,宇宙的維度等重 要的物理學問題。簡單的說,通過不斷的提升能量和撞擊次數,能夠發現更多的新粒子或者粒子的新性質,從而解答我們在物理學中遇到的種種困惑。

  此前,最大的大型強子對撞機(LHC)位於日內瓦附近的侏羅山地下,除了 “ 最大的粒子對撞機 ” 外,它還有 “ 世界上最大的機器 ” ,“ 世界上最快的跑道 ”,“太陽系裡最真空的空間 ” 等殊榮。它最大的發現是 2012 年近似發現了物理學 “ 標準模型 ” 中預言的 “ 希格斯玻色子 ” 存在的跡象。這一結果將人類 “標準模型” 物理學大廈的屋頂上蓋上了最後一塊磚,因此被稱為是堪比登月的偉大成就。(也讓曾經預言 “ 無法發現希格斯玻色子 ” 的霍金輸了 100 美元。)

  完成了標準模型並不意味着科學家會就此止步。標準模型雖然看上去很完美,但是仍然無法描述引力,而且它描述的粒子還不到宇宙中存在粒子的 5 %。目前人們正在尋找能夠比標準模型更好的物理學模型,超對稱理論便是其中之一。很多人熱愛超對稱理論,因為它看上去非常完美而優雅,如果超對稱理論能夠 被驗證,它能夠告訴我們為什麼粒子有現在的質量,為什麼交互作用產生不同的強度,為什麼宇宙會是現在這個樣子?

  儘管理論非常優雅,但超對稱理論在實驗上卻不如人意。大型強子對撞機直到現在,也沒有發現任何超對稱粒子存在的跡象。今年 LHC 曾經發現一種新的粒子,但是最終也被證明只是統計漲落給人造成的錯覺。這已經造成了許多人對超對稱理論,包括與超對稱理論關係密切的弦論產生質疑,但也有 科學家認為,這可能仍然是 LHC 的設計局限造成的。或許新的粒子中絕大多數的質量都超出了 LHC 可探測的能標。如果是後一種,那麼,一台更大,更強的強子對撞機,應該就能夠回答我們的困惑。

(目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比,中國的 BEPC 正負電子對撞機最小,但未來建立的 CEPC 虛線紅圈區域則最大)  (目前的世界大型粒子對撞機尺寸對比,中國的 BEPC 正負電子對撞機最小,但未來建立的 CEPC 虛線紅圈區域則最大)

  強子對撞機要花費多少費用?真的會對財政造成負擔嗎?

  LHC 的意義與作用上文已經說明,這也是很多科學家例如美國著名物理學家大衛 · 格羅斯對中國建設新的強子對撞機寄予期待原因 “ 我把這個夢想叫做‘中國的偉大加速器(The Great Accelerator)’,這會和萬里長城(The Great Wall)一樣引人矚目。它會比萬里長城的作用更大,會在科學技術各領域有突破和發現。 ”

  如果一台更強大的 LHC 能夠如此有效的解決人類的困惑,那麼為什麼不是歐美而是中國搶先建造?

  答案至少有一點,它的費用非常昂貴。作為人類最精密最巨型的機械,它對地址選擇,設備建設,能量耗費都有極其苛刻的要求,美國曾經打算建設一台 SSC (超導超級對撞機),但因成本過高而草草收場。即使是建成的 LHC 迄今共花費 65 億瑞士法郎(約合412億元人民幣)。而中國要建設的強子對撞機耗費則更加昂貴,楊振寧認為 “ 高能所建議的超大對撞機預算不可能少於 200 億美元 ”。

  許多國際科學家都是關注到了中國近幾年不斷增加科技投入,對中國寄予期待。但即便如此,在一個發展中國家進行這樣的大型工程仍不簡單。根據財政 部的統計,中央本級支出中科學技術支出為 2706.43 億元。就目前匯率而看,即便按照楊振寧的估算,也會占至少一半的科研支出。當然,對撞機修建很可能是多年完成,但在經濟趨冷的情況下,對其他學科產生擠壓 是必然的。

(目前中國 CEPC 項目的預估時間表)(目前中國 CEPC 項目的預估時間表)

  支持與反對強子對撞機的理由各是什麼?

  目前,支持和反對方都在公共媒體上發出自己的聲音,可以想見人數還會逐漸增多,如果把數學家丘成桐看做是支持方,楊振寧和王孟源以及部分網民視為反對方,他們各自有以下一些理由。

  首先是對於基本理論的爭辯,上文所述,丘成桐和許多國際物理學家將更大,能量層級更高的對撞機作為一種物理學發展的方向。但作為當代物理學巨 擘,楊振寧認為 “ 今天希望用超大對撞機來找到超對稱粒子,只是一部份高能物理學家的一個猜想。多數物理學家,包括我在內,認為超對稱粒子的存在只是一個猜想,沒有任何實驗 根據,希望用極大對撞機發現此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。” 在國外,LHC 的研究結果曾表明 “超對稱理論的原始參數空間已經有99.9%被否定掉了”。《科學美國人》在 2014 年曾經發布一篇文章,題目也非常直接《 超對稱玩完了 ?》 。

  然而除了科學問題,更多的討論則集中於強子對撞機的象徵意義。丘成桐首先指出強子對撞機會使得中國成為粒子物理學的新中心,項目建成後,至少會 有五六千名各國一流科學家為做實驗舉家遷往中國,且長期居住。這對中國的科技水平有極大的促進作用。除此之外,強子對撞機有利於增強民族自豪感,也是中國 的民族尊嚴得到體現的表現。丘成桐甚至在文中激動地寫: “今日的中國,已非吳下阿蒙,難道不需要為這個人類最崇高的理想作出貢獻?難道我們只是在遊戲機、在房地產、互聯網上賺點好處,就心滿意足?在我記憶所 及,中外古今都還沒有過這樣的大國!” PingWest 記者看到,部分支持派網民將此與 “ 鄭和下西洋 ” 做比,希望政府不要失去下一次科技革命的機會。

  而反對者則認為,強子對撞機實際上是一個國內出錢供國外人和設備表演的無底洞。楊振寧指出 “ 其設計,以及建成後的運轉與分析,必將由90%的非中國人來主導。如果能得到諾貝爾獎,獲獎者會是中國人嗎?”。知乎用戶 “ rendao ” 貼出一張圖,證明核心設備仍然是西門子。

(目前中國 CEPC 項目的預估時間表)

  更重要的是,很多反對者認為,中國仍然是發展中國家,有更加需要的項目如民生需要投入。即便在科研中,國內仍需要更多的基礎人才培養,學術環境 改善,物理學處於也有更實證,見效更快的方向,在這些都未加強的情況下,投入一個可能上百年才會對人類生活產生改變的方向,實在太過奢侈。在國內新聞評論 網站觀察者網,許多網民認為美國不要的設備,搬到中國來,是“不安好心”。針對支持派的“鄭和下西洋”,也有人指出這是一次類似於鄭國渠的 “ 疲秦之計 ” 。

(華人物理學家楊振寧)(華人物理學家楊振寧)

  反思:科學的未來與公眾的關係是?

  大型強子對撞機的爭議還在發酵,但目前而言,論戰雙方都開始更多訴諸如民族主義一樣公眾情感而非科技論證。這似乎暗喻一個事實:像西方許多國家一樣,中國的科技發展也在越來越受到社會,尤其是公眾輿論的影響。

   傳統意義上,科學曾經是一個獨立的技術領域,但是隨着科技的發展,科技所需要的成本越來越高,對社會其他部分的依賴越發的強。尤其是對於對撞機這樣投入 極高,時間極慢的基礎性研究,勢必要得到更多的社會或經濟支持。因此,科學和公共輿論關係越發緊密。從正向看,對於環保、反核、動物權利的呼籲,多多少少 制約了科學發展的負面作用,使之更加注意人道和社會有益。但有時部分科學進步也要考慮民間的反饋和意見,從而對這些學科發展造成影響。但如少數人將正常的 科學研究分歧訴諸政治話語,其結果往往如同蘇聯的 “ 李森科學派 ” 一樣非常糟糕。

  “鄭和下西洋”是一個令許多中國人都印象深刻的故事。明朝官員對於鄭和下西洋徒費錢財、缺乏回報的譴責,在當時的歷史情況下不能說沒有道理。但 結果是間接使中國錯過了地理大發現的行程。今天的網民距離尖端科學,比當初的明朝官員距離航海費用要遠得多,但公共輿論卻已經成為了新的 “ 言官 ”。如何平衡科學要求與社會其他發展之間的關係?如何保證科學發展不會成為少數人決策多數人接受的結果,但又不會影響到科學的獨立性?這些問題是需要人們 去思考的.

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