霍金、凯恩:中国应该建造巨型对撞机,荣耀将被历史永远铭记

史蒂芬·霍金 戈登·凯恩/鲜于中 译

2018-01-17 21:51

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作者简介:史蒂芬·霍金(Stephen Hawking),英国著名物理学家与宇宙学家,英国皇家学会院士(1974 年,是当时最年轻的院士),美国科学院外籍院士(1992 年),1979 年至 2009 年剑桥大学卢卡斯数学教授,现任剑桥大学理论宇宙学中心研究主任。
戈登·凯恩(Gordon Kane),美国密歇根大学维克托·魏斯科普夫(Victor Weisskopf)杰出教授,密歇根理论物理中心荣誉主任。曾获美国物理学会颁发的朱利叶斯·埃德加·利林菲尔德(Julius Edgar Lilienfeld)奖(2012 年),J.J.樱井(J. J. Sakurai)理论粒子物理学奖(2017 年)。
译者简介:鲜于中之在清华大学获得物理学博士学位,目前在哈佛大学从事博士后研究,主要研究方向为粒子物理与宇宙学理论。是科普读物 From the Great Wall to the Great Collider (by 丘成桐,Steve Nadis) 中文版 《从万里长城到巨型对撞机:中国探索宇宙最深层奥秘的前景》的译者之一。
本文原文将发表于 ICCM Notices,中译文将刊载于《数理人文》杂志,澎湃新闻经《数理人文》授权后转载。

霍金(左)与凯恩(右)

纵观人类文明史,尤其是近四个世纪,理解我们所在的宇宙是无数人的理想,也是物理学的焦点。进入 20 世纪末,我们终于获得了粒子物理学的标准模型和宇宙学的标准模型。它们对世界的描述成功却不完善。成功是因为,它们在最高的能量和整个宇宙的范围内都成立,从而实现了物理学的传统目标。
而不完善之处在于,这两种标准模型都是描述性的理论,我们还不知道它们缘何正确。此外,这两种标准模型没有解释万有引力,尤其是没有提供引力的量子理论。它们也无法解释一些关键问题,比如遍布宇宙中的暗物质究竟是什么,以及为何宇宙在大爆炸之初包含等量的物质和反物质、而如今反物质只有物质的十亿分之一,等等。
过去几十年里,物理学的前沿阵地迅速扩张,物理学家的目标也愈加宏伟。自 20 世纪 70 年代起,物理学家就致力于用一种更基本的相互作用力统一描述几种看似不同的已知相互作用。在此过程中,他们发现超对称对于理解这种统一极有助益,出现于 80 年代的暴胀理论和弦理论进一步强化了这些观念。回想当初,欧内斯特·卢瑟福(Ernest Rutherford)在 20 世纪 20 年代曾说:“在我的系里,别让我听见谁谈论宇宙。”然而时过境迁,诚如史蒂文·温伯格(Steven Weinberg)所言:“过去与现今物理学家的差异,不仅在于他们知道得不如我们多。对于探索知识的目标和途径,他们的看法也完全不同。”
物理学进步的动力在于新概念和新工具,比如新的粒子对撞机和探测器。明确希格斯玻色子的存在,已从根本上改变并加深了我们对宇宙的理解。但如果没有欧洲核子中心(CERN)的大型强子对撞机(LHC),这一切就无从谈起。渺小的人类竟能理解整个宇宙,既让我们心生敬畏,又获得慰藉。
位于 CERN 的大型强子对撞机的 CMS 探测器 CERN 图

在这方面,美国于 1993 年取消的超导超级对撞机(SSC)充当了历史的反面教材。美国因此失去了基本粒子物理学的领导地位,不过也为中国迈向这个位置让出了机会。各方面的详细记录显示,导致 SSC 失败的原因复杂多样,政治环境、偶发事件、管理失误、对国际合作的依赖,诸多不利因素发生了叠加。这其中,经费超支并非主要原因。
CERN 于 2012 年发现了希格斯玻色子,迈出了理解宇宙的重要一步。我们由此确知,粒子物理学的标准模型连同产生质量的对称破缺机制,可以成功地描述我们的世界。希格斯相互作用在其中扮演关键角色:若不是电子通过与希格斯玻色子相互作用而获得质量,原子的尺寸就会和宇宙一样大,我们的世界也就无法存在。可是,电子一旦通过和希格斯场的相互作用获得质量,量子修正就会使它重得变成黑洞,除非某种有待发现的新物理将电子质量稳定在它的实际值。构想中的这台对撞机就将寻找这种新物理的线索。
规划中的中国对撞机分为两个阶段。第一阶段是“环形正负电子对撞机”(CEPC),而第二阶段则是“超级质子对撞机”(SPPC)。两者都需要很长的环形隧道,其周长预计可达 100 千米。在第一阶段,物理学家将集中研究希格斯物理,并试图从中揭示更深刻的基本理论。尽管我们通过量子修正的理论知道,已经发现的希格斯玻色子不可能是标准模型中的希格斯玻色子,但 LHC 中关于希格斯玻色子衰变的数据告诉我们它们很像:希格斯玻色子几种衰变模式的分支比都和标准模型的预期一致,尽管它们本可以非常不同。不过,LHC 的数据仍然允许相当不同的结果。其中最重要的过程是希格斯玻色子衰变为两个传递弱相互作用的 Z 玻色子。该衰变模式分支比的 LHC 测量值与标准模型预言的比值为 1.3±0.3 。LHC 的进一步运行只能略微减小其不确定度,而 CEPC 能够将精度提高一个数量级,从而真正告诉我们希格斯玻色子是否同标准模型的预言一致。其他几种衰变模式的情况也类似。此外,根据我们对希格斯玻色子的现有理解,应当还有与之相伴的粒子。发现这些粒子需要能量更高的新对撞机,而搜寻这些粒子将是未来对撞机的主要目标。新对撞机能够提供更好的数据,供我们研究希格斯玻色子性质,从而使我们更深入地理解希格斯物理的重要角色。
目前,位于日本的国际直线对撞机(ILC)项目与 CEPC 的目标相似。CERN 也在规划下一代对撞机,其中名为 CLIC 的直线正负电子对撞机与 CEPC 也有相似的目标。不同国家和地区的加速器或对撞机有相似的物理目标,以往很常见。这不仅对于科学研究很可贵,对建造它们的国家和地区也极有价值,我们将在下文讨论。
与 ILC 和 CLIC 等其他方案相比,CEPC 的一个巨大优势在于,它的第二阶段 SPPC 将以更高的能量对撞质子。SPPC 可直接使用 CEPC 的隧道。我们有充足的理由至少将总能量提升到 LHC 的两到三倍。六到七倍于 LHC 的能量最终或许也是可行的,而这需要研发强度更高的超导磁铁。质子对撞可以提供观察预期信号所需的高亮度,我们可以为此制定长达数十年之久的研究计划。更高能量的对撞机有两个主要目标,其一是理解希格斯玻色子自身如何获得质量,其二则是通过更高的能量搜寻新的突破。
在希格斯物理之外,尽管无法确知 CEPC 或 SPPC 将来会发现什么,一种有趣的可能性是名为“超对称”的基本对称性。正如电荷共轭对称性告诉我们每种粒子都有其反粒子,超对称意味着我们将能发现标准模型粒子的伙伴粒子。通过对超对称伙伴粒子性质的研究,我们知道如果超对称的确存在,那么 SPPC 就有希望通过更高的能量发现它们。
有人认为,LHC 到目前为止仍未发现超对称伙伴或其它新现象,意味着发现它们的可能性很低。但这与历史经验相悖。当人们在 1979 年发现底夸克时,物理学家预期顶夸克只比底夸克重几倍。事实上顶夸克的确存在,但是比底夸克重 41 倍,直到近二十年后才被发现。如果超对称伴子也比 Z 玻色子重 41 倍,那么 LHC 及其后续升级就无法发现它,但 SPPC 仍有机会。超对称理论的另一个非凡性质是,它能够将对撞机提取数据的尺度,与更深层理论自然存在的尺度,也就是普朗克尺度,联系在一起,从而有助于我们发现更深刻的基本理论。CERN 也在规划建造更高能量的质子对撞机 FCC,预计能量最初为 LHC 的两到三倍,最高可升级到 LHC 的六倍。由于造价高昂,这些能量更高的对撞机计划最终很可能只有一项付诸实践。
建造 CEPC 及其后续升级版本,中国将深受其益。值得着重指出的是,当我们步入知识的前沿时,新技术和新思路将是继续进步的前提。若非如此,就无所谓前沿了。只依赖现有的技术和设备,我们不会走太远。在这方面,LHC 作为绝佳的范例在许多领域都有充足的文献证据,例如网格计算。万维网对全球经济的巨大影响更不待言,而它正是物理学家为了粒子物理的研究需要在 CERN 发明的。有人说,如果万维网的每一次使用都需要向 CERN 缴纳一便士,那么粒子物理学界就永无经费之虞。粒子物理探测器的发展还能催生更多价值至少数十亿美元的工业技术,比如磁铁技术,以及未来的超导线技术。这些新技术产出的价值,将远超建造对撞机的投资。
蒂姆·博纳斯−李(Tim Berners-Lee)在 CERN 工作期间,为了创造能够管理并传播由大型强子对撞机产生的海量数据而发明了万维网。世界上第一个网站由博纳斯−李于 1991 年在 CERN 创建,博纳斯−李获得了 2016 年的图灵奖。 CERN 图

可以说,CERN 发明的万维网催生了第三次工业革命。同理,建造 CEPC 所需的材料和技术,以及对数据获取、存储和访问的需求,也有助于点燃第四次工业革命。高能物理引领了第三次工业革命头几十年的进程,而工业界也仅仅在近年来迎头赶超。历史有可能会第四次重演。
由 CERN 培养的博士,近半数转向了工业界等粒子物理之外的领域,为这些领域注入了新的活力。CEPC 亦然。这将带来显著的成效,因为一方面,基础研究激发创新创业,另一方面,LHC 为创业公司的第一批产品提供市场,从而增加成功机会、降低创业风险。中国对撞机亦然。由于粒子物理必须站在前沿,更深入地探究自然,就需要新方法和新技术,所以新技术一定会出现。投资一台高水平对撞机,将有助于加速中国的经济发展。
或许,这项事业的最大的收益在于吸引大量中国的青年才俊。在此过程中,这些年轻人会对科学的不同领域产生兴趣,从而转向各个科学领域,极大地促进中国科学事业的发展。培养一大批科学家,对于中国的教育系统也是一次重大而极为有益的挑战和机遇。
CEPC 有机会作出根本性的重大发现。不过即使如此,也还需要一台质子对撞机,通过一条很长的环形隧道以及数以千计的高强度磁铁,来发现更多新粒子并探索它们的性质。在这方面,历史再一次提供了向导:物理学家首先在能量较低的设备上发现了标准模型中负责传递力的玻色子(W、Z 粒子和胶子)。CERN 接下来用了二十年建造并运行了正负电子对撞机 LEP,以研究标准模型与其他替代理论,从而最终确立了标准模型的正确性。此后,物理学家利用 LEP 的隧道建造了能量更高的质子对撞机 LHC,并最终发现了希格斯玻色子。
发现新粒子或排除新粒子的存在,除了高能量对撞机是否另有途径?物理学家其实也发明了巧妙的方法,将质子或电子加速到更高的能量。遗憾的是,所有这些新方法提供的亮度都远不够发现新物理。它们至多每十年可以提供几个事件,但我们需要每年数十个或数百个事件。在 20 世纪 80 年代规划 SSC 的时期,SSC 的反对者声称,将会出现新的磁铁技术取代业已成熟的超导磁铁。可是 40 年过去了,这样的新磁铁技术还是没出现,或许根本就不存在。最近,史蒂夫·纳迪斯(Steve Nadis)和丘成桐合著的《从万里长城到巨型对撞机:中国探索宇宙最深层奥秘的前景》一书,从科学和文化的角度阐述了这台对撞机的重要性,并由波士顿国际出版社(International Press of Boston)于 2015 年出版【编注:中文版由电子工业出版社于 2016 年出版】。
中国已有几项中等规模的科学装备,比如由中国科学院高能物理研究所和物理研究所运行、最近成功开机的中国散裂中子源,就是世界上四台同类设备中的一台。在高能物理领域,CERN 目前是绝对领导者。它拥有世界级的高能物理中心,吸引了全球各地数以千计的物理学家在此工作,也吸引了大量访问者参观 CERN 的实验室和探测器。如果中国建造 CEPC 和 SPPC 这样的大科学装备,就将取代 CERN 的地位,成为高能物理的国际中心。CERN 也在规划同类对撞机,但这必须放在大型强子对撞机的升级运行之后,因此需要十年或更久的时间。
位于广东东莞的散裂中子源装置 视觉中国 图

中国迄今已明智地资助了很多大科学设备,但从科学技术、投资规模和文化影响力的角度看,其中的大多数都还未达到世界领导地位。至少在几个重点领域继续进步、达到世界领导地位,对中国至关重要。以科学重要性和技术影响力衡量,以 BEPC 三十年的经验为基础,CEPC 是上佳之选。几乎所有的花费都将发生在中国。如果中国推进这项事业,其他国家也会参与其中,从而在人类共同目标的引领下、和平和谐的气氛中,极大地促进国际合作。
对撞机建设如今已是成熟的技术。通过专家审核,预算与日程规划将能相当精确地符合实际。中国的人均 GDP 尚未达到发达国家水平,但这不是拒绝对撞机的理由。正相反,对撞机将为更多人提供新的工作机会从而推动经济增长。中国的 GDP 总量已进入世界最高阵营,因而有能力投资一台未来的对撞机。正如王贻芳指出,CEPC、甚至 SPPC 的经费占 GDP 的比例,并不会超过现有能量较低但运行成功的北京正负电子对撞机(BEPC)在建造时所占的比例。此类投入激发的技术进步,将帮助发展中国家崛起为经济领导者。对中国而言,继续明智地投资基础研究非常重要。而且,资助对撞机与资助其他科研领域应当并行不悖,互不干扰。每个领域的经费都应能够维持其健康发展。
北京正负电子对撞机(BEPC)的直线注入器 中科院高能物理所 图

中国的粒子物理学界已经发展成熟。他们通过北京对撞机 BEPC 掌握了较低能量的对撞机技术。许多中国物理学家也曾供职于 CERN 和费米实验室等对撞机实验室。如果中国领导此类尖端研究,外国同行也会前来参与和协助,确保取得最大成功。由此取得的任何新突破必将声名远扬。大型对撞机项目的推动者和项目领导获得诺贝尔奖,在粒子物理学界屡有先例。加速器物理学家西蒙·范德米尔(Simon van der Meer)和卡洛·鲁比亚(Carlo Rubia)就因 CERN 的对撞机而获得诺贝尔奖,更早的先例还有粲夸克的发现,获奖者是丁肇中和伯顿·里希特(Burton Richter)。我们也为此期待中国的诺贝尔奖。
若没有新的对撞机设备,推动科学发展的新理论、新概念和新工具还会出现吗?当然会。新思路自然会导致新见解。但是不论理论再优美,没有数据的支持,我们就无法知道它能否描述并解释真实自然界的方方面面。若非希格斯玻色子的发现,仍会有许多人怀疑用希格斯场描写真空态的正确性。天体物理和宇宙学的观测,比如宇宙微波背景,也能提供重要的信息,但这些结果无法揭示顶夸克的存在、质量的起源、希格斯物理、相互作用的统一,等等。暗物质是什么?我们能否统一并简化关于相互作用力的理论,并将其与产生质量的希格斯机制联系起来?什么导致了宇宙初始时刻的快速暴胀?要回答这些重大问题,实验数据对于我们的理论至关重要。
利用实验数据和逻辑推理,将我们对物理宇宙的理解延伸到时间的起点和宇宙的边界,是人类文明的非凡成就。通过未来的对撞机提供的新结果,中国将有机会带领我们迈向理解宇宙的全新境界。通过粒子物理与宇宙学解释自然运行的内部规律,是人类文明的核心事业。将这项事业推向新高度的国家,它的荣耀和成就将被历史永远铭记。
责任编辑:虞涵棋澎湃新闻报料:4009-20-4009   澎湃新闻,未经授权不得转载
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