“为什么我们应当关心高能物理？它有什么好处？是什么真正值得我们投入这么多财力和人力？”这是国际著名的理论物理学家、2004年诺贝尔物理学奖获得者、美国麻省理工大学教授弗兰克·维尔切克（Frank Wilczek）提出的问题。

　　2006年，维尔切克出版了一部介绍现代物理学知识的高级科普著作：《奇妙的现实（Fantastic realities）》。他用通俗的语言向不具备高深数学基础知识的读者介绍了物理学从基础到最新成就的几乎所有重要方面。科学出版社2010年出版了该书的中译本。

　　这本书的第六章专门谈到了“高能物理的社会效益”。维尔切克在这章提出并解答了“为什么我们应当关心高能物理？它有什么好处？是什么真正值得我们投入这么多财力和人力？”的问题。

　　维尔切克认为，这些问题对高能物理大科学来说，并不是无足轻重——不值得回答。世界上第一位攀登上世界第一高峰珠穆朗玛峰的英雄埃德蒙·希拉里（Edmund Hillary）在登顶成功后回答记者为什么要攀登珠峰的提问时，说了一句简单而意味深长的话：“因为它在那里”。而对答复“为何值得对高能物理大科学投巨资？”的问题，“因为它在那儿”的答复已不能解决问题。许多的“它”都在“那儿”，竞相吸引着关注和获取资源。

　　维尔切克对此问题的解答很令人深思。他指出：

　　尽管不能与空间探测和一些涉及国防的技术研究相比，比起很多其他的科学追求，高能物理是一项昂贵的事业。能扩展高能前沿的现代加速器设备，如费米实验室和CERN的LHC计划，都是大科学。它涉及成千上万人的协同努力，要花费几十亿美元。高能物理几乎全部由政府部门来支持，所以最终由纳税人来支持。促成这些花费的科学家们无疑有责任来解释它为整个社会带来的效益，从而论证这项全社会投资项目的正确性。

　　为了以公正而有意义的方式来应对这个挑战，首先应该用一些清楚明白的措辞评述现代高能物理的性质和目的。

　　阐明高能物理研究的首要目标是很容易的。它只不过是要遵循简约主义者的思路，对基本物理定律求得一种更好的理解，即试图通过深刻理解物质基本组分的性质和相互作用而获得对物质行为的一般理解。

　　事实证明，这一战略，特别是在20世纪的整个进程中硕果累累，获得了巨大成功。概括为所谓标准模型的一些奇妙、精确而又优美的数学定律，支配着亚原子尺度的物理定律。有种种理由认为，这些定律，如目前所表述的形式，足以作为材料科学、化学（包括生物化学）和天体物理学的绝大部分的基础。

　　简约主义方案的最前沿，已经从用原子解释物质转移到以电子和原子核解释原子，再到以质子和中子解释原子核。而质子和中子转而用夸克和胶子来解释，它所产生的模型已经变得越来越精确，应用越来越广泛。但是，随着这一进展，新模型能为之提供定性新的理解而并非更好的基础的那些现象所涉及的领域，离日常生活却越来越远。亚原子物理学能使我们理解和改进化学的基本原理并设计出具有所期望的电磁性质的一些材料；核物理学能让我们理解恒星的能量来源和元素的相对丰度；夸克-胶子物理学能让我们理解甚早期宇宙中物质的行为。未来的发展可以帮助我们更深地了解大爆炸的早期时刻，或认识和理解仍没发现的极端天文环境。但除此以外，很难预期它们对自然世界的直接应用。对基于高能物理未来发现的、有重大经济价值的新技术的任何承诺都是不可信的。

　　如果采取一种更宽泛的观点，则情况看上去就会很不一样。在整个近代历史中，一个又一个好奇心驱使的基础研究导致了许多出乎意料的发展以及派生的副产品，它们的经济价值远远超过了大量生产它们所需投资的总量。有时这种回报会延迟好几十年，并且来自无人能很早预见的方向。整个无线电和无线通信世界源于法拉第提出的真空作为动力学介质的观点和它所激发的实验。激光和数码相机源于普朗克和爱因斯坦为理解光/光子的波粒二象性所做的艰苦努力。现代微电子学与其所有的分支，源于著名物理学家J·J·汤姆孙发现电子和玻尔、海森伯以及薛定谔在量子理论中的革命性创见。

　　这个领域的核心工具——加速器，已成为无处不在的医学设备。或许其中最简单和最熟悉的典型是X射线机，但其他一些粒子束也被用于癌症的治疗和诊断上。谁会想得到，使量子力学和狭义相对论在理论上相协调会导致一些重要的临床医学技术呢？正是狄拉克的理论预言了反物质，而正电子辐射断层摄像技术（PET）已成为观察大脑内部的强大工具。加速器的另一重大应用是质谱分析。这种测定年龄和分析材料成分的方法，已对地质学、考古学和艺术史学做出了重大贡献。

　　同步光源正为结构生物学和化学动力学提供新的、最尖端的工具。在高能物理中，同步辐射作为带电粒子加速过程中的不可避免的伴随物，起初被认为是讨厌的东西，因为它会消耗所要加速粒子的能量。但是结果却证明这个“废品”能使科学家以前所未有的时空分辨率观察分子。所以现在设计了一些特别的加速器专门用做同步辐射源。它们用于医疗诊断、药品设计和许多其他实用目的。

　　高能加速器的发展，除了它的直接影响之外，还激发了很多支撑性技术的进步。为建造加速器，物理学家必须设计大功率磁铁来引导粒子的轨道。这种磁铁已成为另一种重要医学技术即磁共振照相（MRI）设备的核心。

　　高能物理一个完全出乎意料的、很新近的副产品正在成为所有副产品中最重要的一个。高能物理实验的典型特征是涉及几十人甚至几百人的合作，他们必须分享他们的资料和分析结果。正是为了方便这种协作过程，在CERN工作的软件工程师蒂姆·伯纳斯-李（Tim Berners-Lee）发展了万维网（world wide web）概念，并开发了第一个浏览-编辑器，由此便开始了互联网的一场革命。还有许多其他高速电子学的创新，不太为人所知但对商业计算和通信技术非常关键，它们是为了应对如下的挑战而发展起来，即引导以非常接近光速的速度运动的巨大数量的粒子，并解释由它们的碰撞所产生的复杂结果。

　　更难具体确定但却非常重要的，是一些源于高能物理观念发展的副产品。量子场论被发展为一种描写基本过程的严格语言，但结果证明也是理解超导的合适工具。重正化群，首先作为量子场论的技术工具发展起来的，结果证明是理解相变的关键。它在模式形成、混沌和湍流等新兴理论中起着主导作用。

　　为什么这样一些意想不到的事会如此有规律地发生呢？威廉•詹姆斯（William James）给出了简单而深刻的解释。他曾谈到“战争的道德等价物”，指的是这样的事实，即人类可被困难问题和挑战所激发，从而非常努力地、忘我地工作，并发现比他们已知现存的事物更多的东西。特别是一些青年人，他们甚至仿佛是在拼命地寻找——或者说制造！——这样一些问题。也许进化挑选出应对挑战的能力，部分地是对于人类冲突带来的压力的一种反应。无论如何，应该不失时机地将这种珍贵能力引向建设性渠道。

　　高能物理不乏强大的挑战。关于基本作用力的统一及宇宙起源等根本性问题开始变得似乎可理解。在实验方面，挑战更为实际，但却着实令人畏惧。下一代加速器，无论其大小还是精度，都堪称伟大的工程。它们将是现代文明对埃及金字塔的回应，但更为崇高。建造它们是为了改进我们的理解，而不是为满足迷信和残暴的神权。

　　这些加速器所产生的巨大数据流必须明确应如何处理。ATLAS实验为CERN的大型强子对撞机（LHC）做好了安排，预期收集1015比特/年——相当于100万个人类基因组。在这些数据洪流中，必须鉴别出不符合标准模型的那一小部分，它可能只是一小滴。未来将需要发展新的通信和计算的超快方法。如果应对这些挑战的努力还产生不了引人注目的副产品，那将会太令人惊奇了。

　　基础研究的经济成果，尽管在细节上还不能预言，但已经达到了出色的可信度，而且实在是太惊人了。这个领域的投资最终是对人的投资，特别是对那些激发巨大努力的艰巨问题处理能力的投资。

　　大科学项目对人类的影响远远超出对它们的直接研究群体。建造现代高能加速器、探测器以及其信息基础设施，将使工程师们密切接触许多异乎寻常的技术前沿和与他们通常所遇到的性质非常不同的问题。另外，大多数加入这些计划的年轻人将找不到永久的学术职位。他们很清醒地投入这种生涯，确信这是参与某种伟大事件的机会。当这些工程师和研究人员返回外部世界时，他们都带有独特的技能和经验。

　　社会对形象高大的科学事业令人瞩目的投人，给正在考虑从事什么事业的年轻人传递了一个重要信息，鼓励他们进入科学和技术方向。这很重要，因为我们的社会需要能干的科学家和工程师，并且经常大量需要他们。

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