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【数理人文】当今最富才华的理论物理学家爱德华·威滕谈粒子对撞机项目
2016-10-19|文章来源:E·威滕 何红建 |【
 

  本文是清华大学何红建教授对普林斯顿高等研究院物理学家爱德华·威滕的访问,由鲜于中之博士翻译,将由《数理人文》杂志和 ICCM Notices刊登中英文版,转载请注明出处。 

  爱德华·威滕目前是普林斯顿高等研究院的Charles Simonyi教授。他最近在北京参加了由清华大学主办的弦论2016国际会议。就在会议开始前,他与戴维·格罗斯教授(2004年诺贝尔物理学奖获得者)在中国科学院大学接受了由中科院院长白春礼颁发的荣誉博士学位。威滕教授此前曾多次访华。2014年2月23日,他受邀参加了在北京清华大学举行的“希格斯玻色子发现之后:基础物理学向何处去”的主题讨论,与会者还包括诺贝尔奖得主戴维·格罗斯与杰拉尔德·埃图夫特等著名物理学家。

  对中国公众而言,多数人只知道威滕教授是菲尔兹奖获得者和弦理论的领军人物。然而对物理学界来说,他同时是一位杰出的理论物理学家,在基础物理学的许多领域都做出了重要贡献。事实上除菲尔兹奖(1990年)外,他还获得过许多物理学大奖,包括狄拉克奖(1985年),爱因斯坦奖(1985年),国家科学奖(物理,2002年),亨利·庞加莱奖(2006年),洛仑兹奖(2010年),艾萨克·牛顿奖(2010年),基础物理学突破奖(2012年),阿尔伯特·爱因斯坦世界科学奖(2016年),美国物理学会杰出贡献奖(2016年)。物理学界高度敬仰他杰出的创造力和贡献,正如艾萨克·牛顿奖的颁奖辞所说,“他的大量重要贡献改变了粒子物理理论、量子场论与广义相对论等领域”。新闻媒体通常将他描述为爱因斯坦的继承者。尽管他非常谦虚,很多同行物理学家认为他的风格与牛顿非常相近,因为牛顿作为近代科学史上独一无二的大师,既是伟大的物理学家,又是伟大的数学家。

  问:威滕教授,我们8月份在清华大学举行的弦论2016会议上见过您,非常高兴有机会采访您。我们的第一个问题是想了解您如何看待物理与数学交叉的重要性,这种交叉过去曾导致了物理学的许多次革命性进步,包括牛顿力学、狭义与广义相对论、量子力学、量子场论与规范理论。您获得过牛顿奖与庞加莱奖,有趣的是,牛顿因提出物理学中的牛顿定律而享有盛名,他同时为了解决物理问题又发明了微积分。另一方面,庞加莱是数学家出身,但他对物理学也做出了基础性贡献(大卫·希尔伯特应当是庞加莱之后另一个类似的伟大人物)。您是否可以根据您的经验对这两者做一评论吗?

  答:人们经过了许多时间才认识到,要理解自然世界,就需要对基本现象作精确的数学描述。比方说,古希腊人对数学与自然世界都很感兴趣。但他们对自然世界的研究主要致力于对一切事物作定性描述,而不是对特定事物作精确的数学描述。

  我的同事史蒂夫·温伯格最近写了一本出色的科学史著作,他在那里描述了人类逐渐学会对简单现象作精确的数学解释、而不仅仅是对一切事物作定性描述的漫长过程。牛顿定律就是其中重要的里程碑。 

  不过,数学为什么对于理解物理世界如此有效,这一点仍然显得有点神秘。我所能说的是,每当我们更好地理解了物理定律,它们就显得微妙而优雅。数学是对事物的一种微妙而优雅的研究,且不依仗任何特定的文化传统。我们或许可以认为,这能够部分解释数学的用处。作为另一种解释,我顺便提一下,或许宇宙是由数学家创造的— 或者至少是数学爱好者。

  问:关于超导超级对撞机(SSC)的历史教训,也许您读过史蒂芬·温伯格2012年发表在《纽约书评》的文章《大科学的危机》[1]?最近我们推荐中国媒体发表了它的中译版。1993年美国国会决定取消SSC计划是美国乃至国际高能物理学界的极大损失。它似乎对美国高能物理学界乃至整个基础科学研究造成了严重的负面影响。另一方面, SSC的设计是将两束质子以高达40TeV质心能量进行对撞,几乎是CERN(欧洲核子中心)在日内瓦的大型强子对撞机(LHC)目前第二轮运行能量(13TeV)的三倍。LHC的能量(13TeV,最终有望达到14TeV)仅仅是SSC的三分之一。在设计LHC时,欧洲人试图设计一个高亮度的升级版以弥补其较低能量的不足,然而这是到目前为止唯一可以这样运行的机器。 

  由于您亲身经历了SSC的终止以及此后LHC的发展,我们希望您能和中国公众分享您如何看待SSC与LHC的经验与教训。

  答:我们没能在美国完成SSC的建造是真正的耻辱。如果我们做成了,我们对基础物理学的理解也许会比目前的水平深入得多。如果我们建造了SSC,美国当然也会继续保持其在高能物理的领导地位。

  我认为从SSC项目的失败与LHC的成功当中可以获得的教训之一是,对于此类项目的成功开展,进行长远规划的能力非常宝贵。欧洲国家能够对CERN做多年度投资,在此基础上才有实施LHC项目的可能。很不幸的是,美国国会每年都要重新考虑项目预算,当一个项目在被批准和资助一年甚至多年的情况下,最终还是有可能被取消。

  我也能看出美国这种行事方式的一个优点。在这个国家,大项目预算对于预期之外的花费会提供某种酌情而增加补贴。在欧洲,对于修建LHC有多年度规划,但是对很小的超预算花费都没有补救计划。因此当LHC真的超预算时,就造成了政治上的困难,并导致该项目推迟了数年之久,尽管超预算的部分对这种规模的项目来说其实相当小(考虑到CERN投入到该项目的实验室资源后,超预算部分还不到项目费用的10%)。

  鉴于此,我对想成大事的国家的建议,重要的是制定多年度计划,同时对合理的特殊情况提供切实可行的补贴。

  问:您知道中国目前的“巨型对撞机”计划,其第一步叫作CEPC,是一个周长大约100千米、能量为250GeV的环形正负电子对撞机。它有可能在第二阶段升级为能量高达100TeV的质子对撞机。我们很高兴地告诉您,在中国物理学会高能物理分会于8月20-21日在合肥举行的“高能物理战略研讨会”上,这一提议已被正式列为“高能物理首选项目”。事实上,尽管CERN在今后15-20年内主要忙于LHC的第二轮运行以及接下来的升级,CERN也正在对一个类似的对撞机方案积极进行预研,即FCC(未来环形对撞机)。许多国际同行认为这是高能物理下一步发展很有希望的方向。我们还记得,为了支持这一计划,您与戴维·格罗斯教授(2004年诺贝尔物理学奖得主)在去年九月联合发表了一篇文章《中国科学的巨大跨越》(发表在华尔街日报)[2]。您能否与中国公众分享您目前对这一项目的看法吗?此外,也请您谈谈中国高能物理学界的状况与成就,包括过去与当前的主要实验,比如BEPC正负电子对撞机、大亚湾与江门中微子实验、以及锦屏地下实验室的PandaX暗物质实验,等等。 

  答:首先,我想感谢中国对基础物理学发展做出的贡献。特别是在大亚湾做出的开创性发现给我们关于中微子的理解提供了关键要素。中微子是一种神秘的基本粒子,对它的研究导致了许多惊奇发现。BEPC的工作也非常值得欣赏,我们很期待正在进行和即将进行的其他实验取得新成果。

  在我访华期间(我曾五次访问这个国家,包括过去几年的三次访问),我发现这个国家在许多领域都在迅猛发展。基于我看到的变化,不难相信,中国用不了太久就有可能在许多理论和实验科学领域成为引领国家。

  CEPC与100TeV对撞机是非常激动人心项目,这对于一个渴望成为领导者的国家确实值得。就物理学未来的发展来说,对希格斯粒子作深入研究、探索电弱尺度以上的能量区域都至关重要,而这两者正是CEPC和100TeV对撞机可以分别做到的。

  问:您很可能已经知道中国就是否应当建造巨型对撞机进行进行了公开辩论。这场争论是94岁的美籍华裔理论物理学家杨振宁(1957年诺贝尔奖得主之一,1997年退休)于9月初挑起的。他历来反对中国的任何对撞机项目,包括目前由高能所所长王贻芳领导的CEPC-SPPC项目。下面附上了杨的公开文章的英译版,以及王贻芳的答复,您也许已经听说了。很显然,杨的反对主要是说这个项目对中国来说花费太高,而且他强调的是第二阶段质子对撞的花费,预计在2040年代建造。(人们大概还记得,位于CERN的同一隧道的LEP和LHC是先后分别获得审核与批准的。)对于中国来讲,您的独立观点和来自国际上的建议将非常有帮助。我们记得,您在与戴维·格罗斯于去年秋天写的文章[2]中论述过这个问题,在最近清华主办的2016弦论国际会议的新闻采访中也谈过这个问题。遗憾的是,这些观点很少为中国公众所知道,现在几乎快被忘记了。您和您的同事认为对CEPC投资值得吗?这对全世界和对中国社会将作出贡献什么呢?

  答:最终,中国须得决定你们想在世界上和在国际科学界达到什么样的地位。

  是的,中国必须继续发展经济。中国将亿万人口成功脱贫,这在世界范围内是我有生之年目睹的鼓舞人心的巨大成就。这一进程还有很长的路要走。

  此外,中国经济的持续增长的确是在21世纪20年代建造CEPC、从40年代开始建造100TeV对撞机的先决条件。

  在发展的过程中,中国必须决定其优先目标与追求。说到该项目的价值,我个人认为中国完全有能力在许多科学领域取得领导地位,而且这个目标也符合你们的文化传统,同时也有益于你们的社会发展。我也相信,经过持续发展,中国在高能物理与其它领域都能够担负起领导地位。

  话虽如此,你们的追求有多远大最终必须由中国人自己来决定。


 
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