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【数理人文】杨先生与赛先生:大型对撞机之我见(by侯维恕)
2016-10-17|文章来源:侯维恕 |【
 

  侯维恕,台湾大学物理学系教授,1985年加州大学洛杉矶分校物理博士,环型正负电子对撞机CEPC的国际谘询委员会IAC成员,亚洲高能物理AsiaHEP论坛主席。 

  写在前面:本人是环型正负电子对撞机CEPC的国际谘询委员会IAC成员,显然已有一定立场,然而这篇文章是我从台湾、并以亚洲高能物理AsiaHEP论坛主席的角度,提出看法,主要围绕着杨振宁先生与王贻芳所长在九月初的论述。 

  撇开一切不谈,中华人民共和国肇建后的最大成就,是让中国在历经家道中落一百五十年的苦难之后,终于恢复成为什么都能造。虽然当时是迫于时事艰困、也许不占什么优势领先,但中国终于再站起来了。而藉着改革开放所释放的能量,数十年下来中国跃升为世界第二大经济体,重返世界舞台,美欧自己造成的金融危机却造就了中国影响力的窜升。 

  中国恢复了,但要恢复成什么呢?

  去年三月,台湾大学颁授杨先生荣誉博士学位,在杨校长摆设的晚宴后半,我问了杨先生关于CEPC的看法。杨先生当然一如以往的表示不赞成,他清清楚楚的回溯当年反对北京正负电子对撞机的建造,与当今理由并没有多少差别,除了民生凋敝的问题,不外是要做有用的科学。有趣的是,他自己提到当年邓小平将要拍版定案时说,「杨先生的意见大家都已经知道了,就不用再问他。」而杨先生当时反对的理由比现在更充分,因为中国真是百废待举。于是我问,当今合肥已不缺电力了,而民生相关问题会一直存在,中国是不是也应该有大国的思维呢?我举了五十年代的「要核子不要裤子」,他十分同意那是正确的决定。我说那是关乎中华民族的存亡,兹事体大。但中国在积弱两百年恢复后,究竟要恢复到什么位置?当时未能谈得再深入,晚宴也在和乐与祝福中结束。

  超大型对撞机CEPC以及未来可能后续的超大型质子对撞机SPPC,造价以百亿美元为单位,毋庸置疑,但造价昂贵不是我们要讨论的议题。在中国经济体还在快速成长之际,这绝对不是负担不了,而中国经济正走向转型,对长远未来的重大投资,无论在科技与经济成长上,都会有实质助益。考量了中国高能物理实体与国内其他尖端领域投资的落差,以及与国际高能物理实体的数量级差距,中国需要迎头赶上,王所长均已论及。而CEPC/SPPC的组合,是绝佳的契机,可以展现中国的企图心,在人类文明最尖端的领域,一跃而成引领世界的新核心。这不是土法炼钢式的「新超英赶美」,乃是邀请并结合全世界的力量,营造人类文明未来六十年的发展。执行力与国际化是两个核心问题,但唯有决心投入并坚定执行下去,才能有实质的发展。

  杨先生关切的其实是「铁先生」(Tech)与「衣先生」(Economy,或民生经济),这些我倒不担心,因为千百年来,中国便是自给自足的富裕经济体,对人类工艺技术与文明发展多有贡献。那中国为何会败给西方列强呢?我们不要政治性的将责任推给帝国主义,核心乃是一个世纪前中国热烈讨论的「赛先生」(Sci)。这个在西欧发展成熟的人类新遒,以追求根本(好奇心与「神之面」)加上求真与务实的实证检验精神,最终带动了器物(铁先生)与经济(衣先生)长足的发展,让欧洲文化成为普世文明,也让欧洲人踏入全世界,包括中国。中国的无以应对演变成百年苦难,日本的成功现代化则加深了这个苦难。

  诚然,从人均GDP来看,「中国仍然只是一个发展中国家」(杨先生语),但中国在过去几十年替人类解决了十亿人的贫穷问题,非同小可。而中国恢复了过去几千年的「足印」,一方面大国思维有别于巴西等相对人口小国,另一方面要记取中国面对西方失败的教训。中国在缺席数百年后,应当重新对人类文明与文化有所贡献,不可再回到故步自封的物质与世俗文明,乃是要有得以永续的真实创新。「赛先生」探求真理,亦即切实的格物穷理,不问应用价值。而无用之用,竟是大用:十九到二十世纪的科学发展,如电磁、原子与核子、DNA的发现,在在证明最大的应用价值来自追究最基础的问题。

  和很多人一样,杨先生举美国当年建造超导超能对撞机SSC的痛苦经验为反对中国建造大对撞机的第一理由。王所长回应说那是「美国 ... 极为错误的决定」,使美国「失去了发现希格斯粒子 ... 未来发展的基础,... 国际领导地位」,美国高能物理「到现在还没翻身」,说的都对极了。欧洲的CERN中心在1983年实验发现电弱波色子,刺激了美国高能界为发现希格斯粒子筹建SSC,但最终失败,王所长列举了诸多原因。起初压低预算以致于后来节节高而被整个删除只是(并非不重要的)表面原因,最大因素其实是九十年代初进入后冷战时代的美国「军工政复合体」板块调整,又伴随老布希波湾「百时战争」结束太早导致经济萧条因而连任失利,民主党柯林顿上台,不买旧帐,再加上美国国会对预算一年一审的体制缺陷,使得SSC计划在面对国际太空站的经费竞争下崩盘。美国体制的缺陷,反映在SSC于八十年代地点未定时各州都爱,但选定德州、而德州出身的布希家族失势之下,国会的终止预算,事后来看,是堵了美国自己的「大国」未来。当时的SSC周长约八十公里,若建成,哪有CERN的周长二十七公里的大强子对撞机LHC的立足之地,遑论当下中国谈论的超大对撞机呢?前车之鑑,后事之师,美国之失,却也提供了他人的契机。

  首先得利的便是CERN:一方面LHC感受的SSC压力解除,得以往下进行,另一方面美国高能物理人才大量走向欧洲,协助LHC发展,虽然费米实验室能量为LHC七分之一的Tevatron继续运行了近十五、六年。到如今环球高能物理界七成的研究者都得「朝CERN」并「进贡」,使CERN成为全世界最成功、最国际化的大型尖端科学与技术研究中心。正是这样环境的孕育,加上高能物理的大科学、大数据前沿特性,环球信息网(WWW)是在CERN发明出来,改变了人类的文明与生活。而CERN崇高的非营利科学研究宗旨,并没有将WWW专利化,而是将之贡献于人类,值得称许。

  CERN是在欧洲经过二次惨痛欧战之后,力谋恢复的多国协约组织,提供了比美国各州各行其是强得多的稳健成长结构。当年欧本海默曾对法国官方友人劝勉:「未来的研究需要的工业、技术和财力,超越个别欧洲国家的能力。因此,你们需要联手集中资源。欧洲科学家若必须去美、苏才能够从事研究,在根本层次上是不健康的。」成为欧洲成立CERN的动力。到现在却是美国、前苏联与世界各国的人都齐聚到CERN做研究!而希格斯粒子的发现,把人类对自然的根本认知带到了新境界。

  LHC是建在当年为大正负电子对撞机LEP在地下挖的同一个环里,这给予CEPC/SPPC相当的启示,兹说明如下。LEP曾搜寻希格斯粒子到达114 GeV/c2的质量范围,离LHC所发现的125仅差11GeV/c2而已。也就是说,建稍大些的环以降低因同步辐射所造成的无谓能量耗损,便可量产希格斯粒子,利用正负电子对撞机的干净环境精密检验其性质,是否一切与粒子物理标准模型预期相符。这个精确度是一定能超越LHC的,而希格斯粒子是进一步了解大自然在比电弱对称破坏更高的能量尺度是如何安排的、因而是了解宇宙起源的锁钥。CEPC乃是加强版的LEP,其设计与建造十分符合中国现今的能力,更可用以训练与扩编队伍,到达符合中国经济规模的实力。而比照LEP运转完改建成LHC质子对撞机模式,参考高能物理的前瞻需求以及当年曾感受的SSC压力,这个CEPC环还是建大一点为佳,为将来的SPPC预作准备;总不该小于三十年前美国SSC的规模吧!而挖隧道可难不倒中国啊。虽然我们现今不能确保以100TeV(LHC能量的七倍)的对撞能量一定有所发现,但这个能量范围是人类非得探索不可的,为什么不换由中国人领军呢?该是时候了。而未来二十年LHC的后续研究,即便有所发现,LHC是无法完全探索明白的,只会增强建SPPC的理由。当然,质子对撞机的建造比较困难,而且关键的强场超导磁铁技术并数以千计的精密磁铁量产,都还未成熟。这就让我们看见从CEPC连到SPPC是如何的有道理,因为CEPC的建造与运转容许二十余年的SPPC研发与人力成长。这也让我们看见为何CERN对这个议题大为关切,如火如荼的推动对等的FCCee 到FCChh的研发,深怕被中国抢了先机。但欧洲与CERN有个罩门:因着LHC的兴建所费不赀,从计划执行面,目前已快要完成第一阶段升级,而更昂贵费时的LHC与各侦测器第二阶段升级也是势在必行,包括运转在内将一直进行到2035年。另外,在欧洲日内瓦附近挖七十公里以上的隧道,说来容易,实际执行则一定不如中国来得便捷,这是当今中国的优势。

  总之,CEPC是既有物理、又相当传统的对撞机,十分可行,而SPPC的前瞻性则容许长远发展。当我在希格斯粒子发现未久的2012年初秋听说CEPC/SPPC的倡议,不禁拍案叫绝。

  虽然我们强调美国在三分之一世纪前将SSC的兴建搞砸,提供了中国契机,但一个常见的提问是:「美国人都不做的事,中国为什么要做?」支持CEPC不遗余力的高能所高能物理前沿研究中心主任,普林斯顿高等研究院的尼马·阿尔卡尼-哈米德教授(大家都叫他尼马)就自承常在中国被问这个问题。容我从侧面剖析。

  2014年大强子对撞机物理LHCP年会于纽约的哥伦比亚大学举行,大会安排了一个「发现之路」的座谈,六位座谈小组成员都是高能物理界知名而有影响力之士,不过只有CERN研究主任伯托鲁奇一位不是美国人(村山齐教授是日本数物连携宇宙研究机构IPMU主任,但仍任职柏克莱大学),因此虽是国际会议,座谈听来常常有如美国的townhall meeting。当中尼马就提到被中国人问上述问题,常让他多少有些难为情。他喃喃自语道,他自己的部份动力来源,似乎是「若中国做超大对撞机,或许才能翻转美国的现况吧」。我的讨论仅凭印象,不一定精确,但分析起来的意思是:唯一超强的美国,若欧洲从LHC往下发展,美国不在乎,因为欧洲收在北大西洋公约组织里;而日本若要建国际线型对撞机ILC,美国更是觉得在其掌握之下。唯有中国 ...。我赞成竞争,反对对抗,但尼马的话,反映了美国高能物理界对他们本国画地自限的挫折与无力感。这绝不构成中国不做的理由,乃是凸显这的确是一个契机。美国是有国力与实力作大型对撞机的,但SSC砸锅的阴影仍挥之不去。

  说到日本想做ILC,由来已久,事实上全世界高能界已同意在日本建,但经费与国际参与的鸡与蛋问题,使得八字始终撇不下去,而背后最大的原因,乃是日本泡沫经济破灭近三十年来,始终找不到新的模式。正是这一段时间,中国走向恢复。从三千年的历史角度,中国恢复主体性是必然的,而「二维的」中国能做的事情,理应超越日本。但日本现代化的科研成就非常卓越,值得中国学习。我个人在1994到2008年组队参与日本高能实验室KEK的B介子工厂,有非常美好的合作。我衷心支持日本能建成ILC。尤有甚者,身为东亚人,我深切盼望CEPC/SPPC与ILC都能建成,让亚洲成为未来的高能物理以及国际学术中心。放眼望去,东亚举足重轻的大型科研设施是不是太少了,无法与世界第二与第三大经济体的位份相称?若将来美、欧、俄及世各国的人都齐聚到东亚做科学研究,那才是东亚的跃升。

  这也是我们的部分主题:东亚百年来,除了日本,在人类文明发展的舞台缺席已久。中国恢复了,若仅是恢复到生产基地或自给自足的内需经济是不够的。中国在近代科学文明跃升的关键时代竟曾缺席,复兴的中国岂不应以人类文明下一阶段的领航者期许自我。而我们所讨论的超大型对撞机议题,具有指标性意义,中国应当大气的扛起来,创造下一世代国际化大型尖端科学技术研究新典范,现在正是时候。 

  【《数理人文》经作者本人授权刊登。】 

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