大型對撞機與基礎科學和技術進步

郭曉明

大型對撞機與基礎科學和技術進步

郭曉明

最近，多位知名科學家公開討論中國是否應該建造大型對撞機的問題，引發(fā)了大眾對高能物理的熱情。高能物理也曾稱粒子物理，是最接近哲學的前沿科學，它是逼近終極理論的理論，它研究什么是物質，什么是能量，什么是質量，什么是電荷。它的研究范圍，有比質子、中子更小的粒子，也有大到宇宙的誕生，宇宙的構成等問題。這個學科推進的重要方法之一，就是以建造越來越高能量的對撞機為路徑。

高能物理源于人類對原子核的認識的需要，起始于人類對原子核的認知的一個理論。原子核由質子和中子組成，一些放射性衰變原子核會放射出電子，因此，要了解原子核的結構，必須弄清楚質子、中子和電子的相互作用。本來質子和中子被稱為基本粒子，1955年毛澤東認為不是基本粒子，認為還有內部結構。同年物理學家就用高能電子束測出質子和中子有電荷和磁距分布，證明有內部結構，不是基本粒子。經過物理學家長期努力，經過粒子對撞試驗和理論發(fā)展，主流物理學家已經達成共識，就是質子和中子由夸克組成。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而這些夸克的特性又有不同顏色。用兩個夸克解釋兩個核子，而且符合碰撞實驗驗證，可以說是粒子物理的一大進步。然而，構建夸克理論用到的對稱性，假設了有六個夸克，其他夸克組合成許多其它粒子，這些數量眾多的粒子陸陸續(xù)續(xù)不是被宇宙射線觀測證實，就是被人工粒子碰撞機發(fā)現證實。除了夸克組成的強子，還有輕子，輕子的數目幾乎和強子數量差不多，這些亞核粒子相互作用力又需要相應的交換粒子來解釋。為了認識質子、中子和電子這三種粒子的本質，高能物理的標準理論已經發(fā)現了60多個粒子，用60多個粒子的理論來解釋三個粒子，這種解釋效率太低。這60多個粒子很多不是自然界觀測得到的，必須用對粒子撞機對撞才能觀測到，這些粒子壽命極短，它們存在的時間大約是100億分之一秒甚至短于億億分之一秒，以至一些物理學家不承認這些是粒子，稱其為能量共振態(tài)。觀測這些壽命極短的粒子主要依靠測量它們衰變產生出來的次級粒子來推論它們的特性?？淇艘彩桥鲎矊嶒灍o法單獨分離出來的粒子，夸克的相互作用如此之強，乃至試圖把夸克碰撞出質子的能量如此之大，碰撞出夸克的能量足以產生正負夸克對，變成比質子質量還大的介子。楊振寧顯然對這個理論保持了清醒的頭腦，有對這個理論可被取代的科學態(tài)度。李政道和楊振寧獲得諾貝爾獎，就是對高能理論完美的質疑，提出宇稱不守恒的論點，他們重新整理了已有的實驗成果，支持了這一論點，后來吳健雄實驗再次證實了他們的論點，也得到諾貝爾獎。用60多個粒子來解釋三個粒子的理論效率低下且不說，要命的是這個復雜而美麗的理論對人類技術進步基本沒有任何突破。如今科學家應用的是其他物理知識開發(fā)技術進行高能物理實驗，而高能物理的標準理論和大統一理論并沒有增加人類的技術能力。如今為了解決人類能源問題，為了開發(fā)可控核聚變技術，基本用不著夸克理論?？煽睾司圩兗夹g的研發(fā)，用的是愛因斯坦狹義相對論的質能等式，和原子核的重量的實驗數據。高能物理理論對核電技術，對可控核聚變、對核潛艇和核武器都基本沒有幫助。人們不禁要問，物理學界是否應該反思這個學科的走向？這是耗資巨大的陽春白雪學科，數學之美令人贊嘆不已，但至今沒看到任何實際應用前景。尤其是對核物理技術沒有實質幫助。

當年托勒密地心說也很有成就，只要不斷加上足夠多的天球，就可以足夠精確解釋不規(guī)則的行星運動，這是了不起的天體運動理論。這個解的存在性叫做傅里葉展開的完備性，就是圓周運動的疊加可以擬合出所有周期運動乃至非周期運動。自從“日心說”觀念突破了“地心說”的思維定式以后，才發(fā)展出了開普勒的行星運動三大定律，以三個定律解釋所有行星運動，理論效率比需要80多個天球的理論效率高多了。根據開普勒三大定律，牛頓發(fā)現了萬有引力，以一個萬有引力定律就解釋了所有行星運動，理論效率又有一個飛躍。而且，正是由于牛頓定律，才有了我們今天的火箭和衛(wèi)星技術。如果我們滿足于托勒密的地心說，滿足于疊加足夠多的天球以精密解釋行星運動，我們就沒有今天的衛(wèi)星技術。高能物理理論很可能陷入了托勒密地心說理論的宿命，它可以自圓其說，但不解決實際問題。楊振寧的擔心是有道理的，就科學角度而言，應該避免陷入用猜想驗證猜想的怪圈。高能物理就是對撞試驗驗證了理論，但同時又發(fā)現新現象，理論又進一步發(fā)展解釋新現象，又需要更高能量對撞驗證新理論，如此重復加深人類對亞核粒子的認識。但這已經不是粒子現象了，而是能量轉換成物質的現象。今天的高能物理乃至大統一理論都和托勒密地心說一樣完美和諧，都可以解釋所有各自關注的現象，但就是不接地氣，為了認識質子、中子和電子這三個粒子，高能理論過于繁冗。所以，現在高能物理科學需要的不是這種不斷增加天球的托勒密地心說式的發(fā)展，不是這種沒有止境的讓高能物理理論和高能物理實驗相互印證卻又與現實世界漸行漸遠的發(fā)展。高能物理需要平心靜氣整理已經積累的高能物理實驗數據和天文學觀察，重新整理認識原子核的思路。高能物理應該有一個“地心說”到“日心說”的革命，否則就是一個光花錢不出活的象牙塔。

“日心說”到“地心說”的革命，在科學發(fā)展史上稱為范式更迭。托馬斯·庫恩1962年在《科學革命的結構》一書中，研究了這種科學進步的跳躍。科學范式是一群科學家所共同遵循的世界觀和研究方式。一個新的范式就是一片新天地，很多懸而未決的問題豁然開朗，新誕生的范式迅速擴張到很多領域。但時間長了新范式成為老范式，就會僵化乃至束縛思想。普朗克提出量子觀念以后，花了十多年時間想證明量子觀念的“錯誤”，可見其革命性之強，發(fā)明者自己都難以接受。而愛因斯坦對量子力學的重要貢獻如量子糾纏，就是為了證明量子力學不可理喻而設計出來的實驗。量子力學一下子就解決了原子光譜分離的問題，解決了原子穩(wěn)定性問題，等等。而且，量子力學的應用至今方興未艾。愛因斯坦相對論也是一個范式革命。此前對于波的研究，都有波的傳播介質，都有相對介質運動的速度變化。愛因斯坦拋開介質，認為光就是在真空中傳播，而且速度不以參照系相對任何參照點的運動速度而變，光學和電磁波的諸多現象迅速得到完美的理論解釋。

人的腦容量有限，人的生命有限，以有限的生命和有限的腦力理解人類積累至今的浩如煙海的知識，需要有高度抽象的理論，可以用一個理論概括一領域的眾多知識。研究質子和中子的物理原來叫基本粒子物理，后來改為粒子物理，因為沒有怎么粒子是基本的。如今又改為高能物理，因為研究的已經不是物質粒子，而是空間和能量的結構：即按照愛因斯坦質能公式，物質可以變?yōu)槟芰浚芰恳部梢宰優(yōu)槲镔|。碰撞粒子的能量在某些節(jié)點就可以產生正反物質粒子對。愛因斯坦質能公式沒有說高于某能量就再也不會產生正反粒子對。今天理論預測可能某個能量存在正反粒子對反應，不能排除更高的能量產生新的正反粒子對。高能物理的范式，好像已經走到了范式生命周期的老年期。碰撞機投資周期長，需要二三十年時間，如果此間高物理論發(fā)生了范式革命，則對撞機項目就會成為爛尾樓。

如今市場經濟是生產社會化的時代，一個人生產的東西，不能看從挖礦到煉鐵到做工具到出產品從頭到尾自己做。而是從市場購買原料和工具來生產。這是人類至今最新的生產的分工合作模式?？蒲幸惨粯樱缃窨蒲幸灿猩鐣止?，已經不像牛頓坐在蘋果樹下苦思冥想那種研究了。今天物理學家最會應用數學，數學家做的只是定理的證明，而物理學家比數學家做更多的數學運算。物理學家證明量子力學的基本定律，化學家比物理學家計算更多的量子力學問題，他們應用量子力學計算分子結構的特性。化學家證明化學反應公式，生物學家應用化學定律研究生物?？蒲兄贫仍鯓幽軌蚝侠淼亟M織科研的社會性和經濟學怎樣組織生產社會性類似。荷蘭發(fā)明了有限公司制度，是社會分工合作的一個范式革命，對市場經濟是一大推進。科研體制也需要制度創(chuàng)新。如果中國投入如此巨大的資金建設高能粒子碰撞機，它在組織人類基礎科學研究中起什么作用，中國能以此領導全球科學進步嗎？能吸引全球頂尖科學家聚集一起研究嗎？這些研究的中間成果能有效變現為技術革命和開辟新市場嗎？這可能也是建設碰撞機應該考慮的方面。如此巨大的投資，做出成果是基礎科學成果，是人類共享的成果，但如果失敗，這成本都是中國墊，這個收益與投入不對稱。中國宇航員進入太空，比美國落后40年，但美國30年航天飛機項目最后廢置，回歸宇宙飛船，讓中國航天技術的落后忽然縮短了30年。大型對撞機二三十年才建成，使用多少年后才能知道是否對科學進步有促進，其中風險甚高。進步了是人類共同進步，蹉跎了是中國自己蹉跎。建設碰撞機對中國科學技術進步肯定有好處，但對于中國崛起緊迫的國際壓力可能是遠水不解近渴。中國有火燒眉毛的事情要兼顧。空間站開發(fā)新的觀測宇宙高能粒子射線的儀器會不會比碰撞機更經濟更有效呢？畢竟碰撞機探測器觀測的也是高能粒子衰變的次生粒子，不斷完善和提高空間技術也可以獲取更多的高能粒子信息。

歷史表明，科學發(fā)現與技術革命的發(fā)展秩序有兩種，一種是基礎科學發(fā)現在先，技術進步在后。如牛頓萬有引力的發(fā)現，建立了牛頓力學，然后牛頓力學成了機械工程技術的基礎。一種是先有技術進步，然后引發(fā)科學研究進步。如瓦特發(fā)明了蒸汽機，為了提高蒸汽機效率，發(fā)展出了熱力學科學。二戰(zhàn)之前，是工業(yè)技術強則經濟強則軍事強，二戰(zhàn)后則相反，是軍工強則工業(yè)技術強則經濟強。信息時代計算機理論和信息理論的起始，都與二戰(zhàn)同盟國和軸心國競爭電報密碼破譯密切相關，信息產業(yè)起于美國是美國軍工技術領先的結果。信息論是新學科，也是軍工競爭推出的科學進步。我們用的互聯網，就源于美國避免通訊關鍵單節(jié)點被敵人摧毀而癱瘓軍事通訊技術的研究。二戰(zhàn)制造鋁箔用于干擾雷達，二戰(zhàn)后鋁箔被推進家用市場，改變美國人烤雞烤土豆的習慣，催生了鋁箔包裹燒烤烹調技術。如果建立對撞機指望推進科學基礎研究隨機偶然發(fā)現新技術新應用，不如把錢投入急需打破外國壟斷的技術和軍事技術競爭中，反過來推進基礎科學進步。打破壟斷和軍事競爭的技術攻關部門要設基礎科學研究生博士點，引入基礎科學人才，讓大學基礎科學學科學生有就業(yè)機會，讓大國崛起急需解決的技術方向有工程技術人才和基礎科學人才的合理搭配，以技術突破推動基礎科學進步。要建立軍工技術解密制度，讓投入的科研研究中間成果能夠有效快速轉為民用科技創(chuàng)新和市場創(chuàng)新。

作者系加拿大麥吉爾大學物理學博士