數(shù)學(xué)、現(xiàn)代物理與對(duì)撞機(jī)

編者按 20世紀(jì)以來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，巨大而復(fù)雜的儀器設(shè)備越來(lái)越成為基礎(chǔ)科學(xué)研究不可或缺的重要組成部分。比如，對(duì)撞機(jī)（加速器）的由小變大，就是20世紀(jì)物理學(xué)一路高歌猛進(jìn)的重要標(biāo)志。當(dāng)運(yùn)用加速器的實(shí)驗(yàn)工作穩(wěn)健進(jìn)行并取得了矚目成果時(shí)，人們?cè)O(shè)想，不斷提高對(duì)撞機(jī)的能級(jí)，或許能為物理學(xué)的發(fā)展帶來(lái)新的突破。然而，建造巨型對(duì)撞機(jī)卻是一個(gè)耗費(fèi)巨資的“吸金黑洞”工程，在全球經(jīng)濟(jì)不景氣的時(shí)代背景下，全世界把期待的目光投向了中國(guó)。

2012年，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所所長(zhǎng)王貽芳等多位科學(xué)家提議在中國(guó)投資建設(shè)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）和質(zhì)子一質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC），希望它成為全世界最大的物理實(shí)驗(yàn)裝置，CEPC-SPPC的能量將至少是目前世界最大的歐洲大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）的7倍，對(duì)撞機(jī)周長(zhǎng)可達(dá)100公里。然而，關(guān)于該項(xiàng)目的爭(zhēng)論自其發(fā)起后便從未停息，并已逐漸由學(xué)界討論演變?yōu)楣苍掝}，獲得廣泛關(guān)注。

2016年9月4日，著名物理學(xué)家、諾貝爾獎(jiǎng)得主楊振寧教授授權(quán)《知識(shí)分子》發(fā)表其文章《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》，針對(duì)大型對(duì)撞機(jī)的發(fā)展歷史、中國(guó)國(guó)情以及高能物理學(xué)的過(guò)去與未來(lái)等方面提出了七條反對(duì)意見(jiàn)，首次公開(kāi)科學(xué)界內(nèi)部對(duì)該項(xiàng)目的不同聲音，一石激起千層浪。而此前不久，數(shù)學(xué)家丘成桐教授已多次通過(guò)媒體表達(dá)了自己對(duì)中國(guó)建造巨型對(duì)撞機(jī)的支持。楊振寧文章發(fā)表后的第二天，王貽芳就其反對(duì)理由撰文一一反駁。隨后，有關(guān)巨型對(duì)撞機(jī)應(yīng)不應(yīng)該建、應(yīng)該速建還是緩建的意見(jiàn)、觀點(diǎn)、看法的“對(duì)撞”愈發(fā)激烈，其影響不僅超出了科學(xué)界，在一般社會(huì)層面也引發(fā)了廣泛關(guān)注。這種影響甚至越出了國(guó)門(mén)，引起全球物理學(xué)界的關(guān)注。

支持和反對(duì)的雙方，其爭(zhēng)議的焦點(diǎn)主要是圍繞巨型對(duì)撞機(jī)的科學(xué)目標(biāo)是否明確、核心技術(shù)是否在手、中國(guó)牽頭多國(guó)合作的建造模式是否妥當(dāng)以及巨額科研經(jīng)費(fèi)是否合理等問(wèn)題。隨著爭(zhēng)論的不斷升級(jí)，巨型對(duì)撞機(jī)是否可以提升中國(guó)的科技外交與國(guó)家形象，是否能夠真正促進(jìn)中國(guó)的科學(xué)發(fā)展等議題也被納入討論范圍。

據(jù)估計(jì)，中科院高能物理研究所提議的巨型對(duì)撞機(jī)建設(shè)預(yù)算將高于200億美元，不論是科學(xué)界還是社會(huì)公眾都對(duì)其巨額耗費(fèi)表現(xiàn)出強(qiáng)烈的警覺(jué)和關(guān)心?？茖W(xué)史告訴我們，物理學(xué)的發(fā)展從不會(huì)遵循預(yù)設(shè)的路徑。將大量資金投入到一個(gè)目標(biāo)有限的科學(xué)問(wèn)題的研究上，是否具有應(yīng)有的科學(xué)價(jià)值，是否符合當(dāng)今中國(guó)仍然只是一個(gè)發(fā)展中國(guó)家的國(guó)情，需要決策者和科學(xué)工作者深入、全面、務(wù)實(shí)的思考。

科學(xué)技術(shù)的每一次重大進(jìn)步幾乎都伴隨著重要觀點(diǎn)的交鋒。本期特刊登的這組文章，是這場(chǎng)爭(zhēng)論中雙方意見(jiàn)的代表性觀點(diǎn)，希望能為讀者全面、深入了解這場(chǎng)爭(zhēng)論，提供一個(gè)比較全面的資料參考。（黃慶橋、李芳薇）

之所以要談對(duì)撞機(jī)，是因?yàn)槲医鼉赡陙?lái)，很希望中國(guó)能夠引進(jìn)實(shí)驗(yàn)物理最重要的項(xiàng)目——對(duì)撞機(jī)到中國(guó)來(lái)。因此，我跟我的朋友史帝夫·納迪斯（Steve Nadis）寫(xiě)了一本書(shū)。這本書(shū)出了英文版，名字叫From the Great Wall to the Great Collider：China and the Quest to Uncover the Inner Workings of the Universe，中文版再過(guò)一兩個(gè)月也能出來(lái)。

我為什么選這個(gè)題目來(lái)講？我是哈佛大學(xué)數(shù)學(xué)系和物理系的教授。三年前，哈佛大學(xué)物理系請(qǐng)我做他們的教授，主要是因?yàn)閿?shù)學(xué)和現(xiàn)代物理都與我有很密切的關(guān)系。其實(shí)我與物理學(xué)界學(xué)者的關(guān)系有幾十年了。但是我不是做實(shí)驗(yàn)的，我就是與理論問(wèn)題有比較密切的關(guān)系。而對(duì)撞機(jī)是整個(gè)理論問(wèn)題的最重要支柱，所以我們物理系的做理論物理的朋友們也都對(duì)它有很大興趣，對(duì)在中國(guó)建一個(gè)巨型對(duì)撞機(jī)也是有很大興趣的。

去年，我和諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主戴維·格羅斯（David Gross）在北京開(kāi)會(huì)的時(shí)候，他建議我的書(shū)取“From the Great wall to the Great Collider”這個(gè)名字，因?yàn)閭ゴ蟮膶?shí)驗(yàn)要跟萬(wàn)里長(zhǎng)城一樣，萬(wàn)里長(zhǎng)城是經(jīng)過(guò)兩千年慢慢構(gòu)造完成的偉大建筑，巨型對(duì)撞機(jī)也要花很多時(shí)間。我們希望十幾年內(nèi)能夠建成，能建在山海關(guān)附近，但中國(guó)政府做對(duì)撞機(jī)的準(zhǔn)備還不是很充足。

我們?yōu)槭裁匆紤]建對(duì)撞機(jī)，因?yàn)樗鞘澜缬惺芬詠?lái)最強(qiáng)大的機(jī)器，是全世界和我們國(guó)家實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家一同來(lái)做的一個(gè)項(xiàng)目，可以講是世界最大的機(jī)器。假如你去過(guò)日內(nèi)瓦的歐洲核子研究中心（CERN），會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的機(jī)器真的蘊(yùn)藏著偉大的結(jié)構(gòu)，那是由七八千位物理學(xué)家一同做出來(lái)的機(jī)器。由于它的目標(biāo)是揭示小的宇宙的奧秘，所以也是一個(gè)很重要的機(jī)器，是要研究整個(gè)物理學(xué)領(lǐng)域的機(jī)器。

一從大自然傾聽(tīng)數(shù)學(xué)和物理的共鳴

我寫(xiě)的這本書(shū)有兩百多頁(yè)，最近由何紅建教授和鮮于中之博士翻譯成了中文。我們寫(xiě)這本書(shū)的目標(biāo)不是為了賺錢(qián)，而是解釋對(duì)撞機(jī)和基礎(chǔ)物理學(xué)進(jìn)步的關(guān)系。為什么人類有興趣來(lái)研究最前沿的物理？因?yàn)樗軡M足人類了解世界永恒奧秘的期望。這也是我們科學(xué)家要做的很重要的事。

剛才講過(guò)，我在哈佛大學(xué)不但是數(shù)學(xué)系的教授，還是物理系的教授，跟物理系的教授們有很多來(lái)往。我為什么要做這件事，因?yàn)閺奈锢韺W(xué)里面，我們能得到很多有關(guān)的想法，而數(shù)學(xué)不能完全與大自然產(chǎn)生來(lái)往。

那些最原始的想法，有些從工業(yè)界來(lái)，有些從物理學(xué)界來(lái)，有些從數(shù)學(xué)本身來(lái)?？墒俏锢韺W(xué)的想法是很重要的想法，同時(shí)通過(guò)我們數(shù)學(xué)上的想法，也可以解決物理學(xué)提出的很多問(wèn)題。所以，我們一方面能從物理學(xué)得到原始的想法，一方面可以把數(shù)學(xué)應(yīng)用到物理學(xué)上去。數(shù)學(xué)和物理這兩種給人不同啟發(fā)的學(xué)科，都是充滿活力的領(lǐng)域，它們交接的地方是很重要的，因?yàn)樗墚a(chǎn)生很原始、很深邃的想法，往往令人激動(dòng)。因?yàn)樗菑挠^察跟了解自然界而得到的物理觀念，它能夠提供最漂亮、最有力的想法，這個(gè)想法不是自己閉門(mén)造車(chē)，或是跟幾個(gè)朋友討論就能夠得到的。最重要、最原始的想法，往往不是憑想象就能想到的，而要從自然中得到靈感。

從古到今，數(shù)學(xué)與物理的源頭就有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。在20世紀(jì)以前，所有數(shù)學(xué)家都是物理學(xué)家，所有物理學(xué)家也是數(shù)學(xué)家，這是很重要的事情。為什么呢？從希臘的科學(xué)家開(kāi)始，他們就是要找尋大自然里面的真和美。而包括中國(guó)數(shù)學(xué)家在內(nèi)的古代數(shù)學(xué)家，尤其是印度數(shù)學(xué)家，還有解決與農(nóng)業(yè)、天文有關(guān)的問(wèn)題的需求，為此引進(jìn)了很多數(shù)學(xué)方法。

舉例來(lái)講，中國(guó)地理學(xué)上的研究就是為了解決天文問(wèn)題產(chǎn)生的?？墒?，希臘的數(shù)學(xué)家，他們看到數(shù)字跟幾何的形象很漂亮，就用很?chē)?yán)格的三段論證的方法推出了漂亮的理論，這兩門(mén)學(xué)科到了今天產(chǎn)生了很多很重要的理論想法。兩千年以后，我們很敬仰他們產(chǎn)生的想法，那些想法讓我們印象深刻。所以數(shù)學(xué)這門(mén)學(xué)問(wèn)跟時(shí)間、跟美學(xué)具有密切的關(guān)系。

那時(shí)候的古代學(xué)者，包括希臘學(xué)者在內(nèi)，他們對(duì)自然現(xiàn)象，比如日月星球的運(yùn)行有很大興趣。中國(guó)學(xué)者對(duì)歷法興趣更大一點(diǎn)，所以他們對(duì)地球的直徑、太陽(yáng)和地球的距離都有興趣。希臘的學(xué)者通過(guò)幾何的方法，量出來(lái)太陽(yáng)跟地球的距離。其實(shí)中國(guó)人也算過(guò)這個(gè)，但他們不認(rèn)為地球是圓的，同時(shí)也算出了他們認(rèn)為的天與地的距離。

古代學(xué)者對(duì)流體、對(duì)機(jī)械、對(duì)物質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)也有很大興趣，其中最重要的一位希臘學(xué)者提出了原子理論。這個(gè)重要的理論產(chǎn)生了現(xiàn)代物理，一直沿用到現(xiàn)在。

數(shù)學(xué)求美也求真，也講實(shí)用，所以跟求真的物理學(xué)有千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系。剛才講過(guò)，所有好的物理學(xué)家都是好的數(shù)學(xué)家。反過(guò)來(lái)講，好的數(shù)學(xué)家也是好的物理學(xué)家，19世紀(jì)以前就是這樣的。

比如說(shuō)，牛頓是古往今來(lái)最出色的一位大物理學(xué)家和大數(shù)學(xué)家。而牛頓以外的很多學(xué)者也應(yīng)用數(shù)學(xué)來(lái)解決很多重要的問(wèn)題。例如，法國(guó)學(xué)者傅里葉，他提出的波的譜分析，影響了應(yīng)用數(shù)學(xué)。其實(shí)純數(shù)學(xué)里邊的數(shù)論，大量地利用這個(gè)命題。到了20世紀(jì)，量子力學(xué)也大量地利用這個(gè)概念。傅里葉這個(gè)波的譜分析就變成一個(gè)很重要的東西。

到了20世紀(jì)早期，數(shù)學(xué)基礎(chǔ)的嚴(yán)格性受到質(zhì)疑，于是數(shù)學(xué)家將數(shù)學(xué)公理化，使數(shù)學(xué)變得更為抽象。他們引進(jìn)了很多名詞跟符號(hào)，使得物理學(xué)家對(duì)現(xiàn)代數(shù)學(xué)有些受不了，因?yàn)樘橄罅?，所以?shù)學(xué)跟物理學(xué)慢慢分家了。數(shù)學(xué)家看到物理學(xué)家，彼此不屑一談，直到60年代末期，物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家才開(kāi)始互相了解。

事實(shí)上，物理學(xué)的兩個(gè)支柱——廣義相對(duì)論和量子力學(xué)，都要用到19世紀(jì)數(shù)學(xué)家發(fā)明的理論：廣義相對(duì)論要用到黎曼幾何，量子力學(xué)要用到譜分析理論。反過(guò)來(lái)，無(wú)論是廣義相對(duì)論還是量子力學(xué)，它們對(duì)數(shù)學(xué)本身都有很深遠(yuǎn)的影響。一直到現(xiàn)在，這兩個(gè)學(xué)科總是互相影響，所以數(shù)學(xué)跟物理的研究其實(shí)是水乳交融的，很難說(shuō)哪個(gè)重要，哪個(gè)不重要。有很多物理學(xué)家有偏見(jiàn)，也有很多數(shù)學(xué)家有偏見(jiàn)，彼此認(rèn)為對(duì)方并不重要，事實(shí)上這是不應(yīng)當(dāng)?shù)南敕ā?/p>

二卡-丘空間是如何誕生的？

我講講我自己的歷史。

1969年，我到伯克利念書(shū)，1970年，我上廣義相對(duì)論的課。我學(xué)這個(gè)課的時(shí)候覺(jué)得很有意思，覺(jué)得愛(ài)因斯坦提出來(lái)的引力的幾何表述是一個(gè)很有意義的想法。物理全部可以用幾何來(lái)表達(dá)，這對(duì)做幾何學(xué)的我來(lái)講，有無(wú)比的吸引力。

愛(ài)因斯坦認(rèn)為引力場(chǎng)可以用時(shí)空的曲率來(lái)表示，引力本身其實(shí)就是時(shí)空的一部分，即時(shí)空幾何的一部分。無(wú)論是從哲學(xué)的觀念來(lái)看，還是從數(shù)學(xué)的觀念來(lái)看，時(shí)空是幾何的一部分，這是一個(gè)很深刻的理論。我們很想了解幾何，愛(ài)因斯坦的這個(gè)想法使我想到，我們可以從物理的觀點(diǎn)來(lái)了解數(shù)學(xué)。愛(ài)因斯坦認(rèn)為時(shí)空在不停地扭動(dòng)、不停地改變，它改變的原因是時(shí)空有引力，引力在不停地動(dòng)。他的想法是時(shí)空里邊有曲率，曲率是整個(gè)引力場(chǎng)的表現(xiàn)。

愛(ài)因斯坦講，從引力場(chǎng)出來(lái)的一小部分曲率，即里奇張量，是由物質(zhì)提供的，但這只是一小部分。

這個(gè)問(wèn)題是很有意思的。因?yàn)槲野l(fā)覺(jué)這個(gè)問(wèn)題原來(lái)是一個(gè)幾何學(xué)家尤吉尼奧·卡拉比（Eugenio Calabi）提出來(lái)的。假如一個(gè)空間是真空的，就是沒(méi)有物質(zhì)，那么真空是不是沒(méi)有引力場(chǎng)，這是一個(gè)問(wèn)題，他用抽象的數(shù)學(xué)語(yǔ)言寫(xiě)下了這個(gè)問(wèn)題?？ɡ葟膩?lái)沒(méi)有想過(guò)物理的問(wèn)題，他是純粹以幾何的觀點(diǎn)來(lái)問(wèn)這個(gè)問(wèn)題。所以他的想法跟我當(dāng)時(shí)的想法不一樣，他是想解決幾何上的問(wèn)題，我是想解決物理上的問(wèn)題。

物理上的問(wèn)題就是，假如一個(gè)時(shí)空是真空的，是否含有引力場(chǎng)？卡拉比提出一個(gè)構(gòu)想，是要解決一個(gè)很復(fù)雜的非線性方程。所以我當(dāng)時(shí)就猜想，卡拉比猜想其實(shí)就是講，我們?cè)谝粋€(gè)很特殊的空間里面，加一個(gè)對(duì)稱性，這個(gè)對(duì)稱性就是三十年來(lái)物理學(xué)家很感興趣的超對(duì)稱。在這樣一個(gè)空間里邊，我們可不可以找到一個(gè)真空的時(shí)空？

當(dāng)時(shí)，有很多幾何學(xué)家，包括我當(dāng)年的很多朋友，認(rèn)為卡拉比猜想太好了，不大可能成立，所以他們放棄了證明這個(gè)東西是對(duì)的。如果卡拉比猜想是對(duì)的，就有很多很好的數(shù)學(xué)上的結(jié)論。我當(dāng)時(shí)跟我的很多朋友一樣，不相信這個(gè)是對(duì)的。但是事實(shí)上，我經(jīng)過(guò)很多困難，在想給出一個(gè)反例證明它不對(duì)的時(shí)候，經(jīng)過(guò)六年的工夫最終發(fā)現(xiàn)它是對(duì)的，并將它證明了?，F(xiàn)在物理學(xué)家把它叫做“卡拉比-丘成桐空間”。

我問(wèn)，一個(gè)真空的宇宙，假如沒(méi)有物質(zhì)，它有沒(méi)有引力？結(jié)果現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)很多空間是真空而有引力場(chǎng)的，這種空間，我們要怎么看？我當(dāng)時(shí)跟很多有名的物理學(xué)家討論過(guò)，他們不曉得這個(gè)事情。我跟他們講，這個(gè)是很自然的想法，不可能在物理上不出現(xiàn)，但他們也沒(méi)有什么建議。

到了70年代，人們發(fā)現(xiàn)自然界可以有一個(gè)所謂“超對(duì)稱”的假想對(duì)稱性，這是很微妙的事。不過(guò)四十年過(guò)去了，至今還沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明超對(duì)稱的存在。如果超對(duì)稱存在的話，很多物理疑難會(huì)被解決。超對(duì)稱的想法，剛好跟我做的卡拉比猜想有密切的關(guān)系，因?yàn)檫@個(gè)空間（卡拉比一丘成桐空間）剛好有超對(duì)稱，可以解決很多物理上的疑難。

所以1984年的時(shí)候，物理學(xué)家來(lái)找我了。他們?cè)谡蚁艺摾镞叺恼婵?，考慮它的物理現(xiàn)象。他們發(fā)現(xiàn)尋找弦論里邊的真空的時(shí)候，最美妙的就是找我們構(gòu)造的空間，現(xiàn)在叫“卡拉比一丘成桐”空間，來(lái)作為弦論的真空。因此他們就來(lái)問(wèn)我，究竟這個(gè)事情存不存在？他們當(dāng)時(shí)想做個(gè)模型，這個(gè)模型要求既有超對(duì)稱，同時(shí)又要是沒(méi)有物質(zhì)的真空，并且這個(gè)真空是個(gè)很小的空間。當(dāng)時(shí)他們不曉得這個(gè)真空在數(shù)學(xué)上存不存在，所以打電話給我。我跟他們講，這個(gè)是存在的，他們很高興，寫(xiě)了好幾篇文章。到現(xiàn)在至少有幾千篇或者一萬(wàn)篇以上的文章，在用這個(gè)空間來(lái)討論物理現(xiàn)象。

這個(gè)空間除了對(duì)物理有重要的啟發(fā)以外，對(duì)數(shù)學(xué)也有重要的啟發(fā)。其中一個(gè)重要的現(xiàn)象是1989年我的一個(gè)博士后和一個(gè)研究生在哈佛發(fā)現(xiàn)的鏡像對(duì)稱性。鏡像對(duì)稱性不僅可以解決很多物理上的問(wèn)題，也可以解決數(shù)學(xué)上的重要問(wèn)題。

物理上的重要問(wèn)題是什么呢？在量子場(chǎng)論里邊，一般他們推導(dǎo)要用微擾理論來(lái)做計(jì)算，可是當(dāng)不是微擾的時(shí)候，量子場(chǎng)論是完全沒(méi)辦法計(jì)算的。鏡像對(duì)稱性表明大變動(dòng)的（非微擾）量子場(chǎng)論可以跟某一個(gè)微擾量子場(chǎng)論具有一樣的結(jié)構(gòu)，這個(gè)現(xiàn)象叫做對(duì)偶。所以困難的理論（非微擾量子場(chǎng)論）可以用對(duì)偶這樣一個(gè)想法來(lái)計(jì)算。

鏡像對(duì)稱對(duì)物理而言是重要的想法，對(duì)數(shù)學(xué)也很重要。我們從這里可以看出，物理學(xué)對(duì)數(shù)學(xué)有很大的幫助。物理學(xué)家從他們的洞察力得出來(lái)的一些想法，能夠幫助數(shù)學(xué)家走向重要的前沿。量子場(chǎng)論、量子力學(xué)本身并不是日常生活中能夠天天碰到的經(jīng)驗(yàn)。物理學(xué)家通過(guò)量子力學(xué)和量子場(chǎng)論得出來(lái)的這種洞察力，并不是普通數(shù)學(xué)家能夠了解的。所以無(wú)論廣義相對(duì)論也好，量子場(chǎng)論也好，物理學(xué)家得出來(lái)的想法并不是一般的數(shù)學(xué)家能夠隨便得出來(lái)的。因此在數(shù)學(xué)上有很多重要的工作，就是從這個(gè)方向來(lái)的。但是，假如基礎(chǔ)物理沒(méi)有實(shí)驗(yàn)的話，那么這些經(jīng)驗(yàn)全部是假的。

所以，數(shù)學(xué)家不停地要理論物理學(xué)家來(lái)幫忙，理論物理學(xué)家不停地要實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家來(lái)幫忙，這三者是連在一起的，不可分開(kāi)。只是數(shù)學(xué)也可以不需要理論物理幫忙，數(shù)學(xué)本身可以有它存在的方法，而理論物理可以讓數(shù)學(xué)更漂亮。但基礎(chǔ)物理若沒(méi)有實(shí)驗(yàn)證明，則是很不好的事情。

三我為什么期望中國(guó)建巨型對(duì)撞機(jī)

那么我現(xiàn)在就來(lái)講講實(shí)驗(yàn)物理。其實(shí)我對(duì)實(shí)驗(yàn)物理完全不了解。我記得1990年我到日內(nèi)瓦去，當(dāng)時(shí)他們向我介紹了一個(gè)周長(zhǎng)27千米的環(huán)形隧道，現(xiàn)在叫LHC，意思是“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”，它在一個(gè)圓圈里邊加速粒子。他們用了很多精深的說(shuō)法，結(jié)合了幾千個(gè)有學(xué)問(wèn)的物理學(xué)家，包括理論物理學(xué)家跟實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，給我留下了深刻的印象。從一九八幾年開(kāi)始，又過(guò)了二三十年，直到前年，LHC終于實(shí)現(xiàn)了最偉大的承諾，就是發(fā)現(xiàn)了希格斯玻色子（Higgs boson），終于完成了粒子物理所謂的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。這樣，所有標(biāo)準(zhǔn)模型里出現(xiàn)的粒子都在大型對(duì)撞機(jī)里邊完成了。

有時(shí)候，這個(gè)粒子被叫做“上帝粒子”，好幾個(gè)物理學(xué)家都對(duì)它的發(fā)現(xiàn)做出了重要貢獻(xiàn)，他們也因此得到了諾貝爾獎(jiǎng)。所以在某種意義下，他們完成了一個(gè)很重要的理論，叫做標(biāo)準(zhǔn)模型。標(biāo)準(zhǔn)模型是很多學(xué)者一同完成的，不是一個(gè)人完成的?？梢灾v，標(biāo)準(zhǔn)模型是物理學(xué)上最成功的理論，它從量子力學(xué)和量子場(chǎng)論解釋了很多重要的結(jié)果，對(duì)粒子物理是一個(gè)很成功的描述。但是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型，沒(méi)有辦法能去了解引力場(chǎng)。同時(shí)我們曉得，現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)模型能夠描述的粒子，只是我們?cè)诘厍蛏峡吹降牧Ｗ樱@些粒子占全宇宙物質(zhì)的比例不超過(guò)5%，因此留下了到現(xiàn)在還是一個(gè)宇宙之謎的暗物質(zhì)和暗能量問(wèn)題。

所以除了現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)模型能夠解決的問(wèn)題，還有很多難題需要解決。剛才講的超對(duì)稱，是整個(gè)弦論的主要基礎(chǔ)，沒(méi)有超對(duì)稱，弦論會(huì)存在問(wèn)題。此外我們還有很多不同問(wèn)題也要去了解。

雖然現(xiàn)在我們已經(jīng)找到了希格斯粒子，但還有很多問(wèn)題沒(méi)有解決，比如粒子之間是怎么運(yùn)轉(zhuǎn)的，怎么對(duì)撞的。這需要提高能量才能看到它們物理上的種種現(xiàn)象，而我們至少要做幾十年才能夠完成這些想法。

日內(nèi)瓦的對(duì)撞機(jī)能量達(dá)到上限以后，就不可能再繼續(xù)下去了，要重新再建一個(gè)能量更大的機(jī)器。我們期望這個(gè)機(jī)器能夠建起來(lái)，能量能夠提升五到十倍以上，所以整個(gè)軌道大概也要一百公里。大家希望在這個(gè)過(guò)程里能發(fā)現(xiàn)更深的物理，希望能找到超對(duì)稱粒子。我想這可能會(huì)是21世紀(jì)最重要的科學(xué)發(fā)現(xiàn)?？墒浅瑢?duì)稱是不是找得到，是個(gè)很大的問(wèn)題。假如能夠找到的話，我想這比起其他的科研還要重要，因?yàn)樗苁刮覀儗?duì)整個(gè)宇宙的結(jié)構(gòu)有更深的了解。

到現(xiàn)在為止，人們還沒(méi)有做好解答上述問(wèn)題的準(zhǔn)備，所以物理學(xué)家就提出建對(duì)撞機(jī)來(lái)研究這個(gè)問(wèn)題，我們把它叫做巨型對(duì)撞機(jī)。有些中國(guó)的物理學(xué)家提出在中國(guó)建這個(gè)機(jī)器的可能性。

其實(shí)中國(guó)物理學(xué)發(fā)展五六十年來(lái)，也做了很多工作。一開(kāi)始，1957年李政道和楊振寧提出了宇稱不守恒。1976年，丁肇中找到新的基本粒子。上世紀(jì)80年代，鄧小平支持建造正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)，物理學(xué)家也進(jìn)行了很多研究，留下了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。丁肇中領(lǐng)導(dǎo)了在太空里做的AMS實(shí)驗(yàn)，集中了全世界一大批科學(xué)家。我們最近也看到在大亞灣做出的中微子實(shí)驗(yàn)，成為國(guó)際上重要的成就，我對(duì)這個(gè)事情很欽佩。我自己是一個(gè)在中國(guó)出生的華裔學(xué)者，我當(dāng)然期望領(lǐng)先的科學(xué)能夠在中國(guó)產(chǎn)生，所以我跟中國(guó)、美國(guó)、歐洲的物理學(xué)家都談過(guò)這個(gè)事情，很早就跟他們來(lái)往，期望能夠在中國(guó)建起巨型對(duì)撞機(jī)。

我想只要實(shí)驗(yàn)做得好，中國(guó)的理論物理自然會(huì)有很高的提升。理論物理的提升會(huì)提升所有的科學(xué)。就好像當(dāng)年量子力學(xué)成功以后，所有的科學(xué)都提升了一個(gè)層次，包括化學(xué)，包括生物學(xué)，包括所有重要的科學(xué)。量子力學(xué)的成功，使我們對(duì)自然的了解提升了一個(gè)層次。所以我想，要是這個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜃龀晒Φ脑?，整個(gè)中國(guó)得到的將不是普通的提升。

我也跟中國(guó)的領(lǐng)導(dǎo)人討論過(guò)這個(gè)事情。去年我在北京的清華大學(xué)主持了一個(gè)世界上最頂尖的科學(xué)家參加的會(huì)議，有諾貝爾獎(jiǎng)得主，也有很多不同的實(shí)驗(yàn)方面的重要代表人物，全世界的都來(lái)了。他們來(lái)討論究竟在中國(guó)做這個(gè)機(jī)器的前景跟展望是怎么樣的，同時(shí)讓我們曉得下一代的機(jī)器有什么好處。我們討論得很熱烈。

后來(lái)，過(guò)了幾個(gè)月，我同其他一些學(xué)者共同寫(xiě)了一封聯(lián)名信，跟我們中央的領(lǐng)導(dǎo)提出要建這個(gè)機(jī)器，期望能夠集中幾千個(gè)好的物理學(xué)家跟工程師一同在中國(guó)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。但是有很多的問(wèn)題要考慮，比如花這么多錢(qián)來(lái)建這個(gè)機(jī)器，究竟對(duì)社會(huì)有什么好處？實(shí)際上，建這個(gè)機(jī)器不但能提升整個(gè)中國(guó)的科學(xué)成果，它本身也是很重大的事情。另外，處理對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，也會(huì)產(chǎn)生很重要的效果。中國(guó)最需要的是大數(shù)據(jù)研究，所以我們曉得這是何等的重要。

我們通過(guò)不同的渠道跟國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人提出建這個(gè)機(jī)器的請(qǐng)求，跟中央組織部部長(zhǎng)、科技部部長(zhǎng)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主席都談過(guò)。我們討論中間的困難，一個(gè)很重要、很值得鼓舞的事是他們沒(méi)有反對(duì)，或者說(shuō)沒(méi)有直接反對(duì)。這么大型的機(jī)器，投資那么大，沒(méi)有直接反對(duì)就是一個(gè)很好的開(kāi)始。其實(shí)我覺(jué)得，如果中國(guó)現(xiàn)在能夠有一個(gè)大型的合作，那么全世界的學(xué)者都會(huì)期望到中國(guó)來(lái)。

完成一個(gè)重大的事業(yè)是一個(gè)大國(guó)應(yīng)當(dāng)做的事情，這能夠帶來(lái)很多重要的成就，也是我們期望能夠得到的。至于對(duì)撞機(jī)在什么地方做，是另外一個(gè)問(wèn)題，事實(shí)上目前還沒(méi)有決定。因?yàn)槲覀円?00公里長(zhǎng)，所以需要很好的地質(zhì)，在下面蓋它的隧道，同時(shí)也要研究很強(qiáng)大的磁鐵。為什么需要磁鐵呢？因?yàn)榱Ｗ釉谒淼览镞咃w的時(shí)候，要有磁鐵改變它的彎度，讓它能夠?qū)ψ?。你想想看，小的讓人看不?jiàn)、小的不能再小的粒子，經(jīng)過(guò)100公里碰在一起，這需要一個(gè)很精細(xì)的機(jī)器才能做得成功。所以我們需要制造精度空前的探測(cè)器和發(fā)展強(qiáng)化的數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)與傳輸?shù)男录夹g(shù)。每個(gè)地方都會(huì)對(duì)中國(guó)有很大的貢獻(xiàn)，這實(shí)實(shí)在在要從機(jī)器里面體現(xiàn)出來(lái)，并不是紙上談兵，所以我想這是一個(gè)很重要的事情。

另一項(xiàng)關(guān)鍵的任務(wù)是解決主要的物理問(wèn)題。投資其實(shí)并不是怎么太大的投資，因?yàn)橥顿Y會(huì)比北京奧運(yùn)會(huì)還要便宜一點(diǎn)，所以是很值得我們?nèi)タ紤]的。尤其是，如果中國(guó)能夠成為帶領(lǐng)人類去了解宇宙奧秘的一個(gè)國(guó)家，我想這是很了不起的事情。

其實(shí)，宋朝以來(lái)，中國(guó)的科技并不比世界各國(guó)弱，只是近幾百年以來(lái)落后了。中國(guó)經(jīng)濟(jì)今年成為世界第二了，我們一定要有個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的計(jì)劃。建大型對(duì)撞機(jī)對(duì)中國(guó)來(lái)講，可以說(shuō)是天賜良機(jī)，這就是要把全世界最好的科學(xué)家集中到中國(guó)來(lái)，也是中國(guó)跟全球的學(xué)者一同走向全世界科技學(xué)術(shù)的尖端。發(fā)展科技是我們祖宗兩百多年來(lái)，從林則徐在廣東銷鴉片開(kāi)始到現(xiàn)在都期望能夠做成的事情。我期望在新的中國(guó)，在我國(guó)領(lǐng)導(dǎo)的強(qiáng)烈支持下，能夠繼續(xù)發(fā)展科技。

從我個(gè)人來(lái)講，我希望看到中國(guó)提升自己在科學(xué)領(lǐng)域的世界聲望。為什么全世界的科學(xué)家都把建大型對(duì)撞機(jī)這個(gè)事情看的這么重要？因?yàn)檫@對(duì)人類文明有很重要的意義和價(jià)值。我們期望研究宇宙的奧秘，我們期望向前走。任何一件大事都會(huì)有很多人反對(duì)，從牛頓以來(lái)，就有人反對(duì)。我記得20世紀(jì)80年代的時(shí)候，美國(guó)要建一個(gè)機(jī)器，當(dāng)時(shí)投資了20億美金，遭到很多物理學(xué)家反對(duì)，結(jié)果這個(gè)事情就停了。所以我期望中國(guó)以后不會(huì)對(duì)這個(gè)事情感到后悔。

這還是一個(gè)很高深的研究，從高能物理能夠借此找到更深的研究方向的角度來(lái)講，我想不出來(lái)有什么能夠是比這個(gè)更高超的追求。從中國(guó)來(lái)講，我剛完成這本書(shū)的時(shí)候就看到令人振奮的事情，第一個(gè)是屠呦呦得到諾貝爾獎(jiǎng)，第二件是王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)在大亞灣研究中微子的實(shí)驗(yàn)成果得到國(guó)際物理學(xué)界的肯定。

最后，我要做一個(gè)結(jié)論。從愛(ài)因斯坦得到數(shù)學(xué)家的大力幫助，找到黎曼的重要工作從而完成廣義相對(duì)論開(kāi)始，就可見(jiàn)數(shù)學(xué)對(duì)物理學(xué)的重大貢獻(xiàn)。由于物理試驗(yàn)和天文觀測(cè)的結(jié)果，正好是愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論預(yù)言出來(lái)的結(jié)果，所以當(dāng)時(shí)全世界所有的頭條都是找到了廣義相對(duì)論的證明。在這個(gè)背景下，一批幾何學(xué)家?guī)ьI(lǐng)完成了一系列的現(xiàn)代幾何的奠基工作，推動(dòng)了廣義相對(duì)論的發(fā)展。

與此同時(shí)，外爾（Weyl）推動(dòng)了廣義相對(duì)論和電磁理論的發(fā)展。他經(jīng)過(guò)十年的努力，完成了一個(gè)偉大的工作，發(fā)現(xiàn)電磁理論里的麥克斯韋方程其實(shí)可以看做規(guī)范場(chǎng)的一個(gè)表現(xiàn)，這個(gè)看法影響了20世紀(jì)理論物理學(xué)和數(shù)學(xué)的發(fā)展。這歸根結(jié)底是由于外爾當(dāng)年想研究廣義相對(duì)論和數(shù)學(xué)并將其推廣到其他物質(zhì)場(chǎng)而做成的。

事實(shí)上，到了1954年，米爾斯（Mills）和楊振寧將外爾理論里邊的交換群改變?yōu)榉墙粨Q群，這更成為整個(gè)粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型的支柱。楊-米爾斯理論的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是規(guī)范場(chǎng)，而規(guī)范場(chǎng)的基本理論是嘉當(dāng)（Cartan）和陳省身得出來(lái)的，其中纖維叢的理論則起源于惠特尼（Whitney）和霍普夫（Hopf）。所以，愛(ài)因斯坦的影響非常深遠(yuǎn)，無(wú)論是在數(shù)學(xué)上，還是在物理上都產(chǎn)生了很重要的理論，因此說(shuō)實(shí)驗(yàn)上的發(fā)現(xiàn)并不是很簡(jiǎn)單的事情。

近40年來(lái)，量子場(chǎng)論跟弦論的興起，使得數(shù)學(xué)煥然一新。我希望數(shù)學(xué)、物理跟加速器的發(fā)展會(huì)融合，并帶動(dòng)各個(gè)學(xué)科和人類文明的更新。假如在加速器里面能夠發(fā)現(xiàn)超對(duì)稱的話，整個(gè)世界的物理前沿跟數(shù)學(xué)前沿都會(huì)改變。所以我期望能夠在中國(guó)建加速器。