標(biāo)準(zhǔn)模型創(chuàng)始人之一談對撞機

何紅建：溫伯格教授，非常高興采訪您。最近我重新讀了您在《今日物理》（Physics Today）發(fā)表的文章《粒子物理：從盧瑟福到LHC》，您作為基本粒子標(biāo)準(zhǔn)模型的主要奠基人，在其中解釋了為什么需要新物理來超越標(biāo)準(zhǔn)模型：“超越標(biāo)準(zhǔn)模型顯然是必需的。夸克和輕子的質(zhì)量譜與混合角神秘莫測，就仿佛記錄某種未知語言的符號。我們盯著它們看了幾十年，但就是無法解釋它們。此外，我們還需要某種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的要素解釋暗物質(zhì)?！边@些的確是過去三十年來粒子物理學(xué)界通過美國的Tevatron與歐洲的LEP和LHC等高能對撞機實驗所一直努力探索的目標(biāo)。大型強子對撞機LHC的第二輪運行以13TeV的能量進(jìn)行質(zhì)子一質(zhì)子對撞，目前進(jìn)展非常順利。它的探測器迄今已經(jīng)收集到第二輪運行所預(yù)期的全部數(shù)據(jù)的10%。雖然8月份的國際高能物理會議（ICHEP）尚未公布新物理發(fā)現(xiàn)，您愿意和我們分享您如何看待正在運行的LHC上可能出現(xiàn)（或不出現(xiàn)）的新發(fā)現(xiàn)嗎？

溫伯格：LHC在其能力范圍之內(nèi)是否還會作出新的重大發(fā)現(xiàn)，誰都無法預(yù)知。從一開始，我們就有足夠的理由預(yù)測LHC能夠發(fā)現(xiàn)電弱對稱性破缺的機制——不論是原始電弱理論所預(yù)言的基本標(biāo)量場、還是人工色理論所預(yù)言的新強作用力。無論是哪種情形，根據(jù)當(dāng)時已觀測到的弱相互作用強度，一切都強烈地暗示著這個新的標(biāo)量粒子或新的強作用力會在LHC上出現(xiàn)；而事實也的確如此。這無疑為LHC的規(guī)劃指明了方向。

不過，雖然在LHC上還有可能發(fā)現(xiàn)另一些極為重要的現(xiàn)象，比如暗物質(zhì)粒子和超對稱粒子，但即使這些粒子真的存在，我們也沒有強烈的理由確保它們位于被LHC發(fā)現(xiàn)的潛力范圍之內(nèi)。我們只能等待LHC運行，看看其結(jié)果如何。

何紅建：我們知道您是SSC項目的主要支持者。上個月初，我們推薦中國媒體發(fā)表了您的評述文章《大科學(xué)的危機》中譯版。美國國會于1993年取消SSC項目，對于美國以及國際高能物理學(xué)界都是巨大的損失，而且對美國乃至全球高能物理界都造成了嚴(yán)重的負(fù)面影響。一方面，SSC設(shè)計在40TeV的質(zhì)心系能量進(jìn)行質(zhì)子對撞，是位于日內(nèi)瓦歐洲核子中心CERN的LHC目前第二輪運行能量（13TeV）的3倍。所以，LHC第二輪運行尚未發(fā)現(xiàn)任何超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，也并不意外，因為我們都知道，具有40TeV對撞能量的SSC正是被設(shè)計成一臺更可靠地確保在TeV能區(qū)發(fā)現(xiàn)新物理的機器。許多物理學(xué)家認(rèn)為，如果SSC沒有在1993年終止，它很可能已經(jīng)做出了革命性的新發(fā)現(xiàn)，從而指明了21世紀(jì)基礎(chǔ)物理學(xué)發(fā)展的新方向。由于您親眼目睹了SSC以及后來LHC發(fā)展的歷程，您愿意與中國學(xué)界和公眾分享關(guān)于SSC與LHC的歷史經(jīng)驗與教訓(xùn)嗎？

溫伯格：即使在美國政府批準(zhǔn)通過了SSC項目之后，來自各方面的反對意見仍然持續(xù)不斷。一部分反對意見來自那些小政府與低稅收的鼓吹者，他們傾向于反對任何政府主導(dǎo)的大型項目，尤其是那些沒有立刻使很多人受益的大項目。SSC項目顯然能為周邊地區(qū)帶來經(jīng)濟利益，但受益人數(shù)是有限的。當(dāng)時有一位參議員告訴我說，在SSC的選址決定下來之前，參議院的全部100名成員都對其青睞有加；可是一旦選址確定，贊成的人數(shù)便銳減至兩人——即選址所在州的那兩位參議員。甚至在最終選址尚未確定之時，就有一位支持SSC的眾議院成員因為自己所在州已被排除在外而立刻反轉(zhuǎn)了立場。所有這些都是赤裸裸的政治行為，大概也不是美國獨有的。

來自科學(xué)界內(nèi)部的反對聲音則更令人不安。沒有人聲稱SSC的科學(xué)探索不夠重要，但有些人極力主張SSC的經(jīng)費更應(yīng)該投向其他領(lǐng)域，比如他們自己的研究方向?？墒侨∠鸖SC項目并沒有給這些人帶來多少安慰，因為那些省下來的經(jīng)費也沒有投入其他科學(xué)領(lǐng)域。

LHC的擁護(hù)者對SSC也造成了無形的負(fù)面影響，他們指出LHC可以利用現(xiàn)成的環(huán)形隧道節(jié)省開支。然而該環(huán)形隧道的周長較小，因此限制了LHC的對撞能量，只能達(dá)到SSC的1/3。但LHC的支持者們認(rèn)為可以利用提高亮度的方法來彌補其能量上的不足，盡管提高亮度顯然也有其自身的困難，因為質(zhì)子束在每次交叉時會發(fā)生多次碰撞。

對于SSC項目的中止，一個常見的解釋是其持續(xù)增長的開銷。反對者當(dāng)然會拿此事大做文章，但我認(rèn)為這個批評是不公正的。這個項目真正超出預(yù)算的比例大約為10%，通過對SSC粒子束孔徑的計算，這部分超出是必須的。除此之外其他任何超預(yù)算的部分都是因為國會推遲投資，導(dǎo)致工期拖延，從而產(chǎn)生了額外的人工費用。

扼殺SSC項目的主要原因是喬裝打扮成科學(xué)項目的國際空間站的競爭。這個項目計劃由得克薩斯州休斯敦的約翰遜航天中心主持。在德克薩斯州同時開展兩個大型科技項目從政治角度來看是不可能的，而空間站項目最終被選中。結(jié)果，空間站花費了SSC預(yù)算經(jīng)費的十倍，但并沒有做出任何重要的科學(xué)研究。一個可能的例外是阿爾法磁譜儀，但它也可以通過無人衛(wèi)星的方式運行，甚至更佳，而且便宜很多

LHC發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子取得了巨大成功。但很清楚，無論LHC將來有多少機會做出進(jìn)一步重要發(fā)現(xiàn)，具有更高對撞能量的SSC本來應(yīng)該對未來提供更好的機會。

何紅建：也許您已聽說中國目前的“大型對撞機”方案，其第一階段CEPC是一臺電子一正電子對撞機，在周長100公里的環(huán)形隧道中運行，其對撞能量可達(dá)250 GeV。該項目還允許未來潛在的第二階段計劃，即對撞能量可達(dá)100TeV的質(zhì)子-質(zhì)子對撞機。今年8月20—21日，在中國高能物理學(xué)會主辦的“高能物理戰(zhàn)略研討會”上，這個項目被正式列為“高能物理第一優(yōu)先項目”。這一計劃提出以來得到了國際高能界的普遍支持。您可能已經(jīng)聽說中國就是否應(yīng)該建造這個對撞機正在進(jìn)行公開辯論。這場爭論是美籍華裔理論物理學(xué)者楊振寧于9月初挑起的。他歷來強烈反對中國的任何對撞機項目，包括目前由高能物理研究所所長王貽芳領(lǐng)導(dǎo)的CEPC-SPPC項目。很顯然，楊的反對主要是說這個項目對中國來說花費太高，他的誤解在于強調(diào)潛在的第二階段質(zhì)子對撞機的造價。（據(jù)高能所團(tuán)隊估計，CEPC的總造價約為60億美元，分10年完成，其中25%來自國際合作。在技術(shù)條件成熟后，SPPC預(yù)計在2040年代建造。）人們應(yīng)該還記得，位于CERN的同一隧道的LEP和LHC是先后分別獲得審核與批準(zhǔn)的。您的獨立觀點和來自國際上的建議對于中國將非常有幫助。您認(rèn)為對CEPC投資值得嗎？這種國際合作項目對于全世界和中國社會將做出什么貢獻(xiàn)呢？

溫伯格：我對楊振寧的研究工作很尊重，但是我不同意他反對CEPC計劃的論點。其中一些論點非常眼熟，它們被一再用來反對各種大科學(xué)項目。

是的，我們有許多其他社會需求，包括環(huán)境、健康、教育等等方面。這些需求一直都有。但是，我們也需要藝術(shù)和科學(xué)，這些使我們的文明值得尊重。

是的，粒子加速器上的發(fā)現(xiàn)不像會帶來直接的實際應(yīng)用。但是這些科學(xué)項目本身會以技術(shù)副產(chǎn)品的形式帶來重要的實用性后果。經(jīng)常提到的例子有同步輻射，用于研究材料性質(zhì)，以及萬維網(wǎng)。

但是一個較少被提到的副產(chǎn)品是人才培養(yǎng)?；玖Ｗ游锢韺W(xué)因其獨特的基礎(chǔ)性而吸引了許多聰明的年輕人，他們將形成一股擁有豐富技術(shù)經(jīng)驗的骨干力量，能夠解決很多社會問題。在二戰(zhàn)期間發(fā)展微波雷達(dá)、密碼破譯計算機、核武器等技術(shù)的科學(xué)家，在戰(zhàn)前從事的研究都是因為其基礎(chǔ)科學(xué)的重要性而非軍用價值。我曾有一名優(yōu)秀的研究生，最初跟我學(xué)習(xí)基本粒子理論，后來轉(zhuǎn)而研究更實際的問題，并發(fā)展了一套世界領(lǐng)先的同位素分離方法。如果一個國家只追求有直接應(yīng)用價值的研究，最終很可能既無法做出基礎(chǔ)性的重要發(fā)現(xiàn)，也無法做出有應(yīng)用價值的研究。

楊教授的一個論點是，物理學(xué)可以通過尋找漂亮的幾何結(jié)構(gòu)來取得進(jìn)展，而不用建造加速器。這讓我想起另一位理論物理學(xué)家維爾納·海森伯在二戰(zhàn)后的立場：他反對德國在粒子加速器上投資，理由是物理學(xué)可以只通過對某些場論的理論研究而取得進(jìn)步。為了嘗試?yán)斫鈴娮饔昧?，楊和米爾斯在沒有新實驗結(jié)果指導(dǎo)的情況下發(fā)展了一類場論，后來得到了實現(xiàn)。但只有在加速器實驗揭示了強作用力在高能量尺度下減弱的事實之后，人們才有可能猜測到能夠正確描述強作用力的楊一米爾斯場論的形式。而且，楊-米爾斯場論與電弱相互作用的相關(guān)也只有在加速器實驗發(fā)現(xiàn)弱中性流之后才能被確認(rèn)。離開了實驗，理論走不了多遠(yuǎn)。