粒子物理學(xué)的當(dāng)代轉(zhuǎn)向

喬笑斐 路昊明

摘 要 自20世紀(jì)60年代以來(lái)，世界各國(guó)的每一代大型粒子加速器都伴隨著漫長(zhǎng)的爭(zhēng)論過(guò)程。然而，不應(yīng)簡(jiǎn)單地將中國(guó)當(dāng)前的CEPC-SPPC爭(zhēng)論看作是過(guò)往爭(zhēng)論的延續(xù)，而需要將其納入到粒子物理學(xué)整體的發(fā)展進(jìn)程中去把握。冷戰(zhàn)后期以來(lái)，粒子物理學(xué)似乎“盛宴已過(guò)”，爭(zhēng)議與困境層出不窮。而關(guān)于加速器的爭(zhēng)論，實(shí)際上也是物理學(xué)整體發(fā)展困境的縮影。兩大標(biāo)準(zhǔn)模型形成后，物理學(xué)研究的對(duì)象和方式發(fā)生了根本性的變化，希格斯粒子和引力波的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著傳統(tǒng)科學(xué)范式取得了極大的成功，同時(shí)卻又存在很多傳統(tǒng)范式無(wú)法解釋的現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)跟不上理論的發(fā)展，新的理論范式爭(zhēng)議頗多，物理學(xué)的發(fā)展大大放緩了。

關(guān)鍵詞 粒子物理學(xué) 加速器 科學(xué)爭(zhēng)論

中圖分類號(hào) N09∶O57

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A

收稿日期：2021-11-15

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)绦常?989年生，男，山西昔陽(yáng)人，山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究所副教授，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)哲學(xué)、物理學(xué)史。Email： qxf@sxu.edu.cn;路昊明，1997年生，男，河南平頂山人，山西大學(xué)科學(xué)技術(shù)史研究所碩士研究生，研究方向?yàn)槲锢韺W(xué)史。Email： luhaoming1997@163.com。

基金項(xiàng)目：國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目“當(dāng)代量子論與新科學(xué)哲學(xué)的興起”（項(xiàng)目編號(hào)：16ZDA113）;國(guó)家社科基金重大項(xiàng)目“當(dāng)代量子詮釋學(xué)研究”（項(xiàng)目編號(hào)：192DA038）。

粒子物理學(xué)是基礎(chǔ)科學(xué)的重要分支，代表了人類探索物質(zhì)世界的最前沿，其發(fā)現(xiàn)和成果占據(jù)了自20世紀(jì)60年代以來(lái)約1/3的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。標(biāo)準(zhǔn)模型的建立和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)分別代表了20和21世紀(jì)的物理學(xué)重大成就，也是粒子物理學(xué)史上重要的標(biāo)志性事件。盡管粒子物理學(xué)取得了輝煌的成就，但粒子加速器作為發(fā)現(xiàn)和研究基本粒子的重要工具卻往往因?yàn)楦甙旱脑靸r(jià)而引發(fā)諸多爭(zhēng)論。

當(dāng)前最具爭(zhēng)議的加速器計(jì)劃是中國(guó)提出的環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（CEPC）和超級(jí)質(zhì)子-質(zhì)子對(duì)撞機(jī)（SPPC）項(xiàng)目，在楊振寧、王貽芳等眾多科學(xué)家的積極參與下，此次爭(zhēng)論成為了我國(guó)近年來(lái)頗具影響力的科學(xué)爭(zhēng)論。如果建造完成，這將是中國(guó)乃至全球最大的粒子加速器。然而，這場(chǎng)爭(zhēng)論的意義已經(jīng)不僅限于項(xiàng)目本身，更充分揭示了當(dāng)今粒子物理學(xué)的一系列時(shí)代特點(diǎn)。想要充分理解此次爭(zhēng)論，就有必要從科學(xué)史的角度進(jìn)行全面把握。

一 CEPC-SPPC爭(zhēng)論簡(jiǎn)述

2012年7月，歐洲核子研究組織（CERN）宣布發(fā)現(xiàn)希格斯粒子。2013年9月，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所在北京承辦了CEPC-SPPC項(xiàng)目啟動(dòng)會(huì)，時(shí)任清華大學(xué)高能物理研究中心主任的高原寧當(dāng)選CEPC機(jī)構(gòu)委員會(huì)主席，高能所所長(zhǎng)王貽芳被選為執(zhí)行委員會(huì)主席。2015年3月，CEPC《初步概念設(shè)計(jì)報(bào)告》發(fā)布。CEPC是預(yù)期能量250 GeV的希格斯工廠，目標(biāo)是精確測(cè)量希格斯粒子的性質(zhì)，造價(jià)為360億人民幣。未來(lái)可在使用同一隧道的基礎(chǔ)上，建造預(yù)期能量和成本達(dá)到100 TeV和1000億人民幣的SPPC，致力于尋找超越標(biāo)準(zhǔn)模型的新粒子和新物理現(xiàn)象。

2016年9月4日，楊振寧發(fā)表文章《中國(guó)今天不宜建造超大對(duì)撞機(jī)》，旗幟鮮明地表達(dá)了反對(duì)中國(guó)建造大型對(duì)撞機(jī)的立場(chǎng)。次日，王貽芳作為新加速器項(xiàng)目的領(lǐng)導(dǎo)者之一，隨即對(duì)楊振寧進(jìn)行了公開回應(yīng)。至此，這場(chǎng)加速器爭(zhēng)論公開化。楊振寧作為我國(guó)最負(fù)盛名的科學(xué)家，他的表態(tài)使得這場(chǎng)加速器爭(zhēng)論迅速得到社會(huì)各界的廣泛關(guān)注，王貽芳的參與則使得這場(chǎng)“戰(zhàn)爭(zhēng)”正式打響。雙方主要觀點(diǎn)見表1[1，2]。

2016年10月2日，由馬宏、韓濤等33位在美華人物理學(xué)家聯(lián)名撰寫的文章《中國(guó)建造希格斯工廠的黃金機(jī)遇》正式發(fā)布。10月18日，主題為“高能環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)——中國(guó)發(fā)起的大型國(guó)際科學(xué)實(shí)驗(yàn)”的第572次香山科學(xué)會(huì)議學(xué)術(shù)討論會(huì)在北京召開，我國(guó)的40多位高能物理和加速器領(lǐng)域的專家學(xué)者出席會(huì)議。

在這段時(shí)間里，還有謝爾登·格拉肖（Sheldon Glashow）、斯蒂芬·溫伯格（Steven Weinberg）、菲利普·安德森（Philip Anderson）、戴維·格羅斯（David Gross）、愛(ài)德華·威滕（Edward Witten）、丘成桐、戴自海、何祚庥、曹天予、侯維恕、許岑珂、何小剛、葉軍、婁辛丑、唐靖宇、吳為民、袁嵐峰等眾多知名學(xué)者在文章或采訪中表達(dá)了支持或反對(duì)意見?！缎戮﹫?bào)》《人民日?qǐng)?bào)》和新華社等主流媒體和新聞機(jī)構(gòu)都對(duì)此事發(fā)表了評(píng)論，也有許多中國(guó)網(wǎng)友積極在互聯(lián)網(wǎng)社交領(lǐng)域參與了討論，此次爭(zhēng)論成為了我國(guó)近年來(lái)最具影響力的科學(xué)爭(zhēng)論之一。

想要充分理解此次爭(zhēng)論，就需要將該問(wèn)題納入粒子物理學(xué)整體的發(fā)展進(jìn)程中去全面考察。從科學(xué)史的角度來(lái)看，粒子物理學(xué)的發(fā)展可以分為多個(gè)階段，厘清其中的聯(lián)系與區(qū)別是十分必要的。如果脫離大的時(shí)代背景，就很容易將此次爭(zhēng)論與以往的加速器爭(zhēng)論進(jìn)行簡(jiǎn)單類比，得出的結(jié)論自然也是與時(shí)代脫節(jié)的?；诹Ｗ游锢韺W(xué)在不同歷史時(shí)期的理論成就、實(shí)驗(yàn)進(jìn)展和加速器規(guī)格，可以大致劃分為探索時(shí)期、黃金時(shí)期和再探索時(shí)期，下文將對(duì)不同時(shí)期的時(shí)代特點(diǎn)、發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行歸納與總結(jié)。

二 粒子物理探索時(shí)期與黃金時(shí)期

1.探索時(shí)期：1930—1949

對(duì)亞原子結(jié)構(gòu)的早期研究主要是在量子力學(xué)、原子物理學(xué)和核物理學(xué)的影響下進(jìn)行的，加速器已經(jīng)誕生但并不實(shí)用，理論與實(shí)驗(yàn)較不明確，粒子物理學(xué)在摸索中緩慢前進(jìn)。此時(shí)期的粒子物理學(xué)主要事件詳見表2。

1.1 實(shí)驗(yàn)限制

此時(shí)期的粒子加速器以歐內(nèi)斯特·勞倫斯（Ernest Lawrence）發(fā)明的回旋加速器為主流，但由于回旋加速器中的粒子質(zhì)量會(huì)因相對(duì)論效應(yīng)而增加，進(jìn)而導(dǎo)致粒子運(yùn)動(dòng)周期與交變電壓周期無(wú)法匹配，從而限制了能量的進(jìn)一步提高[3]。因此，20世紀(jì)50年代以前的粒子加速器主要被用于尋找同位素、放射性治療和核物理研究，比如伯克利實(shí)驗(yàn)室（Berkeley Lab）建成的37英寸回旋加速器在戰(zhàn)時(shí)被用作巨型同位素質(zhì)譜儀，旨在為原子彈提供更多的濃縮鈾。而對(duì)于新粒子的研究則只能從充滿隨機(jī)性和不確定性的宇宙射線中入手，再借助云霧室、核乳膠等徑跡探測(cè)器對(duì)粒子的性質(zhì)進(jìn)行分析和計(jì)算，其結(jié)果往往難以重復(fù)檢驗(yàn)。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

1.2 理論限制

此時(shí)期的亞原子理論前景尚未明朗，實(shí)驗(yàn)經(jīng)常走在理論的前面，許多基礎(chǔ)概念還未達(dá)成共識(shí)。1936年發(fā)現(xiàn)的μ子曾在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)被認(rèn)為是湯川秀樹提出的介子，因而一度被命名為“μ介子”。但在后續(xù)的研究中發(fā)現(xiàn)“μ介子”根本不參與強(qiáng)相互作用，它是質(zhì)量遠(yuǎn)重于電子但性質(zhì)與電子相似的輕子，因此又改名為μ子，被預(yù)言的π介子直到1947年被發(fā)現(xiàn)。

一方面，粒子物理學(xué)的進(jìn)一步發(fā)展必然需要更穩(wěn)定、更強(qiáng)大、可以大量產(chǎn)生基本粒子的新一代加速器，自動(dòng)穩(wěn)相原理的提出為此后采用調(diào)頻方法的同步加速器奠定了基礎(chǔ)。另一方面，雖然已發(fā)現(xiàn)的新粒子正在逐步增多，但卻無(wú)法對(duì)基本粒子和復(fù)合粒子進(jìn)行有效的區(qū)分，許多強(qiáng)子一度被認(rèn)為是基本粒子，粒子物理學(xué)亟需新理論的出現(xiàn)。

2. 黃金時(shí)期：1950—1985

第二次世界大戰(zhàn)結(jié)束后，粒子物理學(xué)逐漸從核物理學(xué)中獨(dú)立出來(lái)，成為一門以基本粒子為主要研究對(duì)象的前沿學(xué)科。粒子物理學(xué)在這三十余年間取得了非凡的成就，標(biāo)準(zhǔn)模型成為物理學(xué)史上最精確的理論之一，加速器的能量創(chuàng)造了驚人的TeV級(jí)，理論與實(shí)驗(yàn)都達(dá)到了前所未有的精確度與正確性。此時(shí)期的粒子物理學(xué)主要事件詳見表3。

2.1 理論引導(dǎo)實(shí)驗(yàn)

隨著氣泡室、火花室等粒子探測(cè)器在20世紀(jì)50年代取得的技術(shù)進(jìn)步，大量不穩(wěn)定的新粒子被發(fā)現(xiàn)，如何對(duì)龐雜的粒子進(jìn)行合理的分類成為難題。20世紀(jì)60年代中期，默里·蓋爾曼（Murray Gell-Mann）等人提出的夸克模型較好地解決了這一問(wèn)題。此外，S矩陣、部分子模型等理論也在此時(shí)期頗具影響。20世紀(jì)70年代，電弱理論、量子色動(dòng)力學(xué)等理論共同組成了標(biāo)準(zhǔn)模型，為尚未發(fā)現(xiàn)的基本粒子做出了精確預(yù)言。J/ψ介子、W±和Z0玻色子的發(fā)現(xiàn)是其中的代表性事件，實(shí)驗(yàn)不僅找到了預(yù)言中的新粒子，同時(shí)也為理論的正確性做出了驗(yàn)證。

2.2 加速器巨大化

20世紀(jì)50年代以來(lái)，粒子加速器的規(guī)模迅速巨大化，其成本從百萬(wàn)美元提升至數(shù)億美元，Cosmotron、Bevatron、SLAC Linac、Fermilab Main Ring、SPS、Tevatron等大型加速器相繼建成并屢次創(chuàng)造能量新高。多個(gè)國(guó)際著名的加速器實(shí)驗(yàn)室相繼成立，例如美國(guó)的布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（BNL）、斯坦福直線加速器中心（SLAC）和費(fèi)米國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室（Fermilab），歐洲的CERN、德國(guó)的DESY和蘇聯(lián)杜布納聯(lián)合原子核研究所（JINR）等等。代表全球最高能量的歷代加速器詳見表4。在我國(guó)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所于1973年成立，1988年建成的北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（BEPC）是我國(guó)的第一臺(tái)高能加速器。

伴隨著對(duì)撞機(jī)等新型設(shè)計(jì)的出現(xiàn)和超導(dǎo)磁體等相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，以及夸克模型、標(biāo)準(zhǔn)模型等理論的有效指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)得以目標(biāo)明確地尋找預(yù)言中的眾多新粒子。事實(shí)上，在規(guī)范玻色子W±和Z0于1983年被發(fā)現(xiàn)以后，標(biāo)準(zhǔn)模型預(yù)言的61種基本粒子中的68種已經(jīng)找到，最后3種的發(fā)現(xiàn)似乎也只是時(shí)間問(wèn)題頂夸克、τ中微子（vt）和希格斯粒子分別于1995、2000和2012年被找到。，人類對(duì)于基本粒子的探尋已經(jīng)基本完成。粒子物理學(xué)進(jìn)入了全新的再探索時(shí)期。

三 粒子物理再探索時(shí)期

在經(jīng)歷了黃金時(shí)期的快速發(fā)展以后，理論與實(shí)驗(yàn)再次進(jìn)入了較不明確的狀態(tài)，出現(xiàn)了諸多新的時(shí)代特點(diǎn)，1985年以來(lái)的粒子物理學(xué)進(jìn)入了再探索時(shí)期。首先，新理論雖然層出不窮但大多無(wú)法對(duì)實(shí)驗(yàn)做出有效指導(dǎo)，部分新理論所要求的能級(jí)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出現(xiàn)有加速器技術(shù)的極限，科學(xué)共同體內(nèi)部爭(zhēng)論不斷。其次，議題的范圍和受眾持續(xù)擴(kuò)大，科學(xué)與社會(huì)的互動(dòng)關(guān)系愈趨明顯。同時(shí)，盡管在此時(shí)期仍取得了一些成就，例如日本超級(jí)神岡探測(cè)器（Super-K）觀測(cè)到大氣中微子振蕩和加拿大薩德伯里實(shí)驗(yàn)（SNO）發(fā)現(xiàn)了太陽(yáng)中微子味道轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象，還有頂夸克和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)等等，但與20世紀(jì)六七十年代相比，粒子物理學(xué)的發(fā)展速度已經(jīng)明顯放緩，凝聚態(tài)物理學(xué)和宇宙學(xué)等研究領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展。

1.爭(zhēng)論常態(tài)化

1980年，弗吉尼亞理工大學(xué)舉辦了一場(chǎng)主題為“高能物理的未來(lái)”的學(xué)術(shù)會(huì)議，與會(huì)者包括溫伯格、格拉肖、佩爾、羅伯特·馬沙克（Robert Marshak）、費(fèi)扎·格西（Feza Gürsey）、南部陽(yáng)一郎、楊振寧、李政道等人，楊振寧在會(huì)上表示，“在未來(lái)的十年，高能物理界最大的發(fā)現(xiàn)就是——The partys over”[8]，盛宴已過(guò)。許多物理學(xué)家反對(duì)楊振寧的觀點(diǎn)，會(huì)議最終不歡而散。后來(lái)，因DIS實(shí)驗(yàn)而獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的亨利·肯德爾（Henry Kendall）也表示：“標(biāo)準(zhǔn)模型如此驚人的成功讓人感到沮喪，已經(jīng)沒(méi)有什么可做的了。”[9]在標(biāo)準(zhǔn)模型以后，粒子物理學(xué)應(yīng)當(dāng)何去何從？這在科學(xué)共同體內(nèi)部存在廣泛爭(zhēng)論，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.1 理論困境

雖然標(biāo)準(zhǔn)模型還存在一些遺留問(wèn)題，比如中微子的質(zhì)量之謎、重子不對(duì)稱性、量子引力、暗物質(zhì)和暗能量等等，但是種種超越標(biāo)準(zhǔn)模型的嘗試都陷入了失敗或無(wú)法驗(yàn)證的境地。三十多年來(lái)，理論家們至少提出了十多個(gè)方法，例如擬色、前子模型、超對(duì)稱性、額外維度、扭量理論、因果集、超引力、動(dòng)力三角化等等[10]，這些方法都從一個(gè)令人信服的假定出發(fā)，雖然對(duì)傳統(tǒng)的科學(xué)觀念構(gòu)成了極大的挑戰(zhàn)，但理論的正確性卻很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)給出確認(rèn)。以超對(duì)稱為例，如果它確實(shí)存在，基本粒子的數(shù)目至少將會(huì)翻倍，我們將會(huì)看到超電子、超夸克、超中微子、膠微子、光微子、W微子、Z微子等許多新粒子[11]，但至今一無(wú)所獲。

兩次超弦革命一度引發(fā)了研究超弦理論的浪潮，優(yōu)美而和諧的數(shù)學(xué)框架令人著迷，但其給出的預(yù)言則大多無(wú)法通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。正如溫伯格所說(shuō)，“弦論至今并沒(méi)有滿足人們?cè)?980年代對(duì)它抱有的太大期望”[12]。皮特·沃伊特（Peter Woit）將泡利的名言“not even wrong”作為書名，以諷刺弦論“連錯(cuò)誤都算不上”。李·斯莫林（Lee Smolin）從背景獨(dú)立、對(duì)偶猜想和宇宙學(xué)常數(shù)三個(gè)角度對(duì)弦論進(jìn)行了嚴(yán)厲的技術(shù)性批判，并將弦論的崛起與物理學(xué)的衰落聯(lián)系在一起，盡管他所代表的圈量子引力理論所遇到的問(wèn)題并不比弦論更少。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

理論無(wú)法再像黃金時(shí)期那樣對(duì)實(shí)驗(yàn)做出有效指導(dǎo)，現(xiàn)有的加速器技術(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法達(dá)到一些新理論所要求的能級(jí)?！吧衬僬f(shuō)”似乎正在被印證——在當(dāng)前能夠達(dá)到的TeV尺度（103 GeV）和普朗克標(biāo)度（1019 GeV）之間不存在新的物理現(xiàn)象[13]，即使超對(duì)稱存在，也至少要達(dá)到1016 GeV才有可能有新的發(fā)現(xiàn)[14]，理論和實(shí)驗(yàn)從未如此遠(yuǎn)離。

1.2 還原論困境

“還原論不是研究綱領(lǐng)的指南，而是對(duì)自然本身的態(tài)度。科學(xué)原理之所以那樣是因?yàn)楦顚拥脑?，而所有那些原理都能追溯到一組簡(jiǎn)單連通的定律，接近那些定律的最佳途徑似乎就是通過(guò)基本粒子物理學(xué)?！盵15]溫伯格將20世紀(jì)稱作還原論獲勝的世紀(jì)。從常見的化學(xué)反應(yīng)到生物學(xué)的遺傳機(jī)制，許多現(xiàn)象都可以從微觀層面進(jìn)行解讀，因此粒子物理學(xué)被認(rèn)為是最基礎(chǔ)的學(xué)科之一。在美國(guó)，這種基于還原論的基礎(chǔ)性使得粒子物理學(xué)在長(zhǎng)期的科研資金分配中占據(jù)優(yōu)先地位，一些其他學(xué)科的經(jīng)費(fèi)則受到嚴(yán)重?cái)D壓，這是1987年國(guó)會(huì)聽證會(huì)的主要論題之一。

凝聚態(tài)物理學(xué)家安德森等人支持的涌現(xiàn)論是對(duì)還原論的有力回?fù)?，他們認(rèn)為物理世界是一個(gè)由大體上相互獨(dú)立的層次構(gòu)成的等級(jí)結(jié)構(gòu)[16]，當(dāng)我們沿復(fù)雜性的階梯拾級(jí)而上時(shí)，隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，對(duì)稱性不斷降低，因此在每一級(jí)階梯上都需要有全新的概念構(gòu)架[17]，粒子物理學(xué)并不比其他任何學(xué)科更基礎(chǔ)。伊利亞·普里高津（Ilya Prigogine）和羅伯特·勞克林（Robert Laughlin）也分別在《確定性的終結(jié)》和《不同的宇宙》中對(duì)還原論進(jìn)行了批判。

一方面，還原論作為過(guò)去三個(gè)世紀(jì)以來(lái)西方科學(xué)思想的主要傾向[18]，已經(jīng)遭到了越來(lái)越多的質(zhì)疑。另一方面，如果進(jìn)一步還原，真正的基礎(chǔ)究竟是什么？是普朗克標(biāo)度上的弦嗎？亦或是在普朗克標(biāo)度之下量子化的空間？我們沒(méi)有答案。

1.3 加速器困境

除了資金和應(yīng)用轉(zhuǎn)化等常見問(wèn)題以外，加速器如今還面臨著技術(shù)創(chuàng)新問(wèn)題。如果想要將加速器的能量達(dá)到更高數(shù)量級(jí)，其失敗的代價(jià)將不再是可以承受的。從CERN在2020年發(fā)布的《歐洲粒子物理學(xué)戰(zhàn)略》詳見https：//home.cern/news/news/physics/particle-physicists-update-strategy-future-field-europe。來(lái)看，這是一個(gè)相當(dāng)保守的計(jì)劃，并沒(méi)有給人太大的驚喜。

首先，在具體的科學(xué)研究目標(biāo)中，將近期和長(zhǎng)遠(yuǎn)的研究都主要放在希格斯粒子家族的研究上，提到了可能會(huì)發(fā)現(xiàn)暗物質(zhì)粒子，但是沒(méi)有超對(duì)稱。實(shí)際上，在發(fā)現(xiàn)希格斯粒子之后，LHC在其能達(dá)到的所有能量區(qū)域內(nèi)對(duì)超對(duì)稱粒子進(jìn)行了地毯式的搜索，但是一無(wú)所獲，加上各種質(zhì)疑超對(duì)稱的聲音，科學(xué)家普遍對(duì)超對(duì)稱粒子的預(yù)期大大降低了。

其次，由于大型加速器的投入非常巨大，動(dòng)輒上百億美元，尋求國(guó)際合作是必然的趨勢(shì)。但是，在該戰(zhàn)略報(bào)告中，既提到要加大國(guó)際合作，同時(shí)又強(qiáng)調(diào)歐洲的領(lǐng)導(dǎo)地位，重點(diǎn)還是強(qiáng)調(diào)CERN和歐洲各大實(shí)驗(yàn)室之間的深度合作，這本身就是矛盾的。而且，其中提到會(huì)繼續(xù)與日本和美國(guó)進(jìn)行合作，并沒(méi)有提到中國(guó)，在美中貿(mào)易戰(zhàn)的大背景下，中國(guó)要想在高能物理領(lǐng)域與歐美日開展深度的合作實(shí)際上是很困難的。

最后，在具體方案中，短期的目標(biāo)仍然是升級(jí)LHC，長(zhǎng)期目標(biāo)是建設(shè)新的電子-正電子對(duì)撞機(jī)，不僅沒(méi)有將超越標(biāo)準(zhǔn)模型放在首位，還將新的對(duì)撞機(jī)放到2038年之后，且很可能遙遙無(wú)期，這對(duì)高能物理來(lái)說(shuō)實(shí)際上是一個(gè)悲觀的信號(hào)。

2.議題擴(kuò)大化

一方面，黃金時(shí)期的加速器爭(zhēng)論大多圍繞項(xiàng)目的科學(xué)價(jià)值與建造成本展開，而自SSC以來(lái)的爭(zhēng)論議題則往往更加復(fù)雜化和多元化。很多支持者往往強(qiáng)調(diào)加速器帶來(lái)的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和國(guó)家地位，但基礎(chǔ)科學(xué)研究的目標(biāo)一直都是研究自然本身，為了得到資助過(guò)分強(qiáng)調(diào)提升經(jīng)濟(jì)回報(bào)實(shí)際上會(huì)帶來(lái)很多麻煩，這加劇了議題范圍的擴(kuò)大化。另一方面，項(xiàng)目支持者不僅積極爭(zhēng)取國(guó)家投入，還較為注重于獲得社會(huì)公眾領(lǐng)域的輿論支持，這體現(xiàn)了議題受眾的擴(kuò)大化。一種以獲取項(xiàng)目支持為導(dǎo)向、面向廣大普通讀者的粒子物理學(xué)科普已經(jīng)悄然產(chǎn)生。

在爭(zhēng)論開始之前，格羅斯和威滕就曾在2015年9月發(fā)表文章《中國(guó)科學(xué)的巨大跨越》，表達(dá)了對(duì)中國(guó)加速器項(xiàng)目的支持與肯定，他們認(rèn)為該裝置具有深遠(yuǎn)的意義，除了科學(xué)價(jià)值本身以外，還能夠吸引來(lái)自世界各國(guó)的科學(xué)家和工程師，中國(guó)正在成為粒子物理及相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的下一代領(lǐng)導(dǎo)者[19]。10月，華人數(shù)學(xué)家丘成桐和科普作家史蒂夫·納迪斯（Steve Nadis）合著出版了書籍《從萬(wàn)里長(zhǎng)城到巨型對(duì)撞機(jī)》，該書將對(duì)撞機(jī)與萬(wàn)里長(zhǎng)城相類比，首先對(duì)粒子加速器的發(fā)展史和希格斯粒子的發(fā)現(xiàn)過(guò)程進(jìn)行了科普，然后對(duì)CEPC-SPPC項(xiàng)目給予了高度評(píng)價(jià)，主要理由是其具有超越標(biāo)準(zhǔn)模型、探索新物理的能力，它有可能實(shí)現(xiàn)一系列重要突破：更好地了解希格斯粒子和希格斯場(chǎng)，探尋超對(duì)稱粒子、額外維度、復(fù)合希格斯粒子，揭示暗物質(zhì)、反物質(zhì)問(wèn)題[20]，并依次向讀者詳細(xì)地解釋每一個(gè)術(shù)語(yǔ)的內(nèi)涵與意義。與中國(guó)以往的大型科學(xué)項(xiàng)目相比，此等規(guī)模的宣傳和造勢(shì)是前所未有的。

粒子物理學(xué)是人類認(rèn)知物質(zhì)世界的最前沿領(lǐng)域之一，與人們的日常生活往往相去甚遠(yuǎn)，公眾有權(quán)利知道項(xiàng)目的意義是什么，也有權(quán)利表達(dá)自己的看法和見解，適當(dāng)?shù)目破帐欠浅Ｓ幸娴?。但是，科普的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)做到客觀化、理性化，切忌為了博得關(guān)注而夸大科學(xué)價(jià)值，甚至做出夸張的承諾和斷言。舉例而言，希格斯粒子曾在很長(zhǎng)的時(shí)間里被稱作“上帝粒子”，這個(gè)名稱引起了公眾的廣泛關(guān)注，但多數(shù)物理學(xué)家卻認(rèn)為這個(gè)名稱是不合適的，因?yàn)樗^(guò)于夸張且容易造成誤解。在2008年的《衛(wèi)報(bào)》采訪中，希格斯曾明確表示對(duì)“上帝粒子”的厭惡：“（這個(gè)名字）令我感到尷尬……我認(rèn)為這是對(duì)術(shù)語(yǔ)的一種誤用?！盵21]在此次中國(guó)的爭(zhēng)論中，也有類似的情況出現(xiàn)，項(xiàng)目的支持者曾多次強(qiáng)調(diào)CEPC-SPPC與中國(guó)成為全球科學(xué)領(lǐng)導(dǎo)者之間的必然聯(lián)系。那么，我們不禁發(fā)問(wèn)：假設(shè)新對(duì)撞機(jī)建成，中國(guó)就能成為國(guó)際科學(xué)中心嗎？對(duì)于建成科技強(qiáng)國(guó)，對(duì)撞機(jī)是必不可少的嗎？9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

3.選擇多樣化

1993年的美國(guó)國(guó)會(huì)聽證會(huì)上，F(xiàn)reedom空間站成為德克薩斯州被支持的大科學(xué)項(xiàng)目，即后來(lái)的國(guó)際空間站項(xiàng)目，SSC成為棄子。時(shí)至今日，美國(guó)仍然沒(méi)有啟動(dòng)任何的大型加速器計(jì)劃。中國(guó)雖然對(duì)BEPC進(jìn)行過(guò)大范圍升級(jí)改造，但也未曾建造能量達(dá)到更高數(shù)量級(jí)的大型加速器。大科學(xué)時(shí)代并沒(méi)有終結(jié)，但以極高能量為目標(biāo)的大型加速器已不再是資金投入的最優(yōu)選擇。近25年來(lái)，全球主要的大型科學(xué)項(xiàng)目詳見表5。

21世紀(jì)以來(lái)，世界各國(guó)持續(xù)提高科學(xué)投入，積極參與國(guó)際科學(xué)合作，在眾多科學(xué)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展。一方面，粒子物理學(xué)的腳步雖然慢下來(lái)了，但還有許多領(lǐng)域正在高速發(fā)展著。安德森在總結(jié)20世紀(jì)末的科學(xué)進(jìn)程時(shí)曾表示：“基礎(chǔ)物理中仍有許多激動(dòng)人心的問(wèn)題不會(huì)隨著SSC和類似大型項(xiàng)目死去。例如，大天體物理科學(xué)看起來(lái)會(huì)是今后數(shù)十年的潮流，而基礎(chǔ)凝聚態(tài)物理則是充滿了問(wèn)題?！盵22]這并不是說(shuō)大型加速器就沒(méi)有價(jià)值，只是與過(guò)去相比，如今我們擁有了更多的選擇。另一方面，即使不依托大型加速器，諸多非加速器類粒子物理研究也取得了十分令人矚目的成就，例如以高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)（LHAASO）為代表的地面宇宙線實(shí)驗(yàn)，以阿爾法磁譜儀（AMS-02）為代表的空間暗物質(zhì)實(shí)驗(yàn)，以及地下暗物質(zhì)和中微子類實(shí)驗(yàn)等等，這展現(xiàn)了粒子物理研究路徑的多樣性。

四 當(dāng)代粒子物理困境淺析

1. 時(shí)代總評(píng)

關(guān)于加速器的爭(zhēng)論，實(shí)際上是物理學(xué)整體發(fā)展困境的縮影。粒子物理學(xué)和宇宙學(xué)的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型形成后，隨著希格斯粒子和引力波的發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步證實(shí)了量子力學(xué)和廣義相對(duì)論的真理性，但與此同時(shí)，仍然存在諸如暗物質(zhì)、暗能量等大量現(xiàn)有的兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型不能解釋的問(wèn)題。兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模型之后，物理學(xué)研究的對(duì)象和方式都發(fā)生了根本性的變化。人類對(duì)自然界的探索開始從夸克尺度邁向普朗克標(biāo)度，從可觀測(cè)宇宙邁向整個(gè)宇宙的演化，科學(xué)探求的范圍深入到了物質(zhì)世界最深層的基本結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)物理學(xué)正面臨著極大的困境和挑戰(zhàn)，其直接表現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先，基礎(chǔ)物理學(xué)的研究范圍擴(kuò)展到了普朗克標(biāo)度和整個(gè)宇宙，一切我們所熟悉的規(guī)律都有可能不再適用，所研究問(wèn)題的困難程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了之前的任何時(shí)期。其次，以經(jīng)驗(yàn)主義為核心的傳統(tǒng)科學(xué)方法越來(lái)越難以支撐科學(xué)理論的發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)證據(jù)嚴(yán)重缺乏，至今人們也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)量子論和相對(duì)論相互作用的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，甚至有的人開始對(duì)量子引力理論的科學(xué)性產(chǎn)生了懷疑。

所有困難的根源都可以歸結(jié)為實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)跟不上理論的發(fā)展，無(wú)法對(duì)理論給出直接的驗(yàn)證。用工具論的觀點(diǎn)看，目前暫時(shí)沒(méi)有明確的實(shí)驗(yàn)證據(jù)與相對(duì)論或量子論沖突，科學(xué)理論作為預(yù)測(cè)工具，只要和實(shí)驗(yàn)證據(jù)符合就可以了，統(tǒng)一廣義相對(duì)論和量子論似乎只是人為制造的困難。但是，科學(xué)理論實(shí)際并不只滿足于預(yù)測(cè)和描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更在于對(duì)我們所生活的真實(shí)世界的實(shí)在性質(zhì)給出深層次的解釋和描述，秉持一種狹隘的工具論觀點(diǎn)是不明智的。隨著技術(shù)的發(fā)展和認(rèn)識(shí)的深入，人們對(duì)現(xiàn)象世界的認(rèn)識(shí)也在不斷深入，現(xiàn)在看來(lái)無(wú)法檢驗(yàn)的理論和假設(shè)很有可能在將來(lái)以一種全新的驗(yàn)證方式或標(biāo)準(zhǔn)得到檢驗(yàn)。此時(shí)的情形非常類似于20世紀(jì)初，一方面，傳統(tǒng)科學(xué)范式取得了極大的成功，我們似乎抓住了部分真理。另一方面，同時(shí)存在很多傳統(tǒng)范式無(wú)法解釋的現(xiàn)象。巨大的困難對(duì)物理學(xué)的直接影響就是物理學(xué)的發(fā)展大大放緩了，盡管超弦理論和圈量子引力有了很大的發(fā)展，但是本質(zhì)上仍是未經(jīng)驗(yàn)證的理論假設(shè)，沒(méi)有了理論的指引，實(shí)驗(yàn)也陷入了很大的困境，人們不知道下一步實(shí)驗(yàn)的方向，因此就產(chǎn)生了對(duì)是否值得花費(fèi)巨大代價(jià)建造加速器的懷疑。

20世紀(jì)的物理學(xué)發(fā)展太快、成果太多，一代物理學(xué)家陷入了嚴(yán)重的路徑依賴，他們的知識(shí)和能力被限制在了統(tǒng)一理論的框架下。我們不得不反思現(xiàn)在的以統(tǒng)一為終極目的的物理學(xué)研究范式。統(tǒng)一真的必要嗎？黑洞和宇宙誕生離我們太遙遠(yuǎn)了，這可能是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，可能還需要好幾代物理學(xué)家的努力才能取得進(jìn)一步的發(fā)展。是否應(yīng)該反思改變當(dāng)下的范式？追求統(tǒng)一是否如19世紀(jì)尋找以太一樣是一個(gè)虛幻的夢(mèng)想？最大的問(wèn)題在于，不論理論如何發(fā)展，都根本上依賴于我們對(duì)自然現(xiàn)象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的工具。牛頓的科學(xué)革命之所以爆發(fā)，很大程度上依賴于當(dāng)時(shí)實(shí)驗(yàn)手段的極大進(jìn)步。

現(xiàn)在，我們所要研究的領(lǐng)域需要極高的能量，但這些能量的獲取超出了目前地球資源和人類工程技術(shù)的極限。在某種程度上，標(biāo)準(zhǔn)模型已經(jīng)是我們已知能級(jí)范圍內(nèi)的封閉理論。所謂的封閉理論是指，在一定的范圍內(nèi)已經(jīng)是理論可完善的極限，不能再通過(guò)微小的調(diào)整而得到本質(zhì)的改善，新的創(chuàng)新發(fā)展已經(jīng)走到盡頭，并注定在其目標(biāo)領(lǐng)域長(zhǎng)期保持有效和不變。要發(fā)展新的理論范式，首先要擴(kuò)展我們的檢測(cè)范圍。但是，沿著傳統(tǒng)的路線，加速器是最好的手段，我們可以在加速器中制造大量的高能粒子事件，然后分析它們的模式，并用于指導(dǎo)理論的發(fā)展。但是，量子引力的研究尺度在普朗克標(biāo)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了現(xiàn)在加速器的范圍，可以肯定地說(shuō)量子引力理論是不可能直接驗(yàn)證的。至于超對(duì)稱、暗物質(zhì)粒子、額外維度雖然可能在對(duì)撞機(jī)中驗(yàn)證，但是經(jīng)過(guò)大量的搜尋沒(méi)有任何結(jié)果，進(jìn)一步提高能量驗(yàn)證它們的可能性已經(jīng)很小了。

2.現(xiàn)實(shí)問(wèn)題

新一代對(duì)撞機(jī)有助于提升中國(guó)在世界科學(xué)中的地位，這一點(diǎn)毋庸置疑，但距離“國(guó)際科學(xué)中心”仍然遙遠(yuǎn)。在驚嘆歐洲取代美國(guó)成為全球粒子物理學(xué)中心的同時(shí)，不要忘記在二戰(zhàn)開始前，歐洲就已經(jīng)是原子物理學(xué)和量子力學(xué)的中心，這兩者與粒子物理學(xué)的密切聯(lián)系是不言自明的。事實(shí)上，截至1951年，共有45位諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主是歐洲籍，來(lái)自美國(guó)的只有9位9位當(dāng)中還有3位是美歐雙重國(guó)籍，分別是：阿爾伯特·邁克耳遜（1907年得主，美國(guó)、波蘭雙重國(guó)籍）、奧托·施特恩（1943年得主，美國(guó)、德國(guó)雙重國(guó)籍）和伊西多·拉比（1944年得主，美國(guó)、波蘭雙重國(guó)籍）。。再者，雖然LHC是2008年建成的，但歐洲早在1928年就由羅爾夫·維德羅（Rolf Widere）建造了世界上第一臺(tái)成功運(yùn)行的直線加速器，維德羅的論文后來(lái)還為勞倫斯的回旋加速器奠定了基礎(chǔ)[23]。在劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室建成的科克羅夫特-沃爾頓加速器于1932年首次實(shí)現(xiàn)鋰原子的人工核嬗變，這使得英國(guó)物理學(xué)家約翰·科克羅夫特（John Cockcroft）和愛(ài)爾蘭物理學(xué)家歐內(nèi)斯特·沃爾頓（Ernest Walton）獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，后來(lái)的全球第一臺(tái)環(huán)形正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)AdA同樣來(lái)自歐洲[24]。而CERN于1954年成立的初衷之一，就是重新取得歐洲自二戰(zhàn)前在物理學(xué)領(lǐng)域的領(lǐng)先地位。9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472

從1957年建成的SC即600 MeV同步回旋加速器，它是CERN的第一臺(tái)粒子加速器。，到1959年建成的PS，再到ISR、SPS與SppS、LEP等一系列加速器，以及包括PS Booster、AD、ELENA、LEIR、HIE-ISOLDE、CLEAR、Linac3和Linac4在內(nèi)的CERN加速器體系，歐洲取代美國(guó)成為全球粒子物理學(xué)中心的直接原因看似是SSC的終止和LHC的成功，但根本的原因在于長(zhǎng)達(dá)半個(gè)多世紀(jì)的經(jīng)驗(yàn)積累、人才培養(yǎng)和制度完善，絕非是一蹴而就的。中國(guó)的粒子物理學(xué)雖然已經(jīng)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，未來(lái)也有可能取代歐洲成為新的中心，但不應(yīng)該簡(jiǎn)單地認(rèn)為通過(guò)一臺(tái)新加速器就能夠?qū)崿F(xiàn)。此外，在通往科技強(qiáng)國(guó)的路上，我國(guó)還有太多比對(duì)撞機(jī)更加緊迫、亟待解決的“卡脖子”問(wèn)題，這也是中國(guó)對(duì)撞機(jī)爭(zhēng)論與歐美當(dāng)年的SSC和LHC爭(zhēng)論的不同之處。

五 結(jié)語(yǔ)

自20世紀(jì)60年代以來(lái)，歐美各國(guó)的加速器爭(zhēng)論可謂屢見不鮮，幾乎每一代大型加速器的立項(xiàng)都伴隨著漫長(zhǎng)的討論過(guò)程，許多歷史上的爭(zhēng)論觀點(diǎn)在今天的中國(guó)加速器爭(zhēng)論中依然適用。但是，不應(yīng)簡(jiǎn)單地將中國(guó)當(dāng)前的CEPC-SPPC爭(zhēng)論看作是過(guò)往爭(zhēng)論的延續(xù)，在如今的再探索時(shí)期，粒子物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)有了許多新的特征，這些容易被忽視的時(shí)代特點(diǎn)恰恰是充分理解當(dāng)前爭(zhēng)論的關(guān)鍵所在。

CEPC-SPPC建造與否目前尚無(wú)定論，但無(wú)論結(jié)果如何，此次爭(zhēng)論本身就是一種進(jìn)步的體現(xiàn)，正如高原寧所說(shuō)“科學(xué)精神想在中國(guó)落地的話，這樣的練習(xí)過(guò)程必不可少”，公眾也需要一個(gè)機(jī)會(huì)，參與到公共討論之中[25]。大科學(xué)裝置對(duì)一個(gè)國(guó)家的科學(xué)進(jìn)程和教育、經(jīng)濟(jì)等方面的影響往往是巨大的，應(yīng)以理性的眼光客觀且全面地看待，我們期待中國(guó)科學(xué)的長(zhǎng)遠(yuǎn)進(jìn)步。

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A Contemporary Turn in Particle Physics

A brief analysis of the historical background and dilemma of the times of the CEPC-SPPC debate in China

QIAO Xiaofei，LU Haoming

Abstract： Since the 1960s， each generation of large particle accelerators in countries around the world has been accompanied by a long process of debate. However， the current CEPC-SPPC debate in China should not simply be viewed as a continuation of past debates， but should be understood as part of the overall development of particle physics. Since the late Cold War， particle physics seems to be “The partys over”， and disputes and dilemmas have emerged one after another. And the debate about accelerators is actually a microcosm of the overall development dilemma of physics. After the formation of the two Standard Models， the objects and methods of physics research have undergone fundamental changes. Although the discovery of the Higgs and gravitational waves marked a great success for the traditional scientific paradigm， there were also many phenomenas that traditional paradigms cannot explain， and the experimental tests cannot keep up with the theoretical ones. The new theoretical paradigms were quite controversial， and the development of physics has slowed down considerably.

Keywords：particle physics， particle accelerator， scientific debate9F41DB01-21EE-40A9-8C78-8A28F041B472