大型对撞机与基础科学和技术进步

郭晓明

大型对撞机与基础科学和技术进步

郭晓明

最近，多位知名科学家公开讨论中国是否应该建造大型对撞机的问题，引发了大众对高能物理的热情。高能物理也曾称粒子物理，是最接近哲学的前沿科学，它是逼近终极理论的理论，它研究什么是物质，什么是能量，什么是质量，什么是电荷。它的研究范围，有比质子、中子更小的粒子，也有大到宇宙的诞生，宇宙的构成等问题。这个学科推进的重要方法之一，就是以建造越来越高能量的对撞机为路径。

高能物理源于人类对原子核的认识的需要，起始于人类对原子核的认知的一个理论。原子核由质子和中子组成，一些放射性衰变原子核会放射出电子，因此，要了解原子核的结构，必须弄清楚质子、中子和电子的相互作用。本来质子和中子被称为基本粒子，1955年毛泽东认为不是基本粒子，认为还有内部结构。同年物理学家就用高能电子束测出质子和中子有电荷和磁距分布，证明有内部结构，不是基本粒子。经过物理学家长期努力，经过粒子对撞试验和理论发展，主流物理学家已经达成共识，就是质子和中子由夸克组成。质子由两个上夸克和一个下夸克组成，中子由两个下夸克和一个上夸克组成，而这些夸克的特性又有不同颜色。用两个夸克解释两个核子，而且符合碰撞实验验证，可以说是粒子物理的一大进步。然而，构建夸克理论用到的对称性，假设了有六个夸克，其他夸克组合成许多其它粒子，这些数量众多的粒子陆陆续续不是被宇宙射线观测证实，就是被人工粒子碰撞机发现证实。除了夸克组成的强子，还有轻子，轻子的数目几乎和强子数量差不多，这些亚核粒子相互作用力又需要相应的交换粒子来解释。为了认识质子、中子和电子这三种粒子的本质，高能物理的标准理论已经发现了60多个粒子，用60多个粒子的理论来解释三个粒子，这种解释效率太低。这60多个粒子很多不是自然界观测得到的，必须用对粒子撞机对撞才能观测到，这些粒子寿命极短，它们存在的时间大约是100亿分之一秒甚至短于亿亿分之一秒，以至一些物理学家不承认这些是粒子，称其为能量共振态。观测这些寿命极短的粒子主要依靠测量它们衰变产生出来的次级粒子来推论它们的特性。夸克也是碰撞实验无法单独分离出来的粒子，夸克的相互作用如此之强，乃至试图把夸克碰撞出质子的能量如此之大，碰撞出夸克的能量足以产生正负夸克对，变成比质子质量还大的介子。杨振宁显然对这个理论保持了清醒的头脑，有对这个理论可被取代的科学态度。李政道和杨振宁获得诺贝尔奖，就是对高能理论完美的质疑，提出宇称不守恒的论点，他们重新整理了已有的实验成果，支持了这一论点，后来吴健雄实验再次证实了他们的论点，也得到诺贝尔奖。用60多个粒子来解释三个粒子的理论效率低下且不说，要命的是这个复杂而美丽的理论对人类技术进步基本没有任何突破。如今科学家应用的是其他物理知识开发技术进行高能物理实验，而高能物理的标准理论和大统一理论并没有增加人类的技术能力。如今为了解决人类能源问题，为了开发可控核聚变技术，基本用不着夸克理论。可控核聚变技术的研发，用的是爱因斯坦狭义相对论的质能等式，和原子核的重量的实验数据。高能物理理论对核电技术，对可控核聚变、对核潜艇和核武器都基本没有帮助。人们不禁要问，物理学界是否应该反思这个学科的走向？这是耗资巨大的阳春白雪学科，数学之美令人赞叹不已，但至今没看到任何实际应用前景。尤其是对核物理技术没有实质帮助。

当年托勒密地心说也很有成就，只要不断加上足够多的天球，就可以足够精确解释不规则的行星运动，这是了不起的天体运动理论。这个解的存在性叫做傅里叶展开的完备性，就是圆周运动的叠加可以拟合出所有周期运动乃至非周期运动。自从“日心说”观念突破了“地心说”的思维定式以后，才发展出了开普勒的行星运动三大定律，以三个定律解释所有行星运动，理论效率比需要80多个天球的理论效率高多了。根据开普勒三大定律，牛顿发现了万有引力，以一个万有引力定律就解释了所有行星运动，理论效率又有一个飞跃。而且，正是由于牛顿定律，才有了我们今天的火箭和卫星技术。如果我们满足于托勒密的地心说，满足于叠加足够多的天球以精密解释行星运动，我们就没有今天的卫星技术。高能物理理论很可能陷入了托勒密地心说理论的宿命，它可以自圆其说，但不解决实际问题。杨振宁的担心是有道理的，就科学角度而言，应该避免陷入用猜想验证猜想的怪圈。高能物理就是对撞试验验证了理论，但同时又发现新现象，理论又进一步发展解释新现象，又需要更高能量对撞验证新理论，如此重复加深人类对亚核粒子的认识。但这已经不是粒子现象了，而是能量转换成物质的现象。今天的高能物理乃至大统一理论都和托勒密地心说一样完美和谐，都可以解释所有各自关注的现象，但就是不接地气，为了认识质子、中子和电子这三个粒子，高能理论过于繁冗。所以，现在高能物理科学需要的不是这种不断增加天球的托勒密地心说式的发展，不是这种没有止境的让高能物理理论和高能物理实验相互印证却又与现实世界渐行渐远的发展。高能物理需要平心静气整理已经积累的高能物理实验数据和天文学观察，重新整理认识原子核的思路。高能物理应该有一个“地心说”到“日心说”的革命，否则就是一个光花钱不出活的象牙塔。

“日心说”到“地心说”的革命，在科学发展史上称为范式更迭。托马斯·库恩1962年在《科学革命的结构》一书中，研究了这种科学进步的跳跃。科学范式是一群科学家所共同遵循的世界观和研究方式。一个新的范式就是一片新天地，很多悬而未决的问题豁然开朗，新诞生的范式迅速扩张到很多领域。但时间长了新范式成为老范式，就会僵化乃至束缚思想。普朗克提出量子观念以后，花了十多年时间想证明量子观念的“错误”，可见其革命性之强，发明者自己都难以接受。而爱因斯坦对量子力学的重要贡献如量子纠缠，就是为了证明量子力学不可理喻而设计出来的实验。量子力学一下子就解决了原子光谱分离的问题，解决了原子稳定性问题，等等。而且，量子力学的应用至今方兴未艾。爱因斯坦相对论也是一个范式革命。此前对于波的研究，都有波的传播介质，都有相对介质运动的速度变化。爱因斯坦抛开介质，认为光就是在真空中传播，而且速度不以参照系相对任何参照点的运动速度而变，光学和电磁波的诸多现象迅速得到完美的理论解释。

人的脑容量有限，人的生命有限，以有限的生命和有限的脑力理解人类积累至今的浩如烟海的知识，需要有高度抽象的理论，可以用一个理论概括一领域的众多知识。研究质子和中子的物理原来叫基本粒子物理，后来改为粒子物理，因为没有怎么粒子是基本的。如今又改为高能物理，因为研究的已经不是物质粒子，而是空间和能量的结构：即按照爱因斯坦质能公式，物质可以变为能量，能量也可以变为物质。碰撞粒子的能量在某些节点就可以产生正反物质粒子对。爱因斯坦质能公式没有说高于某能量就再也不会产生正反粒子对。今天理论预测可能某个能量存在正反粒子对反应，不能排除更高的能量产生新的正反粒子对。高能物理的范式，好像已经走到了范式生命周期的老年期。碰撞机投资周期长，需要二三十年时间，如果此间高物理论发生了范式革命，则对撞机项目就会成为烂尾楼。

如今市场经济是生产社会化的时代，一个人生产的东西，不能看从挖矿到炼铁到做工具到出产品从头到尾自己做。而是从市场购买原料和工具来生产。这是人类至今最新的生产的分工合作模式。科研也一样，如今科研也有社会分工，已经不像牛顿坐在苹果树下苦思冥想那种研究了。今天物理学家最会应用数学，数学家做的只是定理的证明，而物理学家比数学家做更多的数学运算。物理学家证明量子力学的基本定律，化学家比物理学家计算更多的量子力学问题，他们应用量子力学计算分子结构的特性。化学家证明化学反应公式，生物学家应用化学定律研究生物。科研制度怎样能够合理地组织科研的社会性和经济学怎样组织生产社会性类似。荷兰发明了有限公司制度，是社会分工合作的一个范式革命，对市场经济是一大推进。科研体制也需要制度创新。如果中国投入如此巨大的资金建设高能粒子碰撞机，它在组织人类基础科学研究中起什么作用，中国能以此领导全球科学进步吗？能吸引全球顶尖科学家聚集一起研究吗？这些研究的中间成果能有效变现为技术革命和开辟新市场吗？这可能也是建设碰撞机应该考虑的方面。如此巨大的投资，做出成果是基础科学成果，是人类共享的成果，但如果失败，这成本都是中国垫，这个收益与投入不对称。中国宇航员进入太空，比美国落后40年，但美国30年航天飞机项目最后废置，回归宇宙飞船，让中国航天技术的落后忽然缩短了30年。大型对撞机二三十年才建成，使用多少年后才能知道是否对科学进步有促进，其中风险甚高。进步了是人类共同进步，蹉跎了是中国自己蹉跎。建设碰撞机对中国科学技术进步肯定有好处，但对于中国崛起紧迫的国际压力可能是远水不解近渴。中国有火烧眉毛的事情要兼顾。空间站开发新的观测宇宙高能粒子射线的仪器会不会比碰撞机更经济更有效呢？毕竟碰撞机探测器观测的也是高能粒子衰变的次生粒子，不断完善和提高空间技术也可以获取更多的高能粒子信息。

历史表明，科学发现与技术革命的发展秩序有两种，一种是基础科学发现在先，技术进步在后。如牛顿万有引力的发现，建立了牛顿力学，然后牛顿力学成了机械工程技术的基础。一种是先有技术进步，然后引发科学研究进步。如瓦特发明了蒸汽机，为了提高蒸汽机效率，发展出了热力学科学。二战之前，是工业技术强则经济强则军事强，二战后则相反，是军工强则工业技术强则经济强。信息时代计算机理论和信息理论的起始，都与二战同盟国和轴心国竞争电报密码破译密切相关，信息产业起于美国是美国军工技术领先的结果。信息论是新学科，也是军工竞争推出的科学进步。我们用的互联网，就源于美国避免通讯关键单节点被敌人摧毁而瘫痪军事通讯技术的研究。二战制造铝箔用于干扰雷达，二战后铝箔被推进家用市场，改变美国人烤鸡烤土豆的习惯，催生了铝箔包裹烧烤烹调技术。如果建立对撞机指望推进科学基础研究随机偶然发现新技术新应用，不如把钱投入急需打破外国垄断的技术和军事技术竞争中，反过来推进基础科学进步。打破垄断和军事竞争的技术攻关部门要设基础科学研究生博士点，引入基础科学人才，让大学基础科学学科学生有就业机会，让大国崛起急需解决的技术方向有工程技术人才和基础科学人才的合理搭配，以技术突破推动基础科学进步。要建立军工技术解密制度，让投入的科研研究中间成果能够有效快速转为民用科技创新和市场创新。

作者系加拿大麦吉尔大学物理学博士