标准模型创始人之一谈对撞机

何红建：温伯格教授，非常高兴采访您。最近我重新读了您在《今日物理》（Physics Today）发表的文章《粒子物理：从卢瑟福到LHC》，您作为基本粒子标准模型的主要奠基人，在其中解释了为什么需要新物理来超越标准模型：“超越标准模型显然是必需的。夸克和轻子的质量谱与混合角神秘莫测，就仿佛记录某种未知语言的符号。我们盯着它们看了几十年，但就是无法解释它们。此外，我们还需要某种超越标准模型的要素解释暗物质。”这些的确是过去三十年来粒子物理学界通过美国的Tevatron与欧洲的LEP和LHC等高能对撞机实验所一直努力探索的目标。大型强子对撞机LHC的第二轮运行以13TeV的能量进行质子一质子对撞，目前进展非常顺利。它的探测器迄今已经收集到第二轮运行所预期的全部数据的10%。虽然8月份的国际高能物理会议（ICHEP）尚未公布新物理发现，您愿意和我们分享您如何看待正在运行的LHC上可能出现（或不出现）的新发现吗？

温伯格：LHC在其能力范围之内是否还会作出新的重大发现，谁都无法预知。从一开始，我们就有足够的理由预测LHC能够发现电弱对称性破缺的机制——不论是原始电弱理论所预言的基本标量场、还是人工色理论所预言的新强作用力。无论是哪种情形，根据当时已观测到的弱相互作用强度，一切都强烈地暗示着这个新的标量粒子或新的强作用力会在LHC上出现；而事实也的确如此。这无疑为LHC的规划指明了方向。

不过，虽然在LHC上还有可能发现另一些极为重要的现象，比如暗物质粒子和超对称粒子，但即使这些粒子真的存在，我们也没有强烈的理由确保它们位于被LHC发现的潜力范围之内。我们只能等待LHC运行，看看其结果如何。

何红建：我们知道您是SSC项目的主要支持者。上个月初，我们推荐中国媒体发表了您的评述文章《大科学的危机》中译版。美国国会于1993年取消SSC项目，对于美国以及国际高能物理学界都是巨大的损失，而且对美国乃至全球高能物理界都造成了严重的负面影响。一方面，SSC设计在40TeV的质心系能量进行质子对撞，是位于日内瓦欧洲核子中心CERN的LHC目前第二轮运行能量（13TeV）的3倍。所以，LHC第二轮运行尚未发现任何超出标准模型的新物理，也并不意外，因为我们都知道，具有40TeV对撞能量的SSC正是被设计成一台更可靠地确保在TeV能区发现新物理的机器。许多物理学家认为，如果SSC没有在1993年终止，它很可能已经做出了革命性的新发现，从而指明了21世纪基础物理学发展的新方向。由于您亲眼目睹了SSC以及后来LHC发展的历程，您愿意与中国学界和公众分享关于SSC与LHC的历史经验与教训吗？

温伯格：即使在美国政府批准通过了SSC项目之后，来自各方面的反对意见仍然持续不断。一部分反对意见来自那些小政府与低税收的鼓吹者，他们倾向于反对任何政府主导的大型项目，尤其是那些没有立刻使很多人受益的大项目。SSC项目显然能为周边地区带来经济利益，但受益人数是有限的。當时有一位参议员告诉我说，在SSC的选址决定下来之前，参议院的全部100名成员都对其青睐有加；可是一旦选址确定，赞成的人数便锐减至两人——即选址所在州的那两位参议员。甚至在最终选址尚未确定之时，就有一位支持SSC的众议院成员因为自己所在州已被排除在外而立刻反转了立场。所有这些都是赤裸裸的政治行为，大概也不是美国独有的。

来自科学界内部的反对声音则更令人不安。没有人声称SSC的科学探索不够重要，但有些人极力主张SSC的经费更应该投向其他领域，比如他们自己的研究方向。可是取消SSC项目并没有给这些人带来多少安慰，因为那些省下来的经费也没有投入其他科学领域。

LHC的拥护者对SSC也造成了无形的负面影响，他们指出LHC可以利用现成的环形隧道节省开支。然而该环形隧道的周长较小，因此限制了LHC的对撞能量，只能达到SSC的1/3。但LHC的支持者们认为可以利用提高亮度的方法来弥补其能量上的不足，尽管提高亮度显然也有其自身的困难，因为质子束在每次交叉时会发生多次碰撞。

对于SSC项目的中止，一个常见的解释是其持续增长的开销。反对者当然会拿此事大做文章，但我认为这个批评是不公正的。这个项目真正超出预算的比例大约为10%，通过对SSC粒子束孔径的计算，这部分超出是必须的。除此之外其他任何超预算的部分都是因为国会推迟投资，导致工期拖延，从而产生了额外的人工费用。

扼杀SSC项目的主要原因是乔装打扮成科学项目的国际空间站的竞争。这个项目计划由得克萨斯州休斯敦的约翰逊航天中心主持。在德克萨斯州同时开展两个大型科技项目从政治角度来看是不可能的，而空间站项目最终被选中。结果，空间站花费了SSC预算经费的十倍，但并没有做出任何重要的科学研究。一个可能的例外是阿尔法磁谱仪，但它也可以通过无人卫星的方式运行，甚至更佳，而且便宜很多

LHC发现希格斯玻色子取得了巨大成功。但很清楚，无论LHC将来有多少机会做出进一步重要发现，具有更高对撞能量的SSC本来应该对未来提供更好的机会。

何红建：也许您已听说中国目前的“大型对撞机”方案，其第一阶段CEPC是一台电子一正电子对撞机，在周长100公里的环形隧道中运行，其对撞能量可达250 GeV。该项目还允许未来潜在的第二阶段计划，即对撞能量可达100TeV的质子-质子对撞机。今年8月20—21日，在中国高能物理学会主办的“高能物理战略研讨会”上，这个项目被正式列为“高能物理第一优先项目”。这一计划提出以来得到了国际高能界的普遍支持。您可能已经听说中国就是否应该建造这个对撞机正在进行公开辩论。这场争论是美籍华裔理论物理学者杨振宁于9月初挑起的。他历来强烈反对中国的任何对撞机项目，包括目前由高能物理研究所所长王贻芳领导的CEPC-SPPC项目。很显然，杨的反对主要是说这个项目对中国来说花费太高，他的误解在于强调潜在的第二阶段质子对撞机的造价。（据高能所团队估计，CEPC的总造价约为60亿美元，分10年完成，其中25%来自国际合作。在技术条件成熟后，SPPC预计在2040年代建造。）人们应该还记得，位于CERN的同一隧道的LEP和LHC是先后分别获得审核与批准的。您的独立观点和来自国际上的建议对于中国将非常有帮助。您认为对CEPC投资值得吗？这种国际合作项目对于全世界和中国社会将做出什么贡献呢？

温伯格：我对杨振宁的研究工作很尊重，但是我不同意他反对CEPC计划的论点。其中一些论点非常眼熟，它们被一再用来反对各种大科学项目。

是的，我们有许多其他社会需求，包括环境、健康、教育等等方面。这些需求一直都有。但是，我们也需要艺术和科学，这些使我们的文明值得尊重。

是的，粒子加速器上的发现不像会带来直接的实际应用。但是这些科学项目本身会以技术副产品的形式带来重要的实用性后果。经常提到的例子有同步辐射，用于研究材料性质，以及万维网。

但是一个较少被提到的副产品是人才培养。基本粒子物理学因其独特的基础性而吸引了许多聪明的年轻人，他们将形成一股拥有丰富技术经验的骨干力量，能够解决很多社会问题。在二战期间发展微波雷达、密码破译计算机、核武器等技术的科学家，在战前从事的研究都是因为其基础科学的重要性而非军用价值。我曾有一名优秀的研究生，最初跟我学习基本粒子理论，后来转而研究更实际的问题，并发展了一套世界领先的同位素分离方法。如果一个国家只追求有直接应用价值的研究，最终很可能既无法做出基础性的重要发现，也无法做出有应用价值的研究。

杨教授的一个论点是，物理学可以通过寻找漂亮的几何结构来取得进展，而不用建造加速器。这让我想起另一位理论物理学家维尔纳·海森伯在二战后的立场：他反对德国在粒子加速器上投资，理由是物理学可以只通过对某些场论的理论研究而取得进步。为了尝试理解强作用力，杨和米尔斯在没有新实验结果指导的情况下发展了一类场论，后来得到了实现。但只有在加速器实验揭示了强作用力在高能量尺度下减弱的事实之后，人们才有可能猜测到能够正确描述强作用力的杨一米尔斯场论的形式。而且，杨-米尔斯场论与电弱相互作用的相关也只有在加速器实验发现弱中性流之后才能被确认。离开了实验，理论走不了多远。