欧洲花1600亿建造超级对撞机,杨振宁反对中国建造难道是错的

欧洲核子研究组织(俗称欧洲核子研究中心)CERN近日批准了一项雄心勃勃的计划,那就是建造一个62英里的超级对撞机(FCCee)来扩大人类的物理学知识。欧洲核子研究委员会(CERN Council)于6月19日批准了这项计划,预计费用将至少达到210亿欧元(约合235亿美元)。

大型对撞机是粒子物理科学家为了探索新的粒子,和微观量化粒子的‘新物理’机制设备,是一种将质子加速对撞的高能物理设备。

大型对撞机局部图

20世纪后半叶,随着规范场论的提出,其成功为量子电动力学、弱相互作用和强相互作用提供了一个统一的数学形式化架构——标准模型,粒子物理学里,标准模型是一套描述强力、弱力及电磁力这三种基本力及组成所有物质的基本粒子的理论。即使是尚未统一到标准模型中的引力,也有可能包括进规范场的理论之中。

标准模型准确地预言了在世界各地实验室中观察到的事实,其应用已经深入在物理学的其他分支中,诸如统计物理、凝聚态物理和非线性系统等等。

过去几十年来,物理学家不断在细节上加深对构成宇宙的基本粒子及其交互作用的了解,了解的加深让粒子物理学的“标准模型”变得更为丰满。

但这个模型中仍存在缝隙,以至于我们无法绘制一幅完整的关于微观世界的图画。为了帮助科学家揭示粒子物理学上这些关键性的未解之谜,需要大量实验数据支持,大型对撞机便担负起“数据提供者”的角色,这也是非常重要的一个步骤。大型对撞机能够将两束质子加速到空前的能量状态而后发生相撞,此时的撞击可能带来意想不到的结果,绝对是任何人都无法想象的。

1980年,欧洲科学界设想建立大型强子对撞机进行实验。大型强子对撞机长27千米,深埋在法国与瑞士边境地下100米的深处。在过去20多年里,来自全球40多个国家的5000多名科学家,用了100亿美元,努力打造这个揭开宇宙秘密的解码器。

强子对撞器于北京时间2008年9月10日下午15:30正式开始运作,成为世界上最大的粒子加速器设施。2010年3月19日,世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机(LHC),这个预期的建造总额约为八十亿元美金的世界最大型强子对撞机成功地打破了自身于2009年12月份创造的纪录,成为全世界能量最强的对撞机。

在LHC内,科学家的目标是要让大量的质子进行对撞,它们之间的碰撞次数越多,也就越有机会观测到一些罕见的事件。

2010年,LHC首次实现了高能的质子-质子对撞,开启了粒子物理学的全新时代。从反物质到暗物质,从希格斯玻色子到早期宇宙,都是LHC的探索目标。

2012年7月4日,LHC成功发现希格斯玻色子,成功证明了此前粒子物理学标准模型缺失的最后一块——希格斯玻色子的存在,进一步巩固了标准模型的有效性,并未发现任何超越标准模型的证据;在标准模型的框架之内,LHC以前所未有的精度探测到了一些新的现象,这些结果扩展和加深我们对标准模型的理解。

在希格斯粒子被发现后,科学家们非常希望拥有下一代正负电子对撞机用以大量产生干净希格斯粒子,即“希格斯工厂”。

这也是为什么欧美想要再建造一个超级对撞机的原因,在欧盟的设想中,该对撞机的容量将达到100万亿电子伏特,这与大型强子对撞机的16万亿电子伏特能力相比是一个巨大的提升。假设超级对撞机项目可以在未来几十年内进行,这将是人类揭开宇宙新秘密的努力中前所未有的发展。

除了欧美,各个国家都提出了下一代大型对撞机的方案,包括国际直线对撞机(ILC)、紧凑型直线对撞机(CLIC)、大型正负电子对撞机(LEP3)、极高能大型正负电子对撞机(TLEP)、未来环形对撞机(FCC)、超大型强子对撞机(VLHC)、缪子对撞机(MC)等。还有中国科学家提出的“环形正负电子对撞机+超级质子对撞机”(CEPC+SppC)。

目前,有想法实践的国家只有三个——除了欧美,中国之外,就是日本正积极争取的国际直线对撞机(ILC)。

中国在是否建造大型对撞机上,科学界爆发了一场持久的论战,支持者是中科院院士、中科院高能物理所所长,而反对者是杨振宁。

2016年9月初,在微信公众号 “ 知识分子 ” 上,杨振宁发表了一篇文章《中国今天不宜建造超大对撞机》,反驳了丘成桐此前发布的一篇文章《丘成桐:关于中国建设高能对撞机的几点意见并回答媒体的问题》。此后,王贻芳加入了论战,由此,掀起了这次论战的高潮。

王贻芳坚持修建大型对撞机共有4条原因:

第一,希格斯粒子是粒子物理目前一个最重要的观测窗口。

第二,希格斯粒子质量不是特别重,使得环形对撞机就可以高效产生大量希格斯粒子、成为一个理想的希格斯粒子工厂。相对于直线对撞机来说,CEPC是效率更高的一种设计。

第三,中国在国际上的竞争对手(欧洲、美国、日本),它们都有正在进行的其他项目,暂时腾不出手来做环形对撞机希格斯粒子工厂。

第四,环形正负电子对撞机刚好是我们会做的——我们已经有30年的北京正负电子对撞机的经验。

第五,除此之外,还可以让我们更加了解标准模型的本质。如果更幸运,说不定还可以取得关键技术如高温超导的进步,这对中国科学可以说是大跨越式的发展。

第六,建造大型对撞机的先期投入只需要360亿元,并非1000亿元。如果取得了重大的科研成果,我们还可以在这个基础上扩建,因为正负电子对撞机的隧道有100公里长,以做质子对撞机,也可以做重离子对撞机等等,有很多可能性。

而杨振宁认为中国在现在这个时间点建设大型对撞机没有必要:

1、经费投入的成本太高。至少200亿美元。而且大型加速器还有不能按计划完工的“优良传统”,除了大型强子对撞机的建设成本,单年运行维护的费用会比单年工程支出更高,是一个持续烧钱的无底洞,而且具有学术研究价值的“超对称粒子”是二期SPPC才有机会办到的事,在一期CEPC是无法办到的,也就是说一期CEPC就是在不断烧钱而且没有回报。

2、杨振宁认为中国仍然是一个发展中国家,有很多燃眉之急的问题需要解决,这些地方还需要大量的资金投入。

3、如此大量的资金投入势必挤压其他领域的科研经费,包括凝聚态物理、天文物理、生命科学。

4、杨振宁认为如今的高能物理已经陷入了一个窘境,超对称粒子的存在只是一个猜想。他的原话如下:找超对称粒子已经有很多年了,完全落空。今天希望用超大对撞机来找到超对称粒子,只是部分高能物理学家的一个猜想。多数物理学家,包括我在内,认为超对称粒子的存在只是一个猜想,没有任何实验根据,希望用极大对撞机发现此猜想中的粒子更只是猜想加猜想。(自此杨振宁统一了三大力以后,许多科学家寄希望找到“超对称粒子”以统一引力与其他三种力,实现物理的第二次大一统)

5、短期内无法反哺技术,无法促进生产力的提高。也就是投入产出比无法持平,甚至利用高投入达到高产出。五十年内对人类生活没有实在好处。

6、如果想要建造成功的话,那么势必会由90%的非中国人主导,因为建设大型强子对撞机欧美更富有经验。而且即使有成果中国也不一定能拿诺奖

7、不建超大对撞机,高能物理的方向可以先转移到寻找 a.更好的加速器原理 b.寻找美妙的几何结构。

如果你仔细看,就会发现,两个人所站的角度不同,提出的观点都有一定的道理,两个人之间的论争完全属于科学之上的论战,是学术之争。

杨振宁之所以反对,是因为他对于大型对撞机有非常深入的研究。因为粒子物理学“标准模型”的建立,杨振宁作出了卓越的贡献,杨振宁提出的Yang-Mills规范理论,这是整个粒子物理标准模型的基础。

标准模型的两大部分电弱统一模型和量子色动力学(QCD)都是靠Yang-Mills规范理论建立起来的,其中电弱统一模型直接用了他提出的SU(2),量子色动力学在他的基础上扩展到了SU(3)。标准模型的建立已经成全了7次诺奖。而他斩获诺奖的宇称不守恒同样对“标准模型”的建立发挥了巨大的作用。

两个人所站的角度不同,提出的观点都有一定的道理,两个人之间的论争完全属于科学之上的论战,是学术之争,至于谁对谁错,只能交给时间了。

需要指出的是,欧美的超级对撞机将是一个漫长的过程,预计在2038年开始建造62英里长的隧道和相关机器。当然,这需要大量的资金,不过这些资金还没有到位。来自成员国的现有资金无法支付这项雄心勃勃的计划的成本,这意味着欧洲核子研究中心可能需要成立一个全球组织,在其他愿意捐款的国家,包括那些在美国和日本等现有的大型物理研究领域做出贡献的国家发挥其作用。

而即使中国也开始建造超级对撞机,CEPC一期工程是计划到2030年完成,实验运行、取数10年,二期工程(如果决定建设)计划2040年启动建设。