郭曉明：楊振寧給高能物理的困境留了個面子

最近，網絡媒體公開討論中國是否建造大型對撞機的問題。丘成桐支持中國建築大型對撞機，而楊振寧則反對。如果我們不深究大型對撞機究竟解決什麼問題，而只就資質和學術權威而論，當然是聽楊振寧的，因為楊振寧是高能物理規範場理論的創建人，而丘成桐是數學家。

當然，對於耗費巨大的這樣一個項目，需要從國家戰略高度來推敲，究竟於國家、人民有用無用，這也是雙方爭論的焦點之一。

但筆者還是想回到物理問題本身，畢竟建個項目不管“預期”有多少好處，本職工作總還是要先考慮的。

楊振寧在文章最後提到：“不建超大對撞機，高能物理就完全沒有前途了嗎？不然。我認為至少有兩個方向值得探索：A. 尋找新加速器原理。B.尋找美妙的幾何結構，如弦理論所研究的。”這話講得很含蓄，但還是可以看出，是對現在的方向不大認同的。

楊老沒有充分展開，其實之前已經有反對者提出了高能物理學科發展的困境。那麼高能物理究竟出了什麼問題呢？

高能物理源於人類對原子核的認識的需要，是人類對原子核的認知的一個理論。原子核由質子和中子組成，一些放射性衰變原子核會放射出電子，因此，要了解原子核的結構，必須弄清楚質子、中子和電子的相互作用。經過物理學家長期努力，經過粒子對撞試驗和理論發展，主流物理學家已經達成共識，就是質子和中子由夸克組成。質子由兩個上夸克和一個下夸克組成，中子由兩個下夸克和一個上夸克組成，而這些夸克的特性又有不同顏色。用兩個夸克解釋兩個核子，而且符合碰撞實驗驗證，可以説是粒子科學一大進步。

然而，構建夸克理論用的對稱性，必須假設有六個夸克，其它夸克組合成許多其它粒子，這些數量眾多的粒子陸陸續續不是被宇宙射線觀測證實，就是被人工粒子碰撞機發現證實。除了夸克組成的強子，還有輕子，輕子的數目幾乎和強子數量差不多，這些亞核粒子相互作用力又需要相應的交換粒子來解釋。

為了認識質子、中子和電子這三種粒子的本質，高能物理的標準理論已經發現了60多個粒子，用60多個粒子來解釋三個粒子，這種解釋效率太低。這60多個粒子很多不是自然界觀測得到的，必須有對撞機粒子對撞才能觀測到，觀測完以後這些粒子又消失了，就是壽命及短。 楊振寧顯然對這個理論保持了清醒的頭腦，有對這個理論可被取代的科學態度。李政道和楊振寧獲得諾貝爾獎，就是對高能理論完美的質疑，提出宇稱不守恆的論點，他們重新整理了已有的實驗成果，支持了他們的論點，後來吳健雄實驗再次證實了他們的論點，他們因此得到諾貝爾獎。

楊振寧教授近照

用60多個粒子來解釋3個粒子的理論效率低下且不説，要命的是這個複雜而美麗的理論對人類技術進步基本沒有任何突破。如今科學家應用的是其它物理知識開發技術進行高能物理實驗，而高能物理的標準理論和大統一理論並沒有增加人類的技術能力。如今為了解決人類能源問題，為了開發可控核聚變技術，基本用不着夸克理論。可控核聚變技術的研發，用的是愛因斯坦狹義相對論的質能守恆公式，和原子核的重量的實驗數據。高能物理理論對核電技術，對可控核聚變、對核潛艇和核武器都基本沒有幫助。人們不禁要問，物理學界是否應該反思這個學科的走向？這是耗資巨大的陽春白雪學科，數學之美令人讚歎不已，但至今沒看到任何實際應用前景。尤其是對核物理技術沒有實質幫助。

當年托勒密地心説也很有成就，只要加上幾個天球，就可以解釋不規則的行星運動，這是了不起的天體運動理論。用天球疊天球就可以擴展和完善這個地心説理論，只要有足夠多的天球，就可以足夠精確解釋所有不規則的星體運動。這個解的存在性叫做傅里葉展開的完備性，就是圓周運動的疊加可以擬合出所有周期運動乃至非週期運動。自從日心説觀念突破了地心説的思維定式以後，才發展出了開普勒的行星運動三大定律，以三個定律解釋所有行星運動，理論效率比每個行星都用幾個天球去解釋理論效率高多了。

根據開普勒三大定律，牛頓發現了萬有引力，以一個萬有引力定律就解釋了所有行星運動，理論效率又有一個飛躍。而且，正是由於牛頓定律，才有了我們今天火箭和衞星技術。如果我們滿足於托勒密的地心説，滿足於疊加足夠都天球以精密解釋行星運動，我們就沒有今天的衞星技術。高能物理理論很可能陷入了托勒密地心説理論的宿命，它可以自圓其説，但不解決實際問題。

楊振寧擔心是有道理的，就科學角度而言，應該避免陷入用猜想驗證猜想的怪圈。高能物理就是對撞試驗驗證了理論，但同時又發現新現象，理論又進一步發展解釋新現象，又需要更高能量對撞驗證新理論，如此重複加深人類對亞核粒子的認識。今天的高能物理乃至大統一理論都和托勒密地心説一樣完美和諧，都可以解釋所有各自關注的現象，但就是不接“地氣”，為了認識質子、中子和電子這三個粒子，高能理論過於厚重。

CERN的大型強子對撞機

所以，現在高能物理科學需要的不是這種不斷增加天球的托勒密地心説式的發展，不是這種沒有止境的讓高能物理理論和高能物理實驗相互印證卻又與現實世界漸行漸遠的發展。高能物理需要平心靜氣整理已經積累的高能物理實驗數據和天文學觀察，重新整理認識原子核的思路。高能物理應該有一個地心説到日心説的革命，否則就是一個光花錢不出活的象牙塔。

然而，就國家戰略而言，高能物理科學不是問題的全部，工程技術也很重要。對於這點，力推對撞機的高能所所長王貽芳給出了很好的解答。要建一個大型對撞機，顯然對材料和工程設計都是一個很高的要求。科學研究不是那麼勢利眼，不能急功近利，科學研究應該允許一些不着邊際的好奇心探索。

作為戰略投資，國家決策就不一樣，投資講回報。如果這個項目是一個國際科技合作的平台，合作各國出資應該是出資讓他們的科學家、工程師和技術員來華和中國工作，而不是各國各做項目其中一部分，各國各做一部分管理成本太高，而且一個部分卡着就整個項目被拖延，爛尾樓風險太大。從項目資金流管理來説，項目要分期，每一期完成需要產生一些可應用成果，建造可以產生高能輻射的常規實驗室，用於工業檢驗和科學實驗，用於國民經濟其他技術研發。要充分發揮建造工程的科學技術溢出效應，要有有效的機制讓項目建設的技術公關成果最大限度產生它可能的商業應用，激發創新產業。這可以是G20達成的以創新帶動全球經濟目標的一個科技合作切入點。

中國對科學要有更大的貢獻。建實驗室驗證現有的科學猜想這樣的貢獻太小，不如中國自己的科學家另闢蹊徑對物理學來一個地心説到日心説的革命來的貢獻大。中國年輕物理學家應該有自己的雄心壯志，要站在前人的肩膀上，而不是跟着前人的腳印亦步亦趨。作為國策投資項目，建造大型撞機更重要的不是驗證高能物理的某一個猜想，而是要着眼怎樣用項目提高中國整體科技水平，怎樣配合創新產業的發展，怎樣吸引國際頂尖科學家和工程師來華工作。項目評估要對項目相關各個利益集團和政治勢力的厲害衝突保持清醒認識，要防止這個項目誘導中國物理學界誤入歧途鑽進象高能粒子物理的牙塔出不來，反而阻礙了中國科技發展大計。

**作者簡介：**郭曉明，加拿大麥吉爾大學物理學博士，中國科學技術大學科技與戰略風雲學會研究員，曾任滙豐證券信息安全副官、貴州大學社會科學研究所所長、加拿大勞里爾大學商學院和物理計算機系兼職教授，微博賬號@西西河氏唵啊吽 。

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