温伯格、丘成桐：如何看待中國的“大型對撞機”辯論

近日，《從萬里長城到巨型對撞機》作者、哈佛大學丘成桐教授和諾獎得主、SSC項目（美國下馬的超級對撞機項目）推手温伯格教授，都接受了採訪，評論了中國就是否應該建造大型對撞機（CEPC-SPPC項目）所進行的公開辯論。觀察者網轉載採訪內容如下：

以下是温伯格教授接受清華大學物理系何紅建教授採訪的中譯文：

**問1：**温伯格教授，非常高興採訪您。最近我重新讀了您在《今日物理》（Physics Today）發表的文章《粒子物理：從盧瑟福到 LHC》，您作為基本粒子標準模型的主要奠基人，在其中解釋了為什麼需要新物理來超越標準模型：“超越標準模型顯然是必需的。夸克和輕子的質量譜與混合角神秘莫測，就彷彿記錄某種未知語言的符號。我們盯着它們看了幾十年，但就是無法解釋它們。此外，我們還需要某種超越標準模型的要素解釋暗物質。”這些的確是過去三十年來粒子物理學界通過美國的 Tevatron 與歐洲的 LEP 和 LHC 等高能對撞機實驗所一直努力探索的目標。大型強子對撞機 LHC 的第二輪運行以13TeV的能量進行質子-質子對撞，目前進展非常順利。它的探測器迄今已經收集到第二輪運行所預期的全部數據的10%. 雖然八月份的國際高能物理會議(ICHEP)尚未公佈新物理發現，您願意和我們分享您如何看待正在運行的 LHC 上可能出現（或不出現）的新發現嗎？

**答1：**LHC 在其能力範圍之內是否還會作出新的重大發現，誰都無法預知。從一開始，我們就有足夠的理由預測 LHC 能夠發現電弱對稱性破缺的機制——不論是原始電弱理論所預言的基本標量場、還是人工色理論所預言的新強作用力。無論是哪種情形，根據當時已觀測到的弱相互作用強度，一切都強烈地暗示着這個新的標量粒子或新的強作用力會在 LHC 上出現；而事實也的確如此【譯註1：這是指2012年 LHC 發現了質量為125GeV的希格斯玻色子】。這無疑為 LHC 的規劃指明瞭方向。

不過，雖然在 LHC 上還有可能發現另一些極為重要的現象，比如暗物質粒子和超對稱粒子，但即使這些粒子真的存在，我們也沒有強烈的理由確保它們位於被 LHC 發現的潛力範圍之內。我們只能等待 LHC 運行，看看其結果如何。

**問2：**我們知道您是 SSC 項目的主要支持者。上個月初，我們推薦中國媒體發表了您的評述文章《大科學的危機》中譯版。美國國會於1993年取消SSC項目，對於美國以及國際高能物理學界都是巨大的損失，而且對美國乃至全球高能物理界都造成了嚴重的負面影響。一方面，SSC 設計在40TeV的質心繫能量進行質子對撞，是位於日內瓦歐洲核子中心 CERN 的 LHC 目前第二輪運行能量（13TeV）的三倍。所以，LHC 第二輪運行尚未發現任何超出標準模型的新物理，也並不意外，因為我們都知道，具有40TeV對撞能量的 SSC 正是被設計成一台更可靠地確保在TeV能區發現新物理的機器。許多物理學家認為，如果 SSC 沒有在1993年終止，它很可能已經做出了革命性的新發現，從而指明瞭21世紀基礎物理學發展的新方向。由於您親眼目睹了 SSC 以及後來 LHC 發展的歷程，您願意與中國學界和公眾分享關於 SSC 與 LHC 的歷史經驗與教訓嗎？

**答2：**即使在美國政府批准通過了 SSC 項目之後，來自各方面的反對意見仍然持續不斷。一部分反對意見來自那些小政府與低税收的鼓吹者，他們傾向於反對任何政府主導的大型項目，尤其是那些沒有立刻使很多人受益的大項目。SSC 項目顯然能為周邊地區帶來經濟利益，但受益人數是有限的。當時有一位參議員告訴我説，在 SSC 的選址決定下來之前，參議院的全部100名成員都對其青睞有加；可是一旦選址確定，贊成的人數便鋭減至兩人——即選址所在州的那兩位參議員。甚至在最終選址尚未確定之時，就有一位支持 SSC 的眾議院成員因為自己所在州已被排除在外而立刻反轉了立場。所有這些都是赤裸裸的政治行為，大概也不是美國獨有的。

來自科學界內部的反對聲音則更令人不安。沒有人聲稱 SSC 的科學探索不夠重要，但有些人極力主張 SSC 的經費更應該投向其他領域，比如他們自己的研究方向。（可是取消 SSC 項目並沒有給這些人帶來多少安慰，因為那些省下來的經費也沒有投入其他科學領域。）

LHC 的擁護者對 SSC 也造成了無形的負面影響，他們指出 LHC 可以利用現成的環形隧道節省開支。然而該環形隧道的周長較小，因此限制了 LHC 的對撞能量，只能達到 SSC 的1/3。但 LHC 的支持者們認為可以利用提高亮度的方法來彌補其能量上的不足，儘管提高亮度顯然也有其自身的困難，因為質子束在每次交叉時會發生多次碰撞。

對於 SSC 項目的中止，一個常見的解釋是其持續增長的開銷。反對者當然會拿此事大做文章，但我認為這個批評是不公正的。這個項目真正超出預算的比例大約為10%，通過對 SSC 粒子束孔徑的計算，這部分超出是必須的。除此之外其他任何超預算的部分都是因為國會推遲投資，導致工期拖延，從而產生了額外的人工費用。

扼殺 SSC 項目的主要原因是喬裝打扮成科學項目的國際空間站的競爭。這個項目計劃由得克薩斯州休斯敦的約翰遜航天中心主持。在德克薩斯州同時開展兩個大型科技項目從政治角度來看是不可能的，而空間站項目最終被選中。結果，空間站花費了 SSC 預算經費的十倍，但並沒有做出任何重要的科學研究。（一個可能的例外是阿爾法磁譜儀，但它也可以通過無人衞星的方式運行，甚至更佳，而且便宜很多。）

LHC 發現希格斯玻色子取得了巨大成功。但很清楚，無論 LHC 將來有多少機會做出進一步重要發現，具有更高對撞能量的 SSC 本來應該對未來提供更好的機會。

**問3：**也許您已聽説中國目前的“大型對撞機”方案，其第一階段 CEPC 是一台電子-正電子對撞機，在周長100公里的環形隧道中運行，其對撞能量可達250 GeV。該項目還允許未來潛在的第二階段計劃，即對撞能量可達100TeV 的質子-質子對撞機。今年8月20-21日，在中國高能物理學會主辦的“高能物理戰略研討會”上，這個項目被正式列為“高能物理第一優先項目”。這一計劃提出以來得到了國際高能界的普遍支持。您可能已經聽説中國就是否應該建造這個對撞機正在進行公開辯論。這場爭論是美籍華裔理論物理學者楊振寧於9月初挑起的。他歷來強烈反對中國的任何對撞機項目，包括目前由高能物理研究所所長王貽芳領導的CEPC-SPPC項目。很顯然，楊的反對主要是説這個項目對中國來説花費太高，他的誤解在於強調潛在的第二階段質子對撞機的造價。（據高能所團隊估計，CEPC 的總造價約為60億美元，分10年完成，其中25% 來自國際合作。在技術條件成熟後，SPPC預計在2040年代建造。）人們應該還記得，位於 CERN 的同一隧道的 LEP 和 LHC 是先後分別獲得審核與批准的。您的獨立觀點和來自國際上的建議對於中國將非常有幫助。您認為對 CEPC 投資值得嗎？這種國際合作項目對於全世界和中國社會將做出什麼貢獻呢？

**答3：**我對楊振寧的研究工作很尊重，但是我不同意他反對CEPC計劃的論點。其中一些論點非常眼熟，它們被一再用來反對各種大科學項目。

是的，我們有許多其他社會需求，包括環境、健康、教育等等方面。這些需求一直都有。但是，我們也需要藝術和科學，這些使我們的文明值得尊重。

是的，粒子加速器上的發現不像會帶來直接的實際應用。但是這些科學項目本身會以技術副產品的形式帶來重要的實用性後果。經常提到的例子有同步輻射，用於研究材料性質，以及萬維網。

但是一個較少被提到的副產品是人才培養。基本粒子物理學因其獨特的基礎性而吸引了許多聰明的年輕人，他們將形成一股擁有豐富技術經驗的骨幹力量，能夠解決很多社會問題。在二戰期間發展微波雷達、密碼破譯計算機、核武器等技術的科學家，在戰前從事的研究都是因為其基礎科學的重要性而非軍用價值。我曾有一名優秀的研究生，最初跟我學習基本粒子理論，後來轉而研究更實際的問題，並發展了一套世界領先的同位素分離方法。如果一個國家只追求有直接應用價值的研究，最終很可能既無法做出基礎性的重要發現，也無法做出有應用價值的研究。

楊教授的一個論點是，物理學可以通過尋找漂亮的幾何結構來取得進展，而不用建造加速器。這讓我想起另一位理論物理學家維爾納·海森堡在二戰後的立場：他反對德國在粒子加速器上投資，理由是物理學可以只通過對某些場論的理論研究而取得進步。【譯註2：這是指在德國二戰完敗之後，海森堡自1953年後的20年中致力於某種基本粒子統一場論的研究，眾所周知，他試圖推導的“世界方程式”以失敗而告終，隨後被物理學界所遺忘。】 為了嘗試理解強作用力，楊和米爾斯在沒有新實驗結果指導的情況下發展了一類場論，後來得到了實現。但只有在加速器實驗揭示了強作用力在高能量尺度下減弱的事實之後，人們才有可能猜測到能夠正確描述強作用力的楊－米爾斯場論的形式。而且，楊－米爾斯場論與電弱相互作用的相關也只有在加速器實驗發現弱中性流之後才能被確認。離開了實驗，理論走不了多遠。

（採訪人簡介：何紅建，清華大學物理學教授，長期從事粒子物理、宇宙學、量子引力及其交叉領域的研究。本文為採訪內容記錄，由王雨晨和鮮于中之博士將英文稿翻譯成中文，將由《數理人文》雜誌和 ICCM Notices 刊登中英文版）

以下是丘成桐教授對《中國新聞週刊》記者關於巨型對撞機問題的答覆：

**丘：**我與Steve Nadis合作寫《從萬里長城到巨型對撞機》，是因為我們覺得中國巨型對撞機這個項目非常令人興奮，該書試圖以公眾能理解的語言來解釋重要的科學領域如何受益於這個大型實驗設施。作為歐洲核子研究組織（CERN）的大型強子對撞機（LHC）的後繼者，計劃中的對撞機仍將是人類長達數個世紀認識物質的基本組成及其相互作用力的重要工具。新一代的儀器，如中國巨型對撞機，會對人類探索宇宙奧秘起著至關重要的推動作用。

你也知道，楊振寧教授最近公開反對中國投資建設巨型對撞機。雖然我無法估計他的觀點影響公共政策的程度，不過，我可以説的是，世界上有很多在高能物理領域取得重要成就的科學家與楊教授的立場是不同的，他們確信中國的高能物理所應該建設巨型對撞機。就個人而言，我希望看到巨型對撞機建在中國，因為這將極大提升中國的科學地位，並使中國在未來幾十年裏成為物理研究的世界中心。

如果你還有其他問題，我很樂意回答，也可以推薦你與一些著名的物理學家（如David Gross、Edward Witten和Nima Arkani-Hamed等）聯繫，你將會瞭解到他們與楊教授很不一樣的看法。

**問：**根據楊振寧與王孟源的文章，似乎繼續研究希格斯粒子的科學價值並不大，而中國大對撞機的第一階段CEPC，主要科學目標就是希格斯粒子。那麼，高能物理的發展，是否可以繞過對希格斯粒子的進一步瞭解而繼續發展？

**丘：**判斷希格斯粒子研究的科學價值，還是要聽在高能物理前沿實際從事研究工作的專家的意見。希格斯粒子的發現有劃時代的重要性，它是進一步探測新物理現象最重要的線索和窗口。但是它身上還有很多謎。希格斯粒子與大部分標準模型的現有疑問有關。希格斯工廠今天不做，未來會有人去做；中國不做，會有別的國家去做，這是通往高能物理不可繞過的一步。

**問：**我看完您的書，有一個結論：CEPC-SPPC的重心在後者，能夠發現更多有價值成果的設備是SPPC。請問是否是這樣？如果是，假設CEPC建成了，但由於外部原因沒能繼續建設SPPC，這是否是一種巨大浪費？

**丘：**建立CEPC 可以對希格斯粒子進行精確的測量，希望找到新的物理線索，這些線索又可以指導SPPC如何找到新的物理現象。

SPPC要探索更高的新能區，兩者先後順序不同，相互補充，而又相互獨立，因此不存在你所説的浪費情形。

事實上，即使SPPC不建，CEPC 的科學意義也值得我們去建立，絕對不是浪費。假如因為人為原因而不去找尋我們有能力找得到的真理，中國確是會喪失一個千載一時的機會。

**問：**作為一名數學家，您對對撞機如此感興趣，除了您書中所説的那些原因之外，是否還包括希望通過對撞機發現超對稱粒子，來驗證自己的研究理論這一原因？

**丘：**我從來沒有説過對撞機要驗證我自己的硏究理論，事實上，雖然我很多工作跟物理很接近，也對理論物理做了不少貢獻，哈佛大學物理系也因此聘請我做他們的教授，但我沒有去硏究建立物理模型的學問，所以當財新的記者硬説我要驗證我的學説時，我有點啼笑皆非。

但是有一點我可以聲明的是，我們做的很多理論，無論是數學的，或是物理的，假如它們離去大自然的現象太遠後，這些理論都會變得不重要。所以我一直注意實驗物理的進展。

楊先生著名的規範場理論，本來是楊先生和他合作的夥伴Mills在古典的物理意義下來討論的，當時提出來，就受到Pauli的質疑有差不多廿年光景，在實驗室中看不到它的物理意義。幸好在七零年初期，歐美幾個名家將它成功的量子化，因此可以用來描述實驗室中得出來的粒子現象，沒有量子化，就無從得知本來的楊-Mills理論的重要性。所以沒有實驗驗證的物理學很難成長！因此楊先生反對大型對撞機，對所有高能物理學家來説，都是很覺得驚訝的！

超對稱這個觀念是在七零年代初期有好幾個物理學家提出的，我本人當時還年輕，沒有參與中間的工作，坦白説，我也沒有這個原創力。這是一個很漂亮的觀念，它不單影響理論物理物理的發展，也對數學有極為深刻的影響！我記得楊先生對我説過，他在石溪成立的物理硏究所最大的成果就是：石溪所裏的教授將超對稱的觀念成功地和引力場融合在一起。

我們當然都希望大型對撞機會找到超對稱粒子。假如超對稱被證實存在的話，很多高能物理學家都認為，這個發現會是廿一世紀科學上最大的成就。我們希望它在中國的土壤上被首先找到！這個成就絕對可以比美中國古代的四大發明。

**問：**目前，國內外的高能物理學家似乎都一致支持該項目，而非該領域的其他物理學家中則以反對者居多。您怎麼看這一現象？

**丘：**在極度尖端的科學麪前，還是專家的意見重要。就如現在我們看病，必要用最先進的儀器來找出生病的原因，不去瞎猜！事實上，我們也聽到很多非高能領域的物理學家支持的意見。有些中國科學家卻擔心自己領域經費受到影響，不是科學上的原因。