郭晓明：杨振宁给高能物理的困境留了个面子

最近，网络媒体公开讨论中国是否建造大型对撞机的问题。丘成桐支持中国建筑大型对撞机，而杨振宁则反对。如果我们不深究大型对撞机究竟解决什么问题，而只就资质和学术权威而论，当然是听杨振宁的，因为杨振宁是高能物理规范场理论的创建人，而丘成桐是数学家。

当然，对于耗费巨大的这样一个项目，需要从国家战略高度来推敲，究竟于国家、人民有用无用，这也是双方争论的焦点之一。

但笔者还是想回到物理问题本身，毕竟建个项目不管“预期”有多少好处，本职工作总还是要先考虑的。

杨振宁在文章最后提到：“不建超大对撞机，高能物理就完全没有前途了吗？不然。我认为至少有两个方向值得探索：A. 寻找新加速器原理。B.寻找美妙的几何结构，如弦理论所研究的。”这话讲得很含蓄，但还是可以看出，是对现在的方向不大认同的。

杨老没有充分展开，其实之前已经有反对者提出了高能物理学科发展的困境。那么高能物理究竟出了什么问题呢？

高能物理源于人类对原子核的认识的需要，是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。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，可以说是粒子科学一大进步。

然而，构建夸克理论用的对称性，必须假设有六个夸克，其它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，必须有对撞机粒子对撞才能观测到，观测完以后这些粒子又消失了，就是寿命及短。 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，支持了他们的论点，后来吴健雄实验再次证实了他们的论点，他们因此得到诺贝尔奖。

杨振宁教授近照

用60多个粒子来解释3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它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守恒公式，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，只要加上几个天球，就可以解释不规则的行星运动，这是了不起的天体运动理论。用天球叠天球就可以扩展和完善这个地心说理论，只要有足够多的天球，就可以足够精确解释所有不规则的星体运动。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，理论效率比每个行星都用几个天球去解释理论效率高多了。

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，满足于叠加足够都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。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，高能理论过于厚重。

CERN的大型强子对撞机

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。

然而，就国家战略而言，高能物理科学不是问题的全部，工程技术也很重要。对于这点，力推对撞机的高能所所长王贻芳给出了很好的解答。要建一个大型对撞机，显然对材料和工程设计都是一个很高的要求。科学研究不是那么势利眼，不能急功近利，科学研究应该允许一些不着边际的好奇心探索。

作为战略投资，国家决策就不一样，投资讲回报。如果这个项目是一个国际科技合作的平台，合作各国出资应该是出资让他们的科学家、工程师和技术员来华和中国工作，而不是各国各做项目其中一部分，各国各做一部分管理成本太高，而且一个部分卡着就整个项目被拖延，烂尾楼风险太大。从项目资金流管理来说，项目要分期，每一期完成需要产生一些可应用成果，建造可以产生高能辐射的常规实验室，用于工业检验和科学实验，用于国民经济其他技术研发。要充分发挥建造工程的科学技术溢出效应，要有有效的机制让项目建设的技术公关成果最大限度产生它可能的商业应用，激发创新产业。这可以是G20达成的以创新带动全球经济目标的一个科技合作切入点。

中国对科学要有更大的贡献。建实验室验证现有的科学猜想这样的贡献太小，不如中国自己的科学家另辟蹊径对物理学来一个地心说到日心说的革命来的贡献大。中国年轻物理学家应该有自己的雄心壮志，要站在前人的肩膀上，而不是跟着前人的脚印亦步亦趋。作为国策投资项目，建造大型撞机更重要的不是验证高能物理的某一个猜想，而是要着眼怎样用项目提高中国整体科技水平，怎样配合创新产业的发展，怎样吸引国际顶尖科学家和工程师来华工作。项目评估要对项目相关各个利益集团和政治势力的厉害冲突保持清醒认识，要防止这个项目诱导中国物理学界误入歧途钻进象高能粒子物理的牙塔出不来，反而阻碍了中国科技发展大计。

**作者简介：**郭晓明，加拿大麦吉尔大学物理学博士，中国科学技术大学科技与战略风云学会研究员，曾任汇丰证券信息安全副官、贵州大学社会科学研究所所长、加拿大劳里尔大学商学院和物理计算机系兼职教授，微博账号@西西河氏唵啊吽 。

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