温伯格、丘成桐：如何看待中国的“大型对撞机”辩论

近日，《从万里长城到巨型对撞机》作者、哈佛大学丘成桐教授和诺奖得主、SSC项目（美国下马的超级对撞机项目）推手温伯格教授，都接受了采访，评论了中国就是否应该建造大型对撞机（CEPC-SPPC项目）所进行的公开辩论。观察者网转载采访内容如下：

以下是温伯格教授接受清华大学物理系何红建教授采访的中译文：

**问1：**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-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%. 虽然八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？

**答1：**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【译注1：这是指2012年 LHC 发现了质量为125GeV的希格斯玻色子】。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。

**问2：**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）的三倍。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？

**答2：**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。当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。

**问3：**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-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？

**答3：**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·海森堡在二战后的立场：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。【译注2：这是指在德国二战完败之后，海森堡自1953年后的20年中致力于某种基本粒子统一场论的研究，众所周知，他试图推导的“世界方程式”以失败而告终，随后被物理学界所遗忘。】 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－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。

（采访人简介：何红建，清华大学物理学教授，长期从事粒子物理、宇宙学、量子引力及其交叉领域的研究。本文为采访内容记录，由王雨晨和鲜于中之博士将英文稿翻译成中文，将由《数理人文》杂志和 ICCM Notices 刊登中英文版）

以下是丘成桐教授对《中国新闻周刊》记者关于巨型对撞机问题的答复：

**丘：**我与Steve Nadis合作写《从万里长城到巨型对撞机》，是因为我们觉得中国巨型对撞机这个项目非常令人兴奋，该书试图以公众能理解的语言來解释重要的科学领域如何受益于这个大型实验设施。作为欧洲核子研究组织（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的后继者，计划中的对撞机仍将是人类长达数个世纪认识物质的基本组成及其相互作用力的重要工具。新一代的仪器，如中国巨型对撞机，会对人类探索宇宙奥秘起著至关重要的推动作用。

你也知道，杨振宁教授最近公开反对中国投资建设巨型对撞机。虽然我无法估计他的观点影响公共政策的程度，不过，我可以说的是，世界上有很多在高能物理领域取得重要成就的科学家与杨教授的立场是不同的，他们确信中国的高能物理所应该建设巨型对撞机。就个人而言，我希望看到巨型对撞机建在中国，因为这将极大提升中国的科学地位，并使中国在未来几十年里成为物理研究的世界中心。

如果你还有其他问题，我很乐意回答，也可以推荐你与一些著名的物理学家（如David Gross、Edward Witten和Nima Arkani-Hamed等）联系，你将会了解到他们与杨教授很不一样的看法。

**问：**根据杨振宁与王孟源的文章，似乎继续研究希格斯粒子的科学价值并不大，而中国大对撞机的第一阶段CEPC，主要科学目标就是希格斯粒子。那么，高能物理的发展，是否可以绕过对希格斯粒子的进一步了解而继续发展？

**丘：**判断希格斯粒子研究的科学价值，还是要听在高能物理前沿实际从事研究工作的专家的意见。希格斯粒子的发现有划时代的重要性，它是进一步探测新物理现象最重要的线索和窗口。但是它身上还有很多谜。希格斯粒子与大部分标准模型的现有疑问有关。希格斯工厂今天不做，未来会有人去做；中国不做，会有别的国家去做，这是通往高能物理不可绕过的一步。

**问：**我看完您的书，有一个结论：CEPC-SPPC的重心在后者，能够发现更多有价值成果的设备是SPPC。请问是否是这样？如果是，假设CEPC建成了，但由于外部原因没能继续建设SPPC，这是否是一种巨大浪费？

**丘：**建立CEPC 可以对希格斯粒子进行精确的测量，希望找到新的物理线索，这些线索又可以指导SPPC如何找到新的物理现象。

SPPC要探索更高的新能区，两者先后顺序不同，相互补充，而又相互独立，因此不存在你所说的浪费情形。

事实上，即使SPPC不建，CEPC 的科学意义也值得我们去建立，绝对不是浪费。假如因为人为原因而不去找寻我们有能力找得到的真理，中国确是会丧失一个千载一时的机会。

**问：**作为一名数学家，您对对撞机如此感兴趣，除了您书中所说的那些原因之外，是否还包括希望通过对撞机发现超对称粒子，来验证自己的研究理论这一原因？

**丘：**我从来没有说过对撞机要验证我自己的硏究理论，事实上，虽然我很多工作跟物理很接近，也对理论物理做了不少贡献，哈佛大学物理系也因此聘请我做他们的教授，但我没有去硏究建立物理模型的学问，所以当财新的记者硬说我要验证我的学说时，我有点啼笑皆非。

但是有一点我可以声明的是，我们做的很多理论，无论是数学的，或是物理的，假如它们离去大自然的现象太远后，这些理论都会变得不重要。所以我一直注意实验物理的进展。

杨先生著名的规范场理论，本来是杨先生和他合作的伙伴Mills在古典的物理意义下来讨论的，当时提出来，就受到Pauli的质疑有差不多廿年光景，在实验室中看不到它的物理意义。幸好在七零年初期，欧美几个名家将它成功的量子化，因此可以用来描述实验室中得出来的粒子现象，没有量子化，就无从得知本来的杨-Mills理论的重要性。所以没有实验验证的物理学很难成长！因此杨先生反对大型对撞机，对所有高能物理学家来说，都是很觉得惊讶的！

超对称这个观念是在七零年代初期有好几个物理学家提出的，我本人当时还年轻，没有参与中间的工作，坦白说，我也没有这个原创力。这是一个很漂亮的观念，它不单影响理论物理物理的发展，也对数学有极为深刻的影响！我记得杨先生对我说过，他在石溪成立的物理硏究所最大的成果就是：石溪所里的教授将超对称的观念成功地和引力场融合在一起。

我们当然都希望大型对撞机会找到超对称粒子。假如超对称被证实存在的话，很多高能物理学家都认为，这个发现会是廿一世纪科学上最大的成就。我们希望它在中国的土壤上被首先找到！这个成就绝对可以比美中国古代的四大发明。

**问：**目前，国内外的高能物理学家似乎都一致支持该项目，而非该领域的其他物理学家中则以反对者居多。您怎么看这一现象？

**丘：**在极度尖端的科学面前，还是专家的意见重要。就如现在我们看病，必要用最先进的仪器来找出生病的原因，不去瞎猜！事实上，我们也听到很多非高能领域的物理学家支持的意见。有些中国科学家却担心自己领域经费受到影响，不是科学上的原因。