杨振宁的最后一战，没那么简单（文科生慎入）_风闻

最近，一篇名为《杨振宁的最后一战》的文章刷屏朋友圈。中国应不应该花费数百亿建“环形正负电子对撞机”，成为了萦绕在大家心头的“天问”。说句实在话，“环形正负电子对撞机”还真是想回答“天问”的——“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”如果屈原还在，也许真是一位支持者。

用物理学的话说，“天问”相当于“追问终极理论”。20世纪中叶以来，追问终极理论的“天命”落在了高能物理学家的手里。但是，和过去搞高能物理演算费纸不一样，现在搞，费钱。

对于我们来说，理解物理学家之间的争论，跟理解“神仙打架”差不多，还要迈过三座大山：什么是终极理论？为什么要通过“超对称”“弦理论”和对撞机来追求它？花360亿人民币造“环形正负电子对撞机”，能干些啥？

同时，必须指出的是，仅仅用两个划分出的对立的派别、个人利益的计算和“结盟”、以及大量想当然的“细节”，来阐释绵延数十年的科学争议、物理问题，是需要我们清醒地打上一个问号的。

01

“有律在，必须发现它”

1902年，美国实验物理学家Albert Michelson说过一句名言：“从众多表面相隔遥远的思想领域出发的路线会聚到……一片共同的土地上来的日子，不会太远了。”

这是19世纪末、20世纪初物理学界的普遍心态。1875年，普朗克走进慕尼黑大学时，物理学教授Philip Jolly劝他别学自然科学，因为没什么东西可发现了。密利根也回忆过：“1894年，我住在64号大街一座5层的公寓，室友是4个哥伦比亚大学的研究生，一个学医，另外三个学政治学和社会学，我总被他们嘲笑学的是‘到头了的’物理学科。”

也不是乐观，而是因为大家都绝望了：牛顿和他的追随者，不可能解决所有科学的问题。那么化学的归化学，物理的归物理，反正不可能存在一个“包打天下”的终极理论。

爱因斯坦是那种明确追求终极理论的科学家。他的传记作者说他是“典型的旧约人物，抱着耶和华式的态度——有律在，必须发现它。”爱因斯坦生命的最后30年几乎全部献给了统一场论，但是，这个统一麦克斯韦电磁论和广义相对论的理论，失败了。

爱因斯坦拒绝了“量子力学”。而20世纪20年代中期出现的量子力学，则是17世纪现代物理学诞生以来最深刻的革命，它给物理学家带来了终极理论的模模糊糊的影子。

对牛顿和追随者来说，物理学需要提供一个数学计算器，让物理学家能够根据任何系统的粒子在某一时刻的位置和速度的数值，去计算它们在未来某一时刻的数值。但是，量子力学引入的是新的描述方法，波函数只告诉人们粒子的可能位置、速度的几率。

高能物理也叫粒子物理，主要研究的就是比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质；以及在很高的能量下，这些物质相互转化的现象，产生这些现象的原因和规律。

 图源：中科院高能所

如果组成物质的最基本单位——粒子的规律搞清楚了，离“终极理论”也就真的不远了。但是，20世纪70年代末以来，高能物理学家都是垂头丧气的：标准模型的bug有点多。

首先，标准模型描述了电磁力和强弱力，却没有一个最出名的力——引力。不是高能物理学家故意不加它，而是在模型里描述引力，数学障碍翻不过去。其次，强力在模型里的存在特别“违和”。第三，电磁力和弱力存在很明显的区别，但是没人知道怎么产生的。最后，这个标准模型只是根据实验得出来的，很多特征显得很“随意”，看上去都推翻了也问题不大。

标准模型的所有问题，多多少少都关联着一个现象——“自发对称性破缺”。

02

“上锁房间里的谋杀案”

广义相对论和基本粒子的标准模型，有一个共同的特征，服从对称性原理。简单来说，对称性原理指的是从不同的角度看某个事物，这个事物都是一样的。比如人的左右脸。

在自然界里，重要的不是事物的对称，而是定律的对称：当我们改变了观察自然现象的角度时，看到的自然定律不改变。无论你在大兴安岭还是夏威夷，苹果熟了都要掉地上。这是经典物理学的对称性。

量子力学里也是。电子的能量、动量和自旋加上一个对称性，刻画出电子的量子力学波函数在对称变换下的响应。说白了，不需要再考察物质，靠对称性原理加上描述的波函数，就能观察粒子。

所以，标准模型里的“自发对称性破缺”，是高能物理学家目前想知道的事情里面最重要的事情了。

 图源：中科院高能所

对这个现象描述得最好的人，是爱丁堡大学的希格斯，他假定解决这个问题需要新粒子存在——希格斯粒子。而且，一旦解决了希格斯粒子，收获还远大于解决了“自发对称性破缺”，连其他粒子的质量也一并解决了。

但是，基本粒子之间存在着巨大的能量差别，观察基本粒子也没有什么好办法，真是“上锁的房间里发生了谋杀案”。于是有人又引入了新的概念“超对称性”，把能量差异和对称破缺归咎于某个新的、外来的强场。

相对于高能物理在标准模型上打转，弦理论引入了一个新的物理实体——弦。它组成了质子、电子和中子，可以看成是光滑的空间结构里的一维的微小裂缝。每根弦都可能处于无限多个可能振动的状态。而且，作为弦理论的数学结果的新的零质量粒子，被认为是真正的引力子——这就解决了标准模型里没有引力的问题。

很多物理学家认为，面对终极理论的大决战就要到来了。

粒子物理学标准模型，希格斯玻色子占据核心位置（图源：LHC 官网）

弦理论也很快冷了下来。它们算是最具“数学和谐”意义的理论，不过，正如Paul Davies所说，“弦论确实预言了一些新东西，但在可以预见的未来，这些预言几乎肯定没法检验”。物理学毕竟和数学不同，光揭示抽象真理不行，还得关心其在现实世界的对应。

“终极理论”之所以“终极”，是由于人们期待它把某一种科学探索引向终点：就是它了！不会再有更深层的原理来解释它了！今天看来，我们离终极理论，还是很遥远的。

03

“有生之年”

对于高能物理学家来说，建一个“超级对撞机”，绝对是“有生之年”的追求。

因为超级对撞机不仅能回答标准模型的“自发对称性破缺”问题，还能靠产生的亿万伏特的能量，生成希格斯粒子，还能解决更深一层的关于强力、弱力、引力的统一问题。这是现有的力量至少可以完成的东西。

另外一条路需要在普朗克能量下进行实验，已经超出了人类现有的能力，要比对撞机达到的能量高上亿倍——这也是弦理论激发第一个弦振动模式所需要的最低能量。能量本身不难达到，也就等于一箱汽油的化学能，关键是要把这些能量集中在一个质子或电子上。

当然，最好的结果是，超级对撞机的实验结果，就能验证“大一统”问题，也就省得再去研究普朗克能量下的粒子了。

除此之外，超级对撞机还能找找宇宙中丢失的“暗物质”、组成质子的夸克里的粒子、新类型的力等等。

目前，欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）是世界上最大的粒子加速器，位于法国和瑞士边界，2012年找到了“上帝粒子”——希格斯玻色子。

长达27公里的大型强子对撞机（LHC）

上世纪80年代，美国也计划建造超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，简称SSC），计划环的周长为87km，初始运行的主要目标是实现质子-质子的对撞，束流的能量为20万亿伏特，比LHC阔气得多。

本来连地点都选好了，在德克萨斯的埃利斯，但是国会的反对意见非常大，有的议员直接管SSC项目叫“夸克桶”计划，因为人们管政治捐款就叫“猪肉桶”——讽刺高能物理学家简直是抢纳税人的钱。

环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider，简称CEPC)，是一个长达50–70km的环形加速器，是中国独立提出的新一代粒子加速器的概念。

它有两个工作阶段，第一阶段用做环形正负电子对撞机，第二阶段则是将其升级为超级质子对撞机，可以对希格斯粒子以及其他的标准模型粒子进行精确测量，具备很大的、新的物理发现能力。

CEPC 的相关演示（图源：中科院高能所）

虽然有林林总总的意见，但决定超级对撞机命运的，只有一个核心因素：钱。

钱是稀缺资源，给了A，就不够给B。而且，很多见效快的、关乎国计民生的应用科学，也在“盼星星盼月亮”。关于终极理论的东西，好像等五年和等十年，区别也没那么大。而可见的损失只是各国的科学天才们不来了——搞高能物理的不说个个是“天才”，也不会比《生活大爆炸》里的科学家原型差；或者一些可能受到粒子碰撞启发的基础技术没什么机会面世了。

关键是，谁也不知道，一个对撞机，到底能让我们迈出通向终极理论的哪一步；或者说，高能物理，是不是早就走进了死胡同？风险大，回报难以预期，决策起来就会很艰难。

这种希望暂时只能保存在科幻小说里。刘慈欣的科幻小说《朝闻道》中，一个世界最大的粒子加速器已经建成了，叫“爱因斯坦赤道”，足足绕地球一周，就是为了建立宇宙的大统一模型。

直到今天，我还记得17年前一边读小说一边哭的感觉，那种感觉就如小说的题目而言——“朝闻道，夕死可矣”。

作者 | 南风窗高级记者 荣智慧

排版 | 凑凑

图片 | 部分来源于网络

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