江晓原:大对撞机:杨振宁为什么说“盛筵不再”?

选择字号:   本文共阅读 18232 次 更新时间:2024-05-22 20:53

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江晓原 (进入专栏)  

如果说能够将粒子加速到1万亿电子伏以上能量的,才够资格称为大型对撞机,那么目前世界上只有一台这样的装置,即欧洲的大型强子对撞机(LHC),由欧洲40个国家参与建设,坐落于瑞士与法国交界之处。不过,关于要不要建造大型对撞机,却长期在美国形成剧烈争论,导致美国的超导超级对撞机(SSC)在已经花费了数十亿美元之后被迫下马。这样的争论甚至还蔓延到了中国国内。

 

对撞机的前世今生

对撞机的基本原理其实并不复杂,它源于早期的回旋加速器——将质子在环形轨道的磁场中尽可能加速,让它们相互撞击。最初这个想法是在很小的装置中实现的,但后来人们将装置越做越大,最终大到难以想象的地步。

1919年,英国物理学家卢瑟福(E. Rutherford)用天然放射中的粒子撞击,提出了原子模型理论,当时他实验室中的粒子能量,和现代大型对撞机相比是微不足道的,卢瑟福的努力目标只是10MeV(一千万电子伏。1 MeV=106电子伏,1电子伏表示1个电子在1伏电压加速下获得的能量)量级,装置都是他和助手用手工做出来的,大小可以让他抱着放在膝头。1932年在美国出现的第一台直流加速器,能量仅0.4 MeV,后来美国“大科学”的缔造者劳伦斯(E. Lawrence)亲手制作的第一台回旋加速器,只花了不到100美元。

为了将粒子加速到更高的能量,人们就将装置越做越大。劳伦斯建成的能量为8 MeV的加速器重85顿,布鲁克海文国家实验室1952年建成了3 GeV(3´109电子伏,即30亿电子伏)的加速器,劳伦斯实验室1953年建成的加速器能量达到6.2GeV。

最初的回旋加速器都是让被加速的粒子去撞击静止的“靶”,但是如果能够将前去撞击的粒子和作为“靶”的粒子同时加速,让它们迎头相撞,撞击能量不就更大了吗?1960年意大利科学家首次提出了这一设想,并且在实验室中实现了,于是加速器进入对撞机时代。

 

争议中的SSC及其下马

二战结束之后,建设加速器在美国成为一种象征科学进步、标志地区发展的时髦,也成为物理学家和政客之间博弈的题目。例如1953年芝加哥大学等15所中西部高校成立了一个联盟“中西部大学研究协会”(MURA),据格林伯格(D. S. Greenberg)说,联盟“唯一目的是在中西部地区建造和运营大型粒子加速器”。

这种时髦不是只出现在美国。一个非常有趣的例子是,当时美国和苏联科学家都不约而同地夸大对方在加速器方面的投入,然后以此说事,为自己争取更多的政府拨款。当时苏联宣称,在莫斯科附近的杜布纳研究所,一座世界上最大的加速器即将完工,能量将高达10 GeV(100亿电子伏),将在高能加速器领域长期领先,这让冷战中的美国科学界感到焦虑和恐惧。到1956年美国科学家首次访问杜布纳,“这种恐惧得到证实”,回国后的美国科学家“滔滔不绝地表达焦虑”。据说杜布纳的加速器直径为700英尺,一派“令人惊叹的景象”。一个让美国科学家印象极为深刻的细节是:杜布纳项目的负责人维克斯勒教授在被问到项目的经费问题时表示:建造这一机器的决定既已下达,经费就是无限的。这几乎让美国科学家以为苏联在搞另一个曼哈顿工程。

多年后人们当然知道,美国科学家当时夸大其辞的焦虑和恐惧,并未在事实上变成现实。而他们的苏联同行,其实也曾向克里姆林宫夸大美国在高能加速器领域的进展,为自己争取更多的拨款。

在冷战的历史背景中,美国的超导超级对撞机(SSC)设想于1982年提出,计划中要将质子加速到20TeV(20´1012电子伏,即20万亿电子伏),约相当于欧洲现存的大型强子对撞机的三倍(LHC能将质子加速到7 TeV)。但是时移世易,这个空前宏大的计划,没有以往曾经成功的那些加速器/对撞机那么幸运了。

SSC项目启动几年之后,冷战就以西方集团的胜利而结束了,曾经被大肆渲染的苏联在高能物理领域领先的恐惧霎时烟消云散。而这种大型装置的建设,又难免旷日持久而且费用浩繁(欧洲建设LHC花了25年,100亿美元),质疑的声音渐渐就大了起来。

曾担任美国橡树岭国家实验室主任的阿尔文·温伯格(A. Weinberg),似乎更应该力挺SSC,却成了反对派,他认为国家将巨额科研经费花在SSC这样的项目上有害无益。他针对这类“大科学”项目提出了三个问题:它会不会破坏科学?它会不会在经济上毁了美国?我们是否应该将这些资金用于根除疾病或其他直接有助于人类福祉的努力,而不是用于太空旅行或粒子物理之类的“壮观”方面?也有的物理学家很早就表示:“我们目前并不期望高能物理学在不久的将来会有实际效益。”

当然有不少物理学家为SSC辩护,但他们的理由不外乎满足科学家的好奇心、了解自然规律、寻找“上帝粒子”、学术自由之类,而这些理由已经很难说服质疑者了。力挺SSC的物理学家斯蒂芬·温伯格(S. Weinberg)不止一次提到一件事,他问一位议员:SSC能帮助我们了解自然规律,这值不值得优先考虑?议员明确回答:“不值得”。在这个问答中,双方都认为自己的意见是天经地义的。

最终,物理学家无法说服议员们同意继续建造SSC这件“大玩具”,1993年SSC项目被国会否决,半途而废。

 

杨振宁早有先见之明

SSC下马之后,世界上只剩下欧洲的LHC仍继续建设,最终在2008年建成,在2012年发现了所谓的“上帝粒子”(希格斯玻色子)。然而这既没有让欧洲在科技上胜过美国,也没有带来物理学上的突破。

随着中国的崛起,一些人又将建造“大玩具”的希望寄托到了中国。2010年代国内曾出现一波关于中国要不要建造大型对撞机的激烈争论,争论中杨振宁明确表示了反对意见,而他的这个意见源于40年前他对物理学发展前景的洞察。

1972年杨振宁第二次回国,从6月27日~7月5日,被安排与中国科技界进行了10场演讲和座谈。在一次座谈会上,杨振宁就明确表示:“对于造一万亿电子伏的加速器我不乐观”——他的意思是说,对于高能物理的发展,此后主要不是加大加速器/对撞机的能量,而是需要物理观念的突破。有人提到日本打算花一亿美元造10GeV(一百亿电子伏)加速器之事,当时杨振宁也认为没有必要。

杨振宁在座谈会结束时表示:“在座的有许多位赞成中国造大加速器,这是我没有预料到的。对我来说,这个问题是很明显的,造贵的加速器与目前中国的需要不符合……我相信,我的想法是对的。”

40年后,针对在中国造大型对撞机的呼吁,杨振宁于2016年9月4日在《知识分子》发表长文,再次明确表示反对。他还在2019年一次采访中明确指出:“这领域不只是从今天开始,而是从30年以前开始,就已经走在末路上了……The party is over”——“盛筵不再”,这是一个曾经在物理学上青史留名的智者的真诚告诫。

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文章来源:本文转自《第一财经日报》2024年1月24日,转载请注明原始出处,并遵守该处的版权规定。

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