標準模型創始人之一談對撞機

何紅建：溫伯格教授，非常高興采訪您。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，在其中解釋了為什么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，就仿佛記錄某種未知語言的符號。我們盯著它們看了幾十年，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的能量進行質子一質子對撞，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8月份的國際高能物理會議（ICHEP）尚未公布新物理發現，您愿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？

溫伯格：LHC在其能力范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，一切都強烈地暗示著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。這無疑為LHC的規劃指明了方向。

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于被LHC發現的潛力范圍之內。我們只能等待LHC運行，看看其結果如何。

何紅建：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。美國國會于1993年取消SSC項目，對于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的質心系能量進行質子對撞，是位于日內瓦歐洲核子中心CERN的LHC目前第二輪運行能量（13TeV）的3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，也并不意外，因為我們都知道，具有40TeV對撞能量的SSC正是被設計成一臺更可靠地確保在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，從而指明了21世紀基礎物理學發展的新方向。由于您親眼目睹了SSC以及后來LHC發展的歷程，您愿意與中國學界和公眾分享關于SSC與LHC的歷史經驗與教訓嗎？

溫伯格：即使在美國政府批準通過了SSC項目之后，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稅收的鼓吹者，他們傾向于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說，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，贊成的人數便銳減至兩人——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項目并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，盡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。

對于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，但并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衛星的方式運行，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。

何紅建：也許您已聽說中國目前的“大型對撞機”方案，其第一階段CEPC是一臺電子一正電子對撞機，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。您可能已經聽說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于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，楊的反對主要是說這個項目對中國來說花費太高，他的誤解在于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。在技術條件成熟后，SPPC預計在2040年代建造。）人們應該還記得，位于CERN的同一隧道的LEP和LHC是先后分別獲得審核與批準的。您的獨立觀點和來自國際上的建議對于中國將非常有幫助。您認為對CEPC投資值得嗎？這種國際合作項目對于全世界和中國社會將做出什么貢獻呢？

溫伯格：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后果。經常提到的例子有同步輻射，用于研究材料性質，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干力量，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，后來轉而研究更實際的問題，并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·海森伯在二戰后的立場：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。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，后來得到了實現。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后，人們才有可能猜測到能夠正確描述強作用力的楊一米爾斯場論的形式。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后才能被確認。離開了實驗，理論走不了多遠。