楊振寧的最後一戰,沒那麼簡單

環形正負電子對撞機（CEPC）計劃是中國科學家於2012年提出的，旨在高能物理領域探索和理解希格斯粒子性質、宇宙早期演化、反物質丟失、尋找暗物質、真空穩定性等一系列未解的關鍵科學問題和尋找新的物理規律。

最近，一篇名為《楊振寧的最後一戰》的文章刷屏朋友圈。中國應不應該花費數百億建「環形正負電子對撞機」，成為了縈繞在大家心頭的「天問」。說句實在話，「環形正負電子對撞機」還真是想回答「天問」的——「遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？」如果屈原還在，也許真是一位支持者。

用物理學的話說，「天問」相當於「追問終極理論」。20世紀中葉以來，追問終極理論的「天命」落在了高能物理學家的手裡。但是，和過去搞高能物理演算費紙不一樣，現在搞，費錢。

對於我們來說，理解物理學家之間的爭論，跟理解「神仙打架」差不多，還要邁過三座大山：什麼是終極理論？為什麼要通過「超對稱」「弦理論」和對撞機來追求它？花360億人民幣造「環形正負電子對撞機」，能幹些啥？

同時，必須指出的是，僅僅用兩個劃分出的對立的派別、個人利益的計算和「結盟」、以及大量想當然的「細節」，來闡釋綿延數十年的科學爭議、物理問題，是需要我們清醒地打上一個問號的。

「有律在，必須發現它」

1902年，美國實驗物理學家Albert Michelson說過一句名言：「從眾多表面相隔遙遠的思想領域出發的路線會聚到……一片共同的土地上來的日子，不會太遠了。」

這是19世紀末、20世紀初物理學界的普遍心態。1875年，普朗克走進慕尼黑大學時，物理學教授Philip Jolly勸他別學自然科學，因為沒什麼東西可發現了。密利根也回憶過：「1894年，我住在64號大街一座5層的公寓，室友是4個哥倫比亞大學的研究生，一個學醫，另外三個學政治學和社會學，我總被他們嘲笑學的是『到頭了的』物理學科。」

也不是樂觀，而是因為大家都絕望了：牛頓和他的追隨者，不可能解決所有科學的問題。那麼化學的歸化學，物理的歸物理，反正不可能存在一個「包打天下」的終極理論。

愛因斯坦是那種明確追求終極理論的科學家。他的傳記作者說他是「典型的舊約人物，抱著耶和華式的態度——有律在，必須發現它。」愛因斯坦生命的最後30年幾乎全部獻給了統一場論，但是，這個統一麥克斯韋電磁論和廣義相對論的理論，失敗了。

愛因斯坦拒絕了「量子力學」。而20世紀20年代中期出現的量子力學，則是17世紀現代物理學誕生以來最深刻的革命，它給物理學家帶來了終極理論的模模糊糊的影子。

對牛頓和追隨者來說，物理學需要提供一個數學計算器，讓物理學家能夠根據任何系統的粒子在某一時刻的位置和速度的數值，去計算它們在未來某一時刻的數值。但是，量子力學引入的是新的描述方法，波函數隻告訴人們粒子的可能位置、速度的機率。

高能物理也叫粒子物理，主要研究的就是比原子核更深層次的微觀世界中物質的結構性質；以及在很高的能量下，這些物質相互轉化的現象，產生這些現象的原因和規律。

如果組成物質的最基本單位——粒子的規律搞清楚了，離「終極理論」也就真的不遠了。但是，20世紀70年代末以來，高能物理學家都是垂頭喪氣的：標準模型的bug有點多。

首先，標準模型描述了電磁力和強弱力，卻沒有一個最出名的力——引力。不是高能物理學家故意不加它，而是在模型裡描述引力，數學障礙翻不過去。其次，強力在模型裡的存在特別「違和」。第三，電磁力和弱力存在很明顯的區別，但是沒人知道怎麼產生的。最後，這個標準模型只是根據實驗得出來的，很多特徵顯得很「隨意」，看上去都推翻了也問題不大。

標準模型的所有問題，多多少少都關聯著一個現象——「自發對稱性破缺」。

「上鎖房間裡的謀殺案」

廣義相對論和基本粒子的標準模型，有一個共同的特徵，服從對稱性原理。簡單來說，對稱性原理指的是從不同的角度看某個事物，這個事物都是一樣的。比如人的左右臉。

在自然界裡，重要的不是事物的對稱，而是定律的對稱：當我們改變了觀察自然現象的角度時，看到的自然定律不改變。無論你在大興安嶺還是夏威夷，蘋果熟了都要掉地上。這是經典物理學的對稱性。

量子力學裡也是。電子的能量、動量和自旋加上一個對稱性，刻畫出電子的量子力學波函數在對稱變換下的響應。說白了，不需要再考察物質，靠對稱性原理加上描述的波函數，就能觀察粒子。

所以，標準模型裡的「自發對稱性破缺」，是高能物理學家目前想知道的事情裡面最重要的事情了。

對這個現象描述得最好的人，是愛丁堡大學的希格斯，他假定解決這個問題需要新粒子存在——希格斯粒子。而且，一旦解決了希格斯粒子，收穫還遠大於解決了「自發對稱性破缺」，連其他粒子的質量也一併解決了。

但是，基本粒子之間存在著巨大的能量差別，觀察基本粒子也沒有什麼好辦法，真是「上鎖的房間裡發生了謀殺案」。於是有人又引入了新的概念「超對稱性」，把能量差異和對稱破缺歸咎於某個新的、外來的強場。

相對於高能物理在標準模型上打轉，弦理論引入了一個新的物理實體——弦。它組成了質子、電子和中子，可以看成是光滑的空間結構裡的一維的微小裂縫。每根弦都可能處於無限多個可能振動的狀態。而且，作為弦理論的數學結果的新的零質量粒子，被認為是真正的引力子——這就解決了標準模型裡沒有引力的問題。

很多物理學家認為，面對終極理論的大決戰就要到來了。

粒子物理學標準模型，希格斯玻色子佔據核心位置（圖源：LHC 官網）

弦理論也很快冷了下來。它們算是最具「數學和諧」意義的理論，不過，正如Paul Davies所說，「弦論確實預言了一些新東西，但在可以預見的未來，這些預言幾乎肯定沒法檢驗」。物理學畢竟和數學不同，光揭示抽象真理不行，還得關心其在現實世界的對應。

「終極理論」之所以「終極」，是由於人們期待它把某一種科學探索引向終點：就是它了！不會再有更深層的原理來解釋它了！今天看來，我們離終極理論，還是很遙遠的。

「有生之年」

對於高能物理學家來說，建一個「超級對撞機」，絕對是「有生之年」的追求。

因為超級對撞機不僅能回答標準模型的「自發對稱性破缺」問題，還能靠產生的億萬伏特的能量，生成希格斯粒子，還能解決更深一層的關於強力、弱力、引力的統一問題。這是現有的力量至少可以完成的東西。

另外一條路需要在普朗克能量下進行實驗，已經超出了人類現有的能力，要比對撞機達到的能量高上億倍——這也是弦理論激發第一個弦振動模式所需要的最低能量。能量本身不難達到，也就等於一箱汽油的化學能，關鍵是要把這些能量集中在一個質子或電子上。

當然，最好的結果是，超級對撞機的實驗結果，就能驗證「大一統」問題，也就省得再去研究普朗克能量下的粒子了。

除此之外，超級對撞機還能找找宇宙中丟失的「暗物質」、組成質子的夸克裡的粒子、新類型的力等等。

目前，歐洲核子中心（CERN）的大型強子對撞機（Large Hadron Collider，簡稱LHC）是世界上最大的粒子加速器，位於法國和瑞士邊界，2012年找到了「上帝粒子」——希格斯玻色子。

上世紀80年代，美國也計劃建造超導超級對撞機（Superconducting Super Collider，簡稱SSC），計劃環的周長為87km，初始運行的主要目標是實現質子-質子的對撞，束流的能量為20萬億伏特，比LHC闊氣得多。

本來連地點都選好了，在德克薩斯的埃利斯，但是國會的反對意見非常大，有的議員直接管SSC項目叫「夸克桶」計劃，因為人們管政治捐款就叫「豬肉桶」——諷刺高能物理學家簡直是搶納稅人的錢。

環形正負電子對撞機(Circular Electron Positron Collider，簡稱CEPC)，是一個長達50–70km的環形加速器，是中國獨立提出的新一代粒子加速器的概念。

它有兩個工作階段，第一階段用做環形正負電子對撞機，第二階段則是將其升級為超級質子對撞機，可以對希格斯粒子以及其他的標準模型粒子進行精確測量，具備很大的、新的物理發現能力。

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CEPC 的相關演示（圖源：中科院高能所）

雖然有林林總總的意見，但決定超級對撞機命運的，只有一個核心因素：錢。

錢是稀缺資源，給了A，就不夠給B。而且，很多見效快的、關乎國計民生的應用科學，也在「盼星星盼月亮」。關於終極理論的東西，好像等五年和等十年，區別也沒那麼大。而可見的損失只是各國的科學天才們不來了——搞高能物理的不說個個是「天才」，也不會比《生活大爆炸》裡的科學家原型差；或者一些可能受到粒子碰撞啟發的基礎技術沒什麼機會面世了。

關鍵是，誰也不知道，一個對撞機，到底能讓我們邁出通向終極理論的哪一步；或者說，高能物理，是不是早就走進了死胡同？風險大，回報難以預期，決策起來就會很艱難。

這種希望暫時只能保存在科幻小說裡。劉慈欣的科幻小說《朝聞道》中，一個世界最大的粒子加速器已經建成了，叫「愛因斯坦赤道」，足足繞地球一周，就是為了建立宇宙的大統一模型。

直到今天，我還記得17年前一邊讀小說一邊哭的感覺，那種感覺就如小說的題目而言——「朝聞道，夕死可矣」。

作者 | 南風窗高級記者 榮智慧