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深圳风采几点更新: 蔣校長:楊振寧,究竟在為何而戰?

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發表于 2019-12-16 17:21:17 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
  極少能有哪個前沿尖端科研項目如同環形正負電子對撞機(CEPC)這樣,正在籌備階段就引得舉國關注。

  對于非科研從業者而言,這是一個原理、成果、應用都非常遙遠的項目,假如不是媒體的報道,全國乃至全世界百分之99.99%以上的人,終其一生也不會和CEPC有任何關聯。

  CEPC項目由中國科學院高能物理研究于2012年提出,七年之間,爭議一刻未曾停止。

  中科院提出的預算超過千億,為中國科研單項目成本之最;

  最頂級的華人科學家楊振寧、丘成桐、丁肇中,全部針對這個項目多次發聲論辯。

  2016年,楊振寧更是發文《中國今天不宜建造超大對撞機》,連發七劍,劍劍直指CEPC心臟。

  新一輪高潮來自于一周前,一篇《楊振寧的最后一戰》的文章刷爆全網并引發爭議,多位學者公開抨擊觀點偏頗,內容失實。

  CEPC、楊振寧、中科院、高能物理....這是一場深奧莫測又錯綜復雜的局。普通讀者在各類科普文和專家學者的狂轟濫炸中,反而越看越迷惑,越看越不懂。

  CEPC背后的所有人,究竟在為何而戰?

  本文可以不自矜的對所有讀者說一句——

  以我為準。

  一開炮,轟他娘的

  《莊子》中有一句話:“一尺之棰,日取其半,萬世不竭?!?br />
  饒有深意。

  這句話翻譯過來是:一根棍子不停的對半分開,是能夠無限分割下去的。

  玄之又玄,眾妙之門。

  莊子問出的哲學問題,本質上是一個物理問題,直接指向一個困擾人類的永恒問題:世界上的所有物質最小的構成單位是什么?

  經過了兩千多年的探索,當然可能是九年義務教育的學習,我們在初二初三的時候,終于知道,物質的基本構成單位是原子。

  可原子并不是終點,再往下分割,我們又能得到什么?

  隨著對原子內部探索的開啟,近代物理學史上的“黃金歲月”就此拉開帷幕。

  粒子對撞機,就是打開原子內部的“手術刀”。

  最小的氫原子半徑是5.28*10-9m,一個氫原子和一粒芝麻比較,約等于一個排球和地球比較。

  ▲一根頭發絲的直徑,等于五十萬個碳原子排成一列

  想要打開這樣小的原子,只有一個辦法,那就是用同樣小的原子和它進行對撞,兩個原子對撞之后,才能將內部的東西“撞出來”。

  但這需要一個前提,就是兩個原子之間的速度足夠快,越快所具備的能量也就越大。只有撞擊的能量足夠大,兩個原子才能粉身碎骨,我們才能從“碎片殘骸”中拿到足夠多的有價值信息。

  如何給粒子提供一個極高的速度,需要兩個條件,一個是提供力(這點很復雜,不展開論述),另一個條件就是,給粒子一條足夠長的跑道。

  就像是超跑加速,馬力再強的跑車,也需要一段初始賽道把速度拉起來,賽道越長,加速就越充分。

  對撞機,就是給原子提速的“加速炮筒”。炮筒越長,炮彈的速度就越大。

  兩架大炮,炮筒相對,同時拉栓,炸開兩個粒子,這就是幾代高能物理學家(包括楊振寧)一直重復在做的事情。

  二眼見它高樓起眼見它爛尾了

  這個世界上最幸福的科學家,是物理學家。

  最不幸的科學家,是高能物理學家。

  橫向對比,世界上沒有任何一個學科(尤其是基礎學科)所取得的成果可以超過物理。在學科研究的最終體系上,物理學已經無限意義上的接近于終點。

  ▲這邊的施一公剛雄心壯志的喊出“二十一世紀是生物的世紀”,那邊的物理學家已經把能研究的事情研究的差不多了。

  一個最直接的體現就是,物理學基礎課程已經幾十年沒有更新了——00后在大學物理課堂上學習的內容,和他們的爺爺奶奶當年學的內容,幾乎沒什么區別。

  因為自愛因斯坦時代后,物理學的宏大結構和底層根基已經全部完成,剩下的工作都是在主體框架上添磚加瓦而已。

  眼見著自己從事的學科領域高樓落成,規模初具,這是最讓人為之歡欣鼓舞的事情。

  但實際上,在物理學,尤其是理論物理研究領域,沒人笑的出來。

  高樓已經落成一個世紀了。

  從上世紀初到現在的一百年里,主體結構只用了不到三十年的時間就拔地而起,大家都“樂觀的”以為大廈竣工在即。但在最后的封頂環節,卻始終拖拖拉拉的無法完成,而這一拖,就是七十年。

  承擔封頂施工任務的是高能物理研究者們,他們搭起一組又一組腳手架,運來一袋又一袋水泥沙子,熱火朝天忙忙碌碌,但是封頂的這層樓,就是不見起。

  《科學》帶著一絲悲觀的說:目前物理學家的一切活動,乃至思維框架,仍被限制在100年前物理學革命時期所限定的量子力學和相對論框架之內。

  ▲1927年的索爾維會議上,在眾多頂級物理學巨匠中,最年輕的愛因斯坦獨坐C位

  一些“敢于面對現實”的研究者已經開始向現實屈服:如今的物理學基礎研究是一潭死水。一個又一個實驗返回的是毫無意義的結果。新的粒子、新的維度、新的對稱性,通通都看不到。

  物理學陷入到了無盡的黑暗當中,這是一場看不到方向的停滯。

  封閉在一間密室中的人,翻遍所有角落仍然找不到鑰匙后,就會歇斯底里的開始撞門。

  躁動著、咆哮著、嘶吼著,無論能不能把門撞出一條縫隙,大家都必須這么做。

  因為沒有人甘心在黑暗中沉寂下去。

  除了這么做,別無選擇。

  三成也靠撞X也靠撞

  墮入黑暗之中的原因,歸根到底還是在于方法。

  從一百年前的突飛猛進,到最近五六十年的停滯不前,所有的研究都沒有跳出愛因斯坦時代的窠臼。

  高能物理學家采用的方法本質上沒有任何進步。都是用更高的速度、更大的能量撞開盡可能小的粒子。

  ▲粒子對撞機旁的霍金,他堅信粒子對撞機有助于宇宙起源問題的研究

  而想要得到的粒子越小或是越稀有,對撞條件就要越接近極限(光速對撞),也就越依賴大型對撞機的“超長加速跑道”。

  大型粒子對撞機,就是所有高能物理學研究者開山破石的神兵利器。

  可這就是問題所在。

  事實上,對撞機產出成果的價值和速度,都在迅速降低。既無法填補上“遺留的空白”,又無法沖破原有的大框架開辟新的物理學研究領域。

  理論物理學家霍森菲爾德冷靜而無奈的說,“如果我告訴公眾,建筑師花了四十年時間建造的房屋都倒塌了,那么,我又能提出來新的房屋建造方法嗎?”

  畢竟之前所有成果的得出都是建立在大型對撞機上,在沒有革命性的其它理論或實驗工具出來之前,大家都只能在這條越來越逼仄狹窄的路上一直走到黑。

  ▲盧瑟福最早應用粒子“對撞”原理,他用α射線轟擊金箔,發現了原子核

  拋開科學前沿中的深奧知識,其實雙方爭論的邏輯思路,和我們普通人之間沒有任何區別。

  就像是傳統行業公司的一場項目討論會,

  反方一臉冷峻的堅持著:“這個領域內的項目已經明日黃花沒有前途!”正方聲嘶力竭的呼喊著:“不搞這個搞什么”、“不這么搞又能怎么搞”?

  這是一場永遠無法心平氣和達成一致的爭論。

  “我不是必須這么搞,我是只能這么搞!”“甭管你怎么搞,這么搞肯定是不行!”

  王貽芳(中科院高能物理研究所所長)針對大型對撞機項目多番奔走,還有向公眾科普,反復強調解釋的事情實際上就是一句話:只有對撞機足夠大,才有機會撞出更新的、更小的、更有價值的粒子。

  ▲王貽芳出席騰訊科學WE大會,再次向公眾力推CEPC項目

  對撞機就像是謝遜牢牢握住的屠龍刀,空有昔日名頭,鮮有戰果加身。

  但它卻是老獅王的唯一指望,“我還有屠龍寶刀,我還能號令天下”!

  沒有大型對撞機,一定無法取得突破;有了大型對撞機,也不一定能取得突破。

  從某種意義上來說,建大型對撞機,是一場悲壯而無奈的豪賭。

  想賭贏,看上去唯一的方法就是賭注夠大。

  4、能撞出來什么

  大型對撞機的終極目標,叫希格斯粒子。

  2012年的時候,歐洲大型強子對撞機(LHC)發現“疑似希格斯粒子”。

  2013年,歐洲核子研究中心公開確認,此前發現的“疑似希格斯粒子”已經通過驗證。

  ▲希格斯粒子通過驗證后,發現者希格斯即榮獲當年諾貝爾獎

  物理學界額手相慶,歡騰一片。這個名字繞口的粒子還有另一個別稱——上帝粒子。因為希格斯粒子,直接有助于解釋一個困擾人類的終極問題——物體的質量是哪里來的?

  在初高中物理和化學這兩門課程的共同學習下,我們可以將物質“分解”到原子這個層面,同時也可以淺顯且正確的認定:原子的質量主要集中在原子核上,而原子核的質量集中在質子和中子上。

  一個原子核的體積是原子的幾千億分之一,質量卻是99.96%。一個骰子那么大空間內裝滿原子核,質量將達到1億噸。

  好,應用初高中理化知識解釋這個問題,基本上到這個程度就見底了。

  再往下刨一步,為什么原子的質量主要集中在原子核上?

  需要引入下一個概念,夸克。每一個質子和中子都是由三個夸克所構成的。所以夸克是物質質量的來源嗎?答案是否定的。

  質子和中子的質量來自于夸克之間的相互作用。是希格斯粒子彌散在空間中,形成希格斯場,質子和中子受到希格斯場的作用,最終獲得了質量。

  換言之,所有物體獲得質量的來源,都來自于希格斯粒子。

  那么希格斯粒子又是哪來的?

  ▲atlas模擬的希格斯粒子衰變效果圖

  如果你能想到這一層的話,恭喜你,你已經占到了超能物理學研究的最前沿,這是無數高能物理研究領域內的專家想要知道的,也是建造大型粒子對撞機的最終目的。

  “大量生產希格斯粒子,成為一個理想的希格斯粒子工廠”這是王貽芳對環形正負電子對撞機(CEPC)的定位。

  這就是前文提到的賭注。想要成為希格斯粒子工廠,第一前提就是大。

  只有足夠大的對撞機,才能為海量粒子的對撞創造出極限條件;才有機會撞出足夠多的希格斯粒子(希格斯粒子被撞出的概率不到百億分之一)。

  把對撞機建的盡可能大,是所有高能物理學家的夢想。

  五Party is over

  1982年,美國一波物理學家聯合提出了建造超級對撞機(SSC)的初步方案。

  ▲SSC規劃軌道長度超過100公里

  彼時的美國學界政界,正在刮起一股貪多求快的浮躁之風,尤其是物理研究領域,大家都醉心在偉業將成的“大躍進”氛圍中無法自拔。

  第二年秋天,能源部批準了這項研究上馬.,與此同時,剛剛拿下諾獎的溫伯格也參與到項目的籌備中來。

  ▲因統一弱相互作用力與電磁作用的突出貢獻,1979年溫伯格榮獲諾貝爾獎

  1987年,溫伯格的方案被遞到了白宮的辦公桌上,時任總統里根看了以后,幾乎是不加猶豫的就完成了批復——“44億就能碾過蘇聯,必須得干!”

  拉隊伍、規劃、選址、研發,經過六年的準備后,到1993年1月,主體工程才開始動工。

  但很快,情況開始“不對頭了”。

  用于安放對撞機的隧道剛挖了四分之一,總進度不到三分之一,就花掉了將近30億美元,溫伯格不得不重新提報方案,將工程預算上調到93億美元。

  這下子國會坐不下去了,剛動工半年就把預算翻一翻,這要是再干半年,這不得沖著200億美元去了?

  眾議院和參議院組織了幾輪投票,最終達成一致:及時止損,斃掉SSC項目。

  時逢1991年蘇聯解體,美國人又半途而廢,扛鼎之任被交到了歐洲手中。

  1994年,歐洲核子研究中心批準了歐洲大型強子對撞機(LHC)的立項,只是在規模上,精打細算的歐洲人沒有美國人那么冒進。

  ▲法國與瑞士邊境上的LHC

  LHC的軌道周長只有SSC的三分之一,并且用的還是核子研究中心現場的隧道和基礎設施。

  即便如此,這個工程也足足耗時14年之久才完成。工程實際花費90億美元,相較預算超支350%。

  并且還漏洞百出。

  2007年3月,一個三級超導磁鐵因為支撐架設計不良,在壓力測試時破損,工程整體延后了半年多才完成。

  2008年9月,剛剛開機后九天,電路就被燒壞了,事故調查再加上檢修,又耽誤了半年多才完事。

  最終完工后的“豆腐渣工程”,只能以原設計能量的一半運行。

  2012年7月4日,以每秒千萬次撞擊的強度經年累月的撞擊后,LHC終于撞出了希格斯粒子。

  ▲美國雜志將發現上帝粒子列為2012年十大成就之首

  然后呢?

  早在48年前的1964年,關于希格斯粒子存在的猜想便已提出并得到主流學界的認同。

  除了希格斯粒子外,另外一個被寄予厚望的——超對稱粒子,根本就一無所獲。

  對撞的能級已經達到預測出現“超對稱粒子”能級的十倍以上,可不僅沒有撞出超對稱粒子,反而發現原始預測參數的99.9%以上都是錯的。

  對于LHC而言,沒有成果,就是最大的成果。翻譯過來就是:花錢買教訓。

  正如楊振寧說所的“Party is over”,屬于高能物理的盛宴已過。

  ▲巨資建造的LHC,成果并不能讓人滿意

  “七十年來,高能物理的大成就對人類生活有沒有好處呢?沒有。假如超大對撞機能實現,而且假設其真正成功的將高能物理推進一大步,對人類生活有沒有實在好處呢?短中期不會有,三十年,五十年內不會有?!?br />
  這是楊振寧的原話,一字一句就像是冬天里的鋼鐵,冷的能敲出聲響。

  六物理學的珠峰,藏在對撞機里

  王貽芳為CEPC報出的預算是:一期400億人民幣,二期1000億人民幣(楊振寧預估的數字是200億美元,出入不大),目前僅考慮第一期。

  這個預算是一個什么概念?我們可以橫向對比一下。

  被稱為“中國天眼”的超大型球面射電望遠鏡,造價是12億人民幣;

  上海迪士尼樂園的造價是380億人民幣;

  北京大興國際機場的造價是800億人民幣;

  港珠澳大橋的造價是1200億人民幣;

  ▲世界上最長的跨海大橋——港珠澳大橋

  很多人都在用這些數字具象化的類比CEPC的預算?!?00億只是修100多公里高鐵的錢,這錢國家完全拿得出來!”

  當然,你也可以反向詰問:有這錢,再去給大涼山里修兩條鐵路不行?

  張曉風有一句話:生命是一樁太好的東西,好到你無論選擇什么方式度過,都像是一種浪費。

  把這句話的主語換成“錢”,也依舊合適。

  國家拿出的投入,為偏遠地區修路,為農村納入醫保,為大學更換教學設備,你很難說出來哪個更正確,哪個更重要。所以我們無法以“值或是不值”的視角去評價CEPC的建設。

  反對的人認為這錢花的不該。支持的人認為這事很有意義。

  真理本應愈辯愈明??傻僥殼拔?,兩方人的辯論不是在駁斥對方的觀點錯在哪里,而是在堅持自己的觀點一定是對的。

  恰當的類比對象,應該是攀登珠峰。

  為什么要攀登珠峰?最著名卻又“最無用”的是英國人馬洛里的那句話:因為山在那里(Because it is there?。?br />
  為了到達“那里”,自上世紀二十年代起,已經有395名登山者的尸體被永遠埋在珠峰的皚皚白雪下。

  除了1960年中國登山隊那次攀登是為了爭奪珠峰主權外,其他所有人踏上登山之路的動機,本質上都是馬洛里那句話。

  這是一種征服與超越的快感。

  探險家的珠峰,在中尼邊境上聳立著,

  物理學家的珠峰,就在大型對撞機的粒子里藏著。

  我們可以說,高能物理學目前的成果短期內沒有意義,但我們決不能否定物理學求知與科研本身的意義。

  高能物理學跑的很快,跑到了難以突破的瓶頸,但這卻不能成為我們不讓它前行的理由。

  公眾無法理解高能物理學往前邁進一步有什么意義,亦如普通人無法理解冒險家付出生命的代價去登山是為了什么。

  但無論我們理解與否,那都是他們畢生為之追逐的生命意義。

  七需要的不只是成果,更是CEPC本身

  大型對撞機的成果,在短期內用不上。

  這是高能物理學派“緘默的共識”,即便是王貽芳也從未針對“成果短期無用”這一點給出正面回應。

  ▲楊振寧力戰丘成桐+王貽芳

  甚至王貽芳也在不斷的給自己“留有后路”,他表示項目將分兩期啟動,第一期的預算在400億,并且在取得重大成果后,才會開始籌備第二期。

  假如項目第一階段沒有重大成果,也沒有重大技術突破,是不是就意味著這400億的賭注“打了水漂”?

  所以王貽芳一直在強調項目的“溢出效應”,即項目可以對更多的領域輻射和賦能,即產生預期之外收益。

  支持建設超大粒子對撞機的另一個代言人丘成桐也表示:

  “項目建成后,至少有五六千名一流物理學家會為了做實驗舉家遷往中國定居。幾千個智慧的頭腦匯聚于此,會自動的產生很多重要的,超越物理領域的技術和學問?!?br />
  丘成桐的話里,很有一種“但行好事,莫問前程”的味道。

  兩個人都認為,“摳摳搜搜”的LHC無法滿足高能物理學者的需求,大家想要出成果,必須依賴更大更強的CEPC。所以只要是CEPC這個戲臺子搭好了,甭管來唱戲的唱的是哪一出,那都是個頂個的精彩!

  有了梧桐樹,自來金鳳凰。

  五六千個頂級物理學家在相當長的時間內匯集在中國,所誕生的研究成果,對物理學研究的推動,甚至是對整個中國的科研事業,都將產生不可估量的正面影響。

  隨便暢想一下,歐洲核子研究中心的大牛們頻繁往返中歐,受聘于國內的大學后,將為多少學子打開赴歐頂級名校的學習大門。

  幾千個科學家的思維碰撞,將為中國帶來什么樣的成果,這太讓人期待而激動了。

  ▲我們現在用的www網頁技術,最早就是歐洲核子中心用于同步數據的產物

  這不是本末倒置,這恰恰是王貽芳推動CEPC的“護城河”。

  立項的最大目標是為了出成果,但就算沒出成果,團隊能力的提高與進步,這也都是實打實的收獲。

  物理學需要的是CEPC的成果,中國需要的是CEPC本身。

  王貽芳在公開采訪中說了這樣一段話:中國究竟是要做一個二流國家還是要做一個一流國家,要做二流國家,去他處做沒問題,省錢。但是要做一個一流國家,對不起,不可以這樣”

  很多人都說王貽芳在“上綱上線”的做政治綁架。的確,超大型的對撞機當然不是成為一流國家的充要條件。

  “敢為天下先、老子就是要干”,這種舍我其誰的霸氣,才是成為一流國家的充要條件。

  在過去的四十年甚至七十年中,我們一直扮演著“追趕者”的形象,而做追趕者的條件是,我們的前方要有人。

  但現在,越來越多的領域我們已經進入或者即將進入“無人區”,不僅沒有前人告訴我們應該怎么搞。身后還有一大群人眼巴巴的看我們準備怎么搞。CEPC就是這樣一個情況的真實寫照。

  我們是慢兩步等一等,觀察一下左右兩側的人,還是甩開膀子沖上去?

  是用十年的時間和400億,上馬一個世界級的科研項目,沖擊物理學的最高峰并享受巨大的“溢出效應”。

  還是暫時放緩高能物理研究的腳步,將經費勻到其它周期更短,回報與成果更可控的研究領域。

  當問題全面而深入的討論到這個程度上時,CEPC已經不再是二選一的客觀題,它變成一道開放性答案的主觀題。

  雙方的理由都是充分且正當的,建或者是不建,均無不妥之處。

  物理學家眼中,CEPC是物理問題,社會公眾眼中,CEPC是錢的問題。

  而深入且長遠的來看,CEPC終究是政治問題。

  言盡于此,掛一漏萬。

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