身兼諾獎與院士兩大光環,去年剛慶祝過百歲誕辰的楊振寧先生是我國最負盛名的物理學家之一。同為物理界巨擘的丁肇中曾經將楊振寧的規範場與愛因斯坦相對論、狄拉克量子力學相提並論,並列為20世紀物理學的三大里程碑。
不過哪怕是這樣一位聲名遠著的院士大家,他的看法也並非一直都與中科院保持一致。最為著名的事例就是關於大型高能粒子對撞機是否應當上馬的多年論爭。
一次提問背後的論爭
兩年多前,在中國科學院大學的雁棲湖校區,一位參加探討的高能物理研究生又一次向受邀前來的楊振寧先生提出了這個廣受關注的問題。
雖然那場論爭的高潮已經過去好幾年,楊振寧仍然堅持著他在2014年的看法,對中國建設大型高能粒子對撞機表達了直接的反對態度。
他還補充,當他自己當初在這個領域做研究生的時候,該領域的研究仍處於高潮期。然而最遲30年前,對撞機的相關研究實際上已經走入落寞階段。他當時說了一句話“the party is over”,並認為以十年為一階段,高能物理發展的方向已經悄然發生了轉移。
他在30年前的這段言論或許知者寥寥,但在2014年時,關於大型高能粒子對撞機究竟該不該建的論爭,卻早已超越了科學界內部爭論的範疇,成為了全社會關注的熱點話題。
大型粒子對撞機是什麼?
對社會大眾中的絕大多數人而言,位於爭論焦點的大型高能粒子對撞機恐怕是個相當陌生的專用名詞。
它的原理是什麼?用在哪些領域?對於科技發展又有什麼重要意義?很多人恐怕都不清楚,只憑直覺意識到這是一種距離日常生活相當遙遠、擁有高科技含量的東西。
然而科學技術作為引領和推動生產力發展的力量,本來就應當超前於社會大眾的平均普遍認知。自從上個世紀60年代以來,我國在各個科技研究領域發力,追趕世界先進水準,力圖擁有自己的科技核心實力,大型對撞機自然也成為考量的物件之一。
數十年前,透過完善“標準模型”來反映世界微觀真相的研究理念,成為在物理領域風行一時的主流方式。所謂“標準模型”,指的就是包括了微觀基本單元及其相互作用在內的一種理論模型。
這一研究方式看似抽象,但是一旦有所突破後,對於天文宇宙學以及物理學科內部各領域而言,都有著極為重要的意義。
大型粒子對撞機正是此類研究中承擔重要任務的必備裝置之一。它的運作原理是將粒子加速到一定程度後,使其發生對撞,探索微觀粒子的宏觀效應,以達成認識新粒子及其規律的目標。
這種機器的存在能夠為科學家的測算提供具體實驗資料。透過對撞並觀察其結果,可望獲得前所未有的新發現。
王貽芳院士:應該建,而且要早建
正是出於這樣的原因,有相當一部分科學界大牛認為我國應該及時建造自己的大型粒子對撞機,不但能夠促進理論物理的進步,同時也能夠極大提升我國在物理研究領域的地位和話語權。
與楊振寧先生持相反意見,國內以中科院王貽芳院士為代表的一派科學家認為,中國應該儘快建屬於自己的大型對撞機。王院士還提出了名為CEPC的對撞機方案,在某種意義上,該方案成為了普通大眾對於大型對撞機的基本認知。
王貽芳
面對來自外界的疑問,王院士也曾就自己的看法進行具體相關解釋。他認為,關於希格斯粒子的研究雖然已經有所突破,但這並不意味著大型對撞機就不具備研究支撐意義了。在當下,粒子物理研究突破的重點方向,仍然需要大型對撞機來提供裝置支援。
若是將國內外同類研究方向進行橫向對比,我國的研究進度並不吃虧甚至可以說是領先的,更有機率取得階段性突破。而建設對撞機的經驗我國也並不缺乏,若是能夠投入一定的預算,一定能夠保質保量完成大型對撞機專案的建設。
從全球科技生態位的角度來說,王貽芳院士認為我國更應當搶佔先機,如果在二三十年間無法建成,將會失去成為高能物理世界中心的機會。
當中國GDP已經“坐二望一”的時候,不可能也不應當繼續做著一些二流的、跟風式的研究,應該深入核心位置去參與競爭。
從私人角度來說,王院士表示“中國的粒子物理如果有了CEPC,我就盡到了我的責任”,這是從規劃角度而言,但他自己大概是沒有機會親自透過它來做研究了。
在王院士提出的更進一步具體規劃中,他認為若以2020年到2030年作為第一階段,完成正負電子對撞機的建設。除去土地等問題的費用,工程造價約為400億人民幣。從2040年到2050年為四分之三質子對撞機階段,工程造價大約為1000億人民幣。
從這個規劃不難看出,越往後的階段,後續的費用會被推高。這就涉及到一個先期投入是否足夠值得、沉沒成本有多大風險的問題。
站在促進中國實現前沿物理發展突破的角度,王院士將大型對撞機的建設視為關鍵環節,因此他力主我們不但要建,而且早建比晚建好。
楊振寧的反對理由
而作為旗幟鮮明的反對一方,楊振寧也同樣列出了自己的理由。
最早在1972年,楊振寧受邀請參加一場相關學術會議,當時會上就有物理學家主張修建粒子加速器,也就是大型對撞機的前身,楊則當即表示了反對意見。
提出反對的原因主要是該專案耗費的人力和物力過於龐大,而且難以在短期內對國內現有技術水平做到有效改善提升,也就是說,投入難以實現足夠的正向效果。
同時,楊振寧還認為,美國高速發展的核心原因和動力是其與時俱進的計算機技術。兩相權衡之下,他認為計算機等學科的人才培養應該享有更高優先順序的資源傾斜。
1973年中科院高能所成立時,首任所長就曾經提出要修建足夠強大的質子加速器。但後來因為種種原因,更改為一臺能量較低的裝置,也就是執行多年的北京正負電子對撞機(BEPC)。
多年以後,關於建設大型粒子對撞機的爭論又一次被提到了檯面上,而且雙方領軍人物仍然堅持著自己之前的看法,沒有動搖。在這一波論爭中,楊振寧先生再一次深入闡述了自己反對的理由。
列在第一位的反對理由並不單純因為大型粒子對撞機費用過高,而在於科學目標不明朗。在目標不確定的前提下,200億或者2000億的費用投入進去也可能會打水漂。投入巨量人力、物力和財力,能否取得真正進展尚是一個未知數,且技術成就短期內無法變現。
其次,在該研究領域,我國並沒有掌握足夠的關鍵技術。一旦上馬,極可能在很多技術細節上仍然需要依靠外國支援。採用這樣的方式推進研究,不但很可能得不到預期的回饋,還會直接擠壓其他基最後是“人”的問題。
目前我國在該領域的高等級學者嚴重不足,按比例估算不到全球的1%。即使專案順利完工、我們擁有了實驗器材,這項研究也大機率會被外國人主導把持,核心技術也被外國人帶走,最後實際上是為他人做嫁衣裳,得不償失。
而且如果目前押下重注去研究高能粒子,可預期的、短時間內能夠改變人類生活的的東西並不太多,多少類似一種押寶的心態。與其如此,不如將錢投入到醫療、教育、生命科學等更加迫切且與生活息息相關的領域。
他還舉了美國走過的對撞機之路作為例子。1990年前後,美國決定要修建用來探究基本粒子的世界最大超級對撞機,光是一同從事此項研究工作的科學家加上工作人員就有數千人之多。
這樣的專案當然花費不菲,最初的預估為30億美元,後來屢次增加又花了80億美元。投進去的錢越來越多,反對的聲浪也越來越大,直到1992年國會不得不終止了這個計劃。此前已經花掉的錢已經變成沉沒成本,自然是沒有辦法再找回來了。
也有看法認為,美國科學家謀求在本國建對撞機受挫後,這才轉向中國,希望中國承擔這筆花費來創造研究該課題的條件。
曾有人粗略估算,如果將建造一個大型對撞機的投入估算為200億美元,那麼這筆錢相當於一個半珠港澳大橋,或者三個上海迪士尼樂園。
楊振寧自己也曾經說過,反對這個計劃的關鍵並不在錢上。
有人說別的國家沒錢,但這筆錢對於中國來說算不上傷筋動骨,也有同行認為他的反對是要關閉掉那個方向研究的通道。但是要為對撞機花掉至少200億美元,楊振寧坦言“我沒辦法能夠接受這個事情”。
他明言反對的是中國建設對撞機,並不是反對投入資源去研究高能物理。他認為,不建對撞機,不花這200億美元,研究高能物理同樣有其他的方式,例如新加速器、幾何結構等等。
他向學生髮問,20世紀後半高能物理走紅,但能夠持續走紅兩個世紀的東西是非常罕見的,為什麼不考慮一下21世紀真正發展的方向在哪裡呢?
在他看來,科技發展的全域性,以及每個領域內部的發展軌跡,都是不斷髮展變化的。19世紀物理學領域的研究物件,研究者採用的方法和態度,與20世紀並不一樣;那麼21世紀物理學的發展趨勢、研究課題、未來方向,也同樣可能存在不同。
共同關注點:高階人才
值得注意的是,這兩位院士雖然觀點針鋒相對,但在“我國缺乏該領域高階人才”的論斷上卻出奇地一致。隨著時間推移,這一論斷日漸被證明正確。只不過兩人立足於同一個現實,卻作出了不同的假設和預期。
楊振寧院士認為,由於中國不具備足夠掌控主導權的人才梯隊,即使修建好了大型對撞機,進行實驗與研究的主導權也不得不落入外國人手中。
而王貽芳院士的看法則近乎完全相反,他認為正是要先有了實驗的條件,才能吸引足夠的高科技人才流向中國。他甚至進行了初步預估,認為一旦中國成為世界級的物理研究中心,將吸引以數千計的物理研究者來中國工作。
這一動向將對中國的基礎科研局面產生深遠影響,拉高我國的理論物理水平,並提升中國在世界科研領域的地位。這些益處遠遠超出了建造粒子對撞機本身,甚至比打造一所全球一流大學更有意義。
兩人察覺的現狀相似,但得出的結論卻大相徑庭,其中區別類似“雞生蛋還是蛋生雞”這一類的世紀難題。雙方誰都難以說服對方,也並不容易透過簡單的實踐來論證結果。
但有一點可以肯定,對我國而言,無論是建造大型粒子對撞機還是經營世界一流的大學,都不是什麼可以一蹴而就的速成式專案。兩者同樣需要強有力的統一規劃和持續的鉅額投入,並且極可能經過漫長的時間才能產生正面反饋。
如今美國曾經的對撞機專案SSC已經落幕,歐洲的大型強子對撞機LHC仍在執行,有傳言稱日本也將自己的對撞機專案ILC提上日程。
關於這一領域的各種爭論雖然時時發生,但是大多數人都承認,即使這筆費用投入對於我國而言屬於“掏得起”的,但也並不表示這樣一個重大的決定能夠輕易地決定下來。因為這事關國家未來相當長一段時間的發展趨勢,因此仍需大量的謹慎論證。
結語
去年9月22日,清華大學、香港中文大學、中國物理學會還曾經以楊振寧的百歲誕辰慶典為契機,舉辦了對其學術思想進行研討的活動。
活動現場,楊老先生在妻子翁帆的陪伴下現身,雖然聽力有些減退,但是精神仍舊矍鑠清朗。他為會上的來客留下了一句“但願人長久,千里共同途”,這也表明他在物理學界乃至整個社會仍然發揮著巨大的影響力。
有媒體將楊振寧關於大型對撞機的反對稱為他的“最後一戰”,固然含有楊已經進入高齡的含義,但更關鍵的重點仍然是表述他對此事反對的堅決程度。
中國仍是“發展中國家”,人均GDP還少於巴西、墨西哥及馬來西亞,這就註定了我國在面臨這樣費用奇高的專案時不得不謹慎從事。
官方參考文獻:
《我國該不該建粒子對撞機?楊振寧先生堅決反對,理由很充分》 上海熱線國際, 2021-12-06
《楊振寧:大型對撞機?The party is over》觀察者網,2019-5-1
《楊振寧驚擾了中國的大對撞機之夢》中國新聞週刊,2019-12-9