杨振宁的最终一战没那么简略

环形正负电子对撞机（CEPC）方案是我国科学家于2012年提出的，旨在高能物理范畴探究和了解希格斯粒子性质、国际前期演化、反物质丢掉、寻觅暗物质、真空稳定性等一系列未解的要害科学问题和寻觅新的物理规则。

最近，一篇名为《杨振宁的最终一战》的文章刷屏朋友圈。我国应不应该花费数百亿建“环形正负电子对撞机”，成为了萦绕在咱们心头的“天问”。说句真实话，“环形正负电子对撞机”还真是想答复“天问”的——“遂古之初，谁传道之？上下未形，何由考之？”假如屈原还在，或许真是一位支持者。

用物理学的话说，“天问”相当于“诘问终极理论”。20世纪中叶以来，诘问终极理论的“天命”落在了高能物理学家的手里。可是，和曩昔搞高能物理演算费纸不相同，现在搞，费钱。

对咱们来说，了解物理学家之间的争辩，跟了解“神仙打架”差不多，还要迈过三座大山：什么是终极理论？为何需求经过“超对称”“弦理论”和对撞机来寻求它？花360亿人民币造“环形正负电子对撞机”，能干些啥？

一起，有必要指出的是，仅仅用两个划分出的敌对的派系、个人利益的核算和“结盟”、以及许多想当然的“细节”，来阐释连绵数十年的科学争议、物理问题，是要求咱们清醒地打上一个问号的。

“有律在，有必要发现它”

1902年，美国试验物理学家Albert Michelson说过一句名言：“从众多表面相隔悠远的思维范畴动身的道路集聚到……一片一起的土地上来的日子，不会太远了。”

这是19世纪末、20世纪初物理学界的遍及心态。1875年，普朗克走进慕尼黑大学时，物理学教授Philip Jolly劝他别学天然科学，由于没什么东西可发现了。密利根也回想过：“1894年，我住在64号大街一座5层的公寓，室友是4个哥伦比亚大学的研讨生，一个学医，别的三个学政治学和社会学，我总被他们讪笑学的是‘到头了的’物理学科。”

也不是达观，而是由于咱们都失望了：牛顿和他的追随者，不或许处理一切科学的问题。那么化学的归化学，物理的归物理，横竖不或许存在一个“包打天下”的终极理论。

爱因斯坦是那种清晰寻求终极理论的科学家。他的列传作者说他是“典型的旧约人物，抱着耶和华式的情绪——有律在，有必要发现它。”爱因斯坦生命的最终30年简直悉数献给了一致场论，可是，这个一致麦克斯韦电磁论和广义相对论的理论，失利了。

爱因斯坦拒绝了“量子力学”。而20世纪20年代中期呈现的量子力学，则是17世纪现代物理学诞生以来最深入的革新，它给物理学家带来了终极理论的模模糊糊的影子。

对牛顿和追随者来说，物理学需求供给一个数学核算器，让物理学家能够依据任何体系的粒子在某一时间的方位和速度的数值，去核算它们在未来某一时间的数值。可是，量子力学引进的是新的描绘办法，波函数只告知人们粒子的或许方位、速度的几率。

高能物理也叫粒子物理，首要研讨的便是比原子核更深层次的微观国际中物质的结构性质；以及在很高的能量下，这些物质彼此转化的现象，发生这些现象的原因和规则。

图源：中科院高能所

假如组成物质的最基本单位——粒子的规则搞清楚了，离“终极理论”也就真的不远了。可是，20世纪70年代末以来，高能物理学家都是无精打采的：规范模型的bug有点多。

首要，规范模型描绘了电磁力和强弱力，却没有一个最知名的力——引力。不是高能物理学家成心不加它，而是在模型里描绘引力，数学妨碍翻不曩昔。其次，强力在模型里的存在特别“违和”。第三，电磁力和弱力存在很明显的差异，可是没人知道怎么发生的。最终，这个规范模型仅仅依据试验得出来的，许多特征显得很“随意”，看上去都推翻了也问题不大。

规范模型的一切问题，多多少少都相关着一个现象——“自发对称性破缺”。

“上锁房间里的谋杀案”

广义相对论和基本粒子的规范模型，有一个一起的特征，遵守对称性原理。简略来说，对称性原理指的是从不同的视点看某个事物，这个事物都是相同的。比方人的左右脸。

在天然界里，重要的不是事物的对称，而是规律的对称：当咱们改动了调查天然现象的视点时，看到的天然规律不改动。不管你在大兴安岭仍是夏威夷，苹果熟了都要掉地上。这是经典物理学的对称性。

量子力学里也是。电子的能量、动量和自旋加上一个对称性，刻画出电子的量子力学波函数在对称变换下的呼应。说白了，不需求再调查物质，靠对称性原理加上描绘的波函数，就能调查粒子。

所以，规范模型里的“自发对称性破缺”，是高能物理学家现在想知道的作业里边最重要的作业了。

图源：中科院高能所

对这个现象描绘得最好的人，是爱丁堡大学的希格斯，他假定处理这样的一个问题需求新粒子存在——希格斯粒子。并且，一旦处理了希格斯粒子，收成还远大于处理了“自发对称性破缺”，连其他粒子的质量也同时处理了。

可是，基本粒子之间存在着巨大的能量不同，调查基本粒子也没什么好办法，真是“上锁的房间里发生了谋杀案”。所以有人又引进了新的概念“超对称性”，把能量差异和对称破缺归咎于某个新的、外来的强场。

相关于高能物理在规范模型上打转，弦理论引进了一个新的物理实体——弦。它组成了质子、电子和中子，能够看成是润滑的空间结构里的一维的细小裂缝。每根弦都或许处于无限多个或许振荡的状况。并且，作为弦理论的数学成果的新的零质量粒子，被以为是真实的引力子——这就处理了规范模型里没有引力的问题。

许多物理学家以为，面临终极理论的大决战就要到来了。

粒子物理学规范模型，希格斯玻色子占有中心方位（图源：LHC 官网）

弦理论也很快冷了下来。它们算是最具“数学调和”含义的理论，不过，正如Paul Davies所说，“弦论的确预言了一些新东西，但在能够预见的未来，这些预言简直必定无法查验”。物理学究竟和数学不同，光提醒笼统真理不可，还得关怀其在实际国际的对应。

“终极理论”之所以“终极”，是由于人们等待它把某一种科学探究引向结尾：便是它了！不会再有更深层的原理来解说它了！今日看来，咱们离终极理论，仍是很悠远的。

“有生之年”

关于高能物理学家来说，建一个“超级对撞机”，肯定是“有生之年”的寻求。

由于超级对撞机不仅能答复规范模型的“自发对称性破缺”问题，还能靠发生的亿万伏特的能量，生成希格斯粒子，还能处理更深一层的关于强力、弱力、引力的一致问题。这是现有的力气至少能够完结的东西。

别的一条路需求在普朗克能量下进行试验，现已超出了人类现有的才能，要比对撞机到达的能量高上亿倍——这也是弦理论激起第一个弦振荡模式所需求的最低能量。能量自身不难到达，也就等于一箱汽油的化学能，要害是要把这些能量会集在一个质子或电子上。

当然，最好的成果是，超级对撞机的试验成果，就能验证“大一统”问题，也就省得再去研讨普朗克能量下的粒子了。

除此之外，超级对撞机还能找找国际中丢掉的“暗物质”、组成质子的夸克里的粒子、新类型的力等等。

现在，欧洲核子中心（CERN）的大型强子对撞机（Large Hadron Collider，简称LHC）是国际上最大的粒子加速器，坐落法国和瑞士鸿沟，2012年找到了“天主粒子”——希格斯玻色子。

长达27公里的大型强子对撞机（LHC）

上世纪80年代，美国也方案制作超导超级对撞机（Superconducting Super Collider，简称SSC），方案环的周长为87km，初始运转的首要方针是完成质子-质子的对撞，束流的能量为20万亿伏特，比LHC阔气得多。

原本连地址都选好了，在德克萨斯的埃利斯，可是国会的对立定见非常大，有的议员直接收SSC项目叫“夸克桶”方案，由于人们管政治捐款就叫“猪肉桶”——挖苦高能物理学家简直是抢纳税人的钱。

环形正负电子对撞机(Circular Electron Positron Collider，简称CEPC)，是一个长达50–70km的环形加速器，是我国独立提出的新一代粒子加速器的概念。

它有两个作业阶段，第一阶段用做环形正负电子对撞机，第二阶段则是将其晋级为超级质子对撞机，能够对希格斯粒子以及其他的规范模型粒子进行准确丈量，具有很大的、新的物理发现才能。

CEPC 的相关演示（图源：中科院高能所）

虽然有各式各样的定见，但决议超级对撞机命运的，只要一个中心要素：钱。

钱是稀缺资源，给了A，就不行给B。并且，许多见效快的、关乎国计民生的应用科学，也在“盼星星盼月亮”。关于终极理论的东西，如同等五年和等十年，差异也没那么大。而可见的丢失仅仅各国的科学天才们不来了——搞高能物理的不说个个是“天才”，也不会比《日子大爆炸》里的科学家原型差；或许一些或许遭到粒子磕碰启示的根底技能没什么时机问世了。

要害是，谁也不知道，一个对撞机，究竟能让咱们迈出通向终极理论的哪一步；或许说，高能物理，是不是早就走进了死胡同？危险大，报答难以预期，决议计划起来就会很困难。

这种期望暂时只能保存在科幻小说里。刘慈欣的科幻小说《朝闻道》中，一个国际最大的粒子加速器现已建成了，叫“爱因斯坦赤道”，足足绕地球一周，就为了树立国际的大一致模型。

直到今日，我还记得17年前一边读小说一边哭的感觉，那种感觉就如小说的标题而言——“朝闻道，夕死可矣”。

作者 | 南风窗高档记者 荣才智