戈登·凱恩¹ 文 王連濤² 譯

1. 密西根大學理論物理中心；2. 芝加哥大學

來源：《現代物理知識》

作者簡介：

美國著名理論物理學家戈登·凱恩作爲美國物理學會Lilienfeld Prize 和Sakurai Prize 雙料得主，凱恩教授在超對稱理論、希格斯物理學、弦論唯象學、暗物質和宇宙學等諸多領域做出了傑出貢獻，他也是未來高能量對撞機項目的堅定支持者。

我們正走在探索自然規律的道路上。我們的目標是理解和認識我們的世界。實現這個目標並不要求解決很多儘管是很有趣的問題，例如黑洞信息悖論和多宇宙理論。我們的理論必須是一個同時有量子理論和引力的完整的理論。因此，所謂的等級問題就無法避免，解決這一問題需要有新物理。等級問題的最終解決需要一個新的對撞機。因爲我們在探索未知的前沿，所以這樣的探索必將同時帶來新的技術和創意，從而產生上千億的經濟效益。產生巨大的經濟效益的主要原因是對撞機爲這些新的技術提供了孕育的市場。同時，對撞機的發展也有重要的文化效應。

一、我們已經知道什麼

經過自哥白尼和伽利略以來四個世紀的發展，我們終於發現了基本粒子的標準模型和建立了宇宙學。從而達到了物理學的在這段歷史中的目標，那就是建立一個對我們的物理世界的描述。

我們可以觀察到的一切，包括那些必須藉助工具才能觀察到的在很大的和微小的尺度上的現象，都可以被幾條簡單而優美的自然規律所解釋。在有些情況下，描述這些規律的方程的解可能不容易得到。但是，並沒有任何跡象表明我們所用的方程和理論不正確。

基本粒子標準模型的主要部分在20世紀70年代中期就已經建立起來了，這包括描述強相互作用的量子色動力學，以及電磁和弱相互作用的理論。這個大廈的最後一塊磚是2012年在歐洲核子中心(CERN)的大型強子對撞機(LHC)上被發現的希格斯玻色子。早在20世紀60年代，就有理論預言希格斯玻色子的存在。它的存在保證了理論的完備性。從另一個角度看，如果希格斯玻色子不存在，電子將會是無質量的粒子，原子會變得無窮大。這樣，我們的宇宙就不會存在。

有時候，人們會質疑我們發現的粒子是不是真正的希格斯玻色子，或者我們發現的粒子只起到希格斯玻色子一部分作用。我們確信發現的粒子是希格斯玻色子的根本原因是其衰變到兩個Z規範玻色子的分支比和標準模型希格斯機制的預言相符合。我們從衰變到兩個W規範玻色子的道也可以得出類似的結論。但是兩個Z的衰變道實驗上測量的誤差更小，所以我們在這裏主要以這個道來論證。如果沒有希格斯機制，希格斯粒子是不能衰變到兩個Z玻色子的。這一點可以從標準模型的對稱性加以理解。

希格斯粒子是同位旋對稱羣SU(2)二重態的一部分，同位旋爲1/2。然而Z規範玻色子是同位旋三重態的一部分，同位旋爲1。基於類似於量子力學中角動量相加的規則，1加1是不可能得到1/2的。所以，符合對稱性所預言的相互作用是hhZZ。在希格斯機制中，這個相互作用中的一個希格斯粒子得到一個真空期望值(成爲一個常數)。從而，相互作用成爲hZZ，正像在實驗中觀測到的那樣。如果實驗上測量到的hZZ和標準模型的預言相符，那就意味着真空期望值爲一個希格斯粒子所有，不可能再有其他的希格斯粒子。

在以上的論證中我們已經可以看到了目前正在討論的新的對撞機之所以必需的一個重要原因。目前對hZZ相互作用的實驗測量值和標準模型預言與標準模型基本符合。但另一方面，10%左右的實驗誤差留下了存在尚未測量到的對標準模型的偏離的可能性。正在CERN運行的LHC最終會將這個精度提高到5%左右，這還不是很理想。中國提出的環形正負電子對撞機（CEPC）可以將精度提高到0.2%左右。如果結果仍然是和標準模型的預言相符，那麼這樣的精度會非常令人信服。

二、要充分理解物理世界，

什麼是我們必須知道的？

1粒 子

我們需要知道組成萬物的基本粒子是什麼。這個問題的答案是兩種夸克，再加上電子。電子是輕子的一種，是一個自旋爲1/2的費米子。夸克是類似的粒子，但是它們帶有一種新的“荷”。因此夸克之間有一種新的相互作用，即強相互作用。基於它們的不同性質，前面提到的兩種夸克的名字叫“上”和“下”。這個圖像爲一個古老的問題--“萬物是由什麼組成的？”給出了一個驚人的簡單而又優美解答。這比歷史上提出的對這個問題的大量的(錯誤的)答案要簡單得多。並且這是一個完全定量的答案，而不是含混的比喻。從恆星到原子，所有我們看到的東西都是由這些粒子組成的。幾乎所有組成我們的電子和夸克都是在宇宙大爆炸中產生的。我們的祖先也是由很多電子和夸克組成的。我們有理由相信人類尋找物質最小組成元素的歷程已經到了盡頭，現在是最後一站。我們預計電子和夸克的大小大致和普朗克尺度(下文介紹)相近。

2相互作用

夸克被一種“強相互作用”束縛在一起形成了質子和中子。這叫做量子色動力學(QCD)，它基於一個SU(3)對稱羣。在質子和中子的外面，強相互作用並不完全消失。其剩下的部分就是所謂的核力。核力將質子和中子束縛在一起形成原子核，從而形成化學元素。電磁相互作用將電子和原子核束縛在一起成爲原子，並進一步由原子形成分子，從而組成了石頭，花朵，咖啡，人，等等。這是一條簡單到令人震驚的鏈條。這些物體又被萬有引力束縛在一起形成了行星和恆星，從而使生命(例如恐龍)得以存在。這些相互作用都屬於一種特殊的類型，稱爲楊-米爾斯相互作用，其作用形式和大小都受到制約。

3規 則

只知道基本粒子和它們的相互作用是不夠的。如果我們不知道如何運用這些進行計算所依據的規則，我們還是不能描述物理世界。最早的計算規則是F=ma。大約一個世紀以前，規則變成了量子理論和愛因斯坦的狹義相對論。兩者的結合又進一步形成了相對論性的量子場論。從大約1930年起，這套規則沒有發生變化，然而我們對它們的認識卻深刻了許多。這套規則適用於所有的基本粒子和相互作用。

儘管標準模型非常成功地描述了物理世界，但是它本身是不完整的。它不包含暗物質粒子，也沒有給出使宇宙早期暴漲的粒子。它不是一個量子引力理論，沒有給出中微子質量的起源，也沒有解釋爲什麼宇宙中物質多於反物質。

但是隻知道什麼是基本粒子，它們之間的相互作用以及規則是不夠的。我們的目標已和過去不同，我們需要更進一步。這方面最早的進展是在20世紀70年代，當時發展出了大統一和超對稱。然後，在80年代又發展出了宇宙暴漲理論和絃理論。基於這些，也許我們已經有了建構一個完整理論的必要組成部分。

物理學傑出的領袖，20世紀上半葉任劍橋大學卡文迪許實驗室主任的歐內斯特·盧瑟福曾說：“不要讓我發現有人在我的實驗室裏討論關於宇宙的問題。”一直到20世紀70年代，我們還是可以找到很多類似的關於物理研究中無法逾越的障礙的言論。但是從那以後，至少對一些人而言這發生了變化。例如，最近斯蒂芬·溫伯格說：“過去的科學家絕不只是知識比現代的科學家匱乏，他們對什麼是應有的知識和如何去獲得這些知識有着完全不同的看法。”

我們的目標是理解世界。過去，我們的目標是理解和描述我們觀察到的現象。現在，新的更深入的目標則是爲我們的世界找一個量子引力理論，並且解決標準模型所有的不完備之處。建立一個量子引力理論又可以稱爲以一個完整的高能理論來完成我們用來描述觀察現象的低能有效理論。我們把標準模型不完備之處分爲四個大問題討論。

1. 標準模型有一個“等級問題”。這個問題涉及的技術問題不容易簡單的講清楚。從本質上講，讓普朗克能標和其他更低的能標，比如電弱相互作用的能標，在相對論性量子場論中共存並不自然。這需要完整的理論具有標準模型沒有的一些特殊的性質。

2. 標準模型不包含量子引力。弦理論很有可能可以給出解決這個問題的方案。我們將在下文中解釋爲什麼弦理論是有用的。

3. 我們還需要解釋幾個宇宙學上的問題。我們知道宇宙中有多少暗物質，但是我們不知道暗物質究竟是什麼。暴漲模型對宇宙早期的演化給出了很好的描述。但是，我們不知道暴漲的起因是什麼，以及是什麼機制決定了宇宙暴漲了多少。因爲這些是宇宙學問題，我們可以暫時把它們放到一邊。這些問題的答案也許會爲我們解決等級問題提供一些線索。但是我們不太可能由此得到等級問題的完整答案。

4. 物理學中還有幾個有趣的問題。但是解決這些問題不太可能對實現我們的目標有實質性的影響。比如，解決黑洞信息悖論不太可能影響我們對希格斯粒子質量、等級問題或者宇稱不守恆的認識。對其他的一些問題，比如爲什麼空間是三維的、爲什麼會有相互作用存在或者我們的宇宙是否是唯一的，我們也可以作出類似的結論。很多人在作這些方面的工作，但是這與理解我們的世界並沒有緊密的關係。

所以我們看到，如果我們把目標限制在理解我們的世界，我們尚需解決的主要問題是等級問題。只要我們考慮普朗克能標，或者等價地說同時考慮引力和量子理論，等級問題就無法避免。

三、一些有用的設想和概念

1超對稱標準模型

超對稱標準模型是一個理論出發點很好的假設，是對標準模型的一種拓展。如果把這個理論中的粒子進行如下的互換：費米子(半整數自旋)↔玻色子(整數自旋)理論並不發生改變。對於各種相互作用的大統一在超對稱理論中可以很好地實現。由這個理論還可以導出電弱自發破缺。我們觀察到的希格斯粒子的性質也和這個理論的預期相符合。雖然建構這樣一個理論不容易，但是仍可以做到。

如果自然界的基本理論真的是有超對稱的性質，標準模型粒子的超對稱伴粒子,例如gluino, wino and photino (分別爲傳遞強相互作用的膠子，傳遞弱相互作用的W玻色子，以及光子的伴粒子)，應該最終可以在LHC收集足夠多數據後被發現。

2普朗克能標

自然界有三個基本的普適常數：牛頓引力常數G_N；普朗克常數h(量子的單位)；在愛因斯坦相對論中起重要作用的光速c。從這三個常數出發，我們可以組成長度，時間，能量，質量，以及其他任意單位的量。我們預期基本理論應該是由一些簡單的關係構成，其基本的單位是普朗克標度：

a. 普朗克長度[L=(hG_N/c³)^1/2] ~ 10^-33cm。這是一個宇宙自然的大小。

b. 普朗克時間~10^-43s。這是一個宇宙自然的壽命。

c. 普朗克質量(普朗克能標)10¹⁹GeV(大約比LHC的能量高10¹⁵倍)

我們的宇宙比普朗克長度要大得多，壽命比普朗克時間長得多。我們所觀察的粒子質量比普朗克質量小得多。這些正是需要解釋的問題。我們預期弦理論有比我們的三維空間更多的空間維度。這些所謂的額外維捲曲起來成爲一個很小的額外空間，大小和普朗克長度差不多。我們巨大的三維空間來自於宇宙暴漲。暴漲和大爆炸產生了我們壽命很長的宇宙。我們不理解的是質量的起源，特別是希格斯粒子的質量。爲什麼希格斯粒子的質量是在100GeV附近，比普朗克質量小很多。這就是等級問題。

3額外維理論的進展

科學上的進展可以來自於從新的更好的實驗裝置上來的實驗數據，也可以來自於理論上的進展。弦理論是20世紀80年代中期建立起來的，它很可能包含了等級問題的答案。與一些經常聽到的說法正相反的是，弦理論在被真正的理解後是可以爲實驗所檢驗的。

首先，一個自洽的量子引力理論是建立在10維時空的基礎之上。其中一維是時間，其餘的是空間維度。一個基於11維時空的理論也是有可能的，那是所謂的M-理論。10維理論和11維理論的區別涉及很多技術細節。爲了簡化下面的討論，我們忽略它們之間的區別。於此同時，我們生活在一個四維時空的世界當中。那麼，弦理論中那些超出4維時空的額外維是如何處理的呢？我們必須認爲它們存在嗎？爲什麼我們觀察不到它們？我們又應該如何理解它們？

物理學在過去幾個世紀中的發展已經使我們可以接受不合直覺的東西。在這類的例子中，最早的應該是對力的理解。亞里士多德認爲需要力來使物體運動。力一旦消失，運動也就停止。直到伽利略和他之後的牛頓才建立起正確的觀念，一個物體會永遠保持其運動狀態，除非受到外力的作用(而亞里士多德的觀念似乎對官僚的工作依然適用)。另一個，也許也是最令人震驚的，早期的例子是地球圍繞太陽的公轉。這好像和我們日常的觀察不符，但卻是事實。另外一個令人吃驚的事是存在我們肉眼看不見的電磁波。用一個三棱鏡可以從太陽光中看到不同顏色的可見光。如果我們再在可見光照到的範圍之外放一個溫度計，我們可以看到溫度上升——這證明了存在我們肉眼看不到的電磁波。

所以也許另一個違反直覺的假想也是正確的，那就是存在我們不能直接觀察到的額外的空間維度，因爲它們太小了。在20世紀80年代，格林和施瓦茲證明了一個自洽的量子引力理論需要有9個空間維度(加上時間成爲10維時空)。這是我們在發展基本理論的時候必須包括的一個內容。這些額外維空間的自然的大小是普朗克長度，所以我們看不到它們。

同時，這些額外維又可以發揮至關重要的作用。如果要描述我們的世界，我們當然需要3個巨大的空間維度和一個時間維度。所以，我們會有6個(或7個，如果從11維時空出發)彎曲的空間維度。理論家在大約一個世紀以前就開始思考額外維了。卡魯扎思考了只有一個額外空間維的情形。他的工作出現在愛因斯坦發表廣義相對論後不久。在廣義相對論中，時空的幾何結構由度規來描述。我們把5維時空的度規記爲g_ab，a，b=0, 1, 2, 3, 4。其中，我們四維時空的度規是g_μν，μ,v=0, 1, 2, 3。卡魯扎證明我們可以將5維時空的度規寫成

g_μv A_μ

g_ab = { }

A_vϕ

A_μ可以被詮釋爲電磁場的矢量勢。ϕ是一個標量，我們在這裏可以暫時忽略它。這裏，令人激動的發現是額外維可以被詮釋成相互作用！在卡魯扎工作的幾年後，克萊因，當時還是我現在任職的物理系的一個助理教授，提出了我們觀察不到額外維是因爲它們彎曲成很小的尺度。這個卡魯扎-克萊因理論並不能真正的解釋我們的世界，然而它卻指出了正確的方向。

要讓我們的理論描述我們的世界，我們需要10維時空，不僅僅是我們只觀察到的4維。10維理論中的額外維彎曲從而成爲一個可以描述我們的世界的理論，這個過程稱爲緊緻化。正像一個原子通常是在基態上，我們的世界也會在基態上，這通常被稱爲是真空態。值得一提的是，一個緊緻化的10維世界可以包含我們的世界，包括標準模型的各種相互作用。我們是在這個緊緻化的弦理論(或者M-理論)的基態。因爲弦理論包括了引力，這就使理論在高能完備(UV complete)。卡魯扎-克萊因的設想，特別是額外維可以在緊緻化後變成相互作用，鼓勵我們設想緊緻化的弦理論(或者M-理論)是構造一個高能完備而又能描述我們的世界的理論的正確道路。並且，這有希望可以解決等級問題。

緊緻化的方案有很多。這在早期曾讓人失望，因爲大家曾希望真正的量子引力的理論是唯一的。這和標準模型的產生可能有些類似。量子場論是適用於任何粒子和相互作用的規則，並不給出唯一的粒子物理的模型。在20世紀60和70年代，很多不同的關於粒子和相互作用的猜想被提出。每一種都有自己的預言，並接受了實驗的檢驗。在這些猜想當中，標準模型被證明是成功的。但是，原則上也有可能沒有一種當時的猜想是正確的，但是聰明的物理學家可以從實驗和理論的嘗試中找到線索並最終找到正確的方案。

我們現在面臨類似的情況。我們懂得如何將幾種理論緊緻化，包括M-理論、雜化弦理論、二類弦理論以及其他的幾種。這些緊緻化的理論和我們的世界很像，包含了夸克、輕子和楊-米爾斯相互作用。這樣的理論可以產生出來本身非常令人鼓舞。正像標準模型在不同的嘗試中最終產生一樣，現在我們也在嘗試不同的緊緻化方案。我們的目標是找到一個能夠包含標準模型的量子引力理論，也就是讓標準模型高能完備。

你也許會對運用弦理論的必要性產生懷疑，因爲很多人說弦理論不可能被實驗檢驗。這個說法是錯誤的。有人說弦理論是在普朗克能標附近建構的，這比我們在對撞機上可以達到的能量高得多，或者說建構弦理論的時空尺度比我們可以直接觀測的小很多，所以弦理論不可能被檢驗。但是，我們並不是一定要到某一個地方纔能瞭解那裏發生的事。我們不可能去訪問其他的恆星，但是我們可以知道宇宙中的其他恆星和我們的太陽是由相同的化學元素組成的。誰也沒有直接看到宇宙大爆炸，但是有三個很強的證據使我們相信那確實發生過(這三個證據是：宇宙膨脹，核素的合成與宇宙中氦的丰度，宇宙微波背景輻射)。當恐龍在6千5百萬年前滅絕的時候，沒有人在現場。但是我們還是可以檢驗恐龍滅絕的原因是不是隕石撞擊。

我們所得到的基本理論要包含電弱對稱破缺，因此它需要產生在1 TeV以下的電弱能標。同時理論又包含普朗克能標，所以它會有等級問題。要理解我們的世界，我們必須解決這個問題。在一個超對稱的理論中，等級問題可以被解決。如果每一個粒子都有一個由超對稱預言的伴粒子，那麼，這個粒子和它的伴粒子對任何其他粒子的質量的貢獻會相互抵消。這樣我們就得到一個等級問題的解決方案，並且可以在實驗上加以驗證。如果這個方案是正確的，這些超對稱的伴粒子必須存在。至少它們中的一部分會在LHC或者一個有更高能量並收集更多數據的未來對撞機上被發現。

原則上講，標準模型可以在普朗克能標以下一直有效。但是，這樣我們就無法解釋電弱能標，或者說無法解釋爲什麼電弱能標和普朗克能標之間的巨大差距。我們必須放棄從一個基本理論出發真正理解我們的世界。我們到目前爲止還沒有放棄的理由。緊緻化的弦理論或M-理論和我們的世界很接近，經過更多的努力，我們很有可能找到那個可以真正描述我們的世界的理論。不幸的是，並沒有很多的理論家在作這方面的工作。

作爲一個這方面嘗試的例子，我們介紹一下我，Bobby Acharya 教授以及其他合作者的工作。我們提出了一個M-理論的緊緻化方案(緊緻在一個很小的G2流形)。我們有很好的理由選擇這個出發點。這樣得到的4維理論自動是超對稱的。我們還證明了這個理論可以自動產生理想的通過引力傳遞的超對稱破缺。這個理論有和標準模型相近的粒子譜，可以有宇稱破缺，並且有可能容納和標準模型一樣的三代物質粒子。它解決了強CP破壞問題，並且解決了等級問題。這個理論還包含了可以作爲暗物質的粒子，以及在宇宙中產生比反物質更多的物質的機制，並且有一個具有和實驗相符的質量的希格斯粒子。這是一個沒有自由參數的理論。研究這樣的理論會是富有成效的。

四、在微擾論的範圍內連接

電弱能標和普朗克能標

我們認爲電弱能標和普朗克能標的連接可以在微擾論的範圍內實現。如果這是對的，那會使我們更有信心地認爲巨大的能標之間的差別是可以由理論出發精確計算的。對微擾論的信心主要是基於兩個線索。第一，我們已知的相互作用的強度可以在一個比普朗克能標低一點的大統一能標上統一。也就是說，如果我們先假定各種相互作用的大小在這個大統一能標上是一樣的。然後，我們用微擾論計算在電弱能標上這些相互作用的強度。我們發現，所得到的結果和我們在電弱能標附近的測量結果相符。如果不同的能標之間沒有聯繫，這就是一個難以置信的巧合。尤其是在超對稱理論中，這個大統一的結果很好的成立。這可以被認爲是超對稱的間接證據。

另外還有一個於此相獨立的線索。如果我們在超對稱理論中通過用微擾論計算希格斯真空期望值來計算電弱能標。從高能出發，我們可以得到正確的結果。如果這和決定能標間的巨大差別沒有關係，這又將是一個巧合。

五、自然性

相比於研究弦理論或者M-理論的緊緻化，有些人更喜歡討論理論的“自然性”。簡單的說，自然性就是指無論什麼對稱性或者機制解決了等級問題，它們一定會預言存在和標準模型的粒子(特別是那些比較重的粒子如W玻色子，Z 玻色子，和頂夸克) 質量相近的新粒子。我們還沒有發現這樣的粒子，不少自然性的支持者對此表示了擔心。

但是，歷史表明這樣的“自然性”的論證常常會令人誤入歧途。頂夸克就是一個很好的例子。當底夸克在1979年被發現後，人們論證說因爲頂夸克和底夸克屬於同一個電弱二重態，它們的質量應該很相似。首先，斯坦福直線加速中心的對撞機提高了對撞能量在3倍於底夸克質量的範圍內尋找頂夸克。沒有找到。同時，日本當時正在建造一個新的對撞機 (“Tristan”)在6倍於底夸克質量的範圍內來尋找頂夸克，結果同樣也沒有找到。事實上，頂夸克的質量是底夸克的41倍，遠比所謂的“自然”的質量大。而與自然性的論證相反的方法從基本理論出發預言質量。頂夸克最終是在1996年在費米實驗室被發現的。

尋找超對稱伴粒子的情況和這個類似。沒有理由認爲自然性可以完全預言這些伴粒子的質量。如果它們的質量和標準模型的粒子相近，那很好。但是我們不知道爲什麼必須是這樣。現在從實驗上可以得出的結論是膠子的超對稱伴粒子的質量至少是頂夸克質量的15倍以上。

六、未來對撞機

我們接下來討論未來的對撞機、中國在這方面的方案和建造對撞機的經濟文化影響。必須指出的是，無論在物理上得到什麼結果，建造一個世界領先的對撞機對經濟發展帶來的促進要比對撞機本身的花費大。我們要在新的高度上探索自然，我們必須要有新的或者改進的技術。這些新的技術一旦出現，它們將會帶動新的經濟增長。對撞機的建設爲發展這樣的新技術提供了最初的有保障的市場，以此從這裏延伸來發展技術遠比新創立的技術公司更容易成功。

中國提出了自己的對撞機方案。首先計劃建設一個正負電子對撞機，CEPC。這是一個坐落在一個很長的隧道當中(周長大約一百千米)的環形對撞機。建造這樣一個對撞機有很強的物理目標。最主要的目標我在前面已經強調過，那就是探索到底希格斯玻色子和標準模型的預言有多接近。目前的實驗測量的誤差還不小(10%~20%)，對標準模型的偏離還有很大的空間。LHC可以最終達到5%的精度，而CEPC可以提高到0.2%。這樣的結果會成爲進一步拓展標準模型的重要線索。另一個重要的目標是在正負電子對撞機上尋找與希格斯粒子類似的粒子。

除了環形正負電子對撞機之外，世界上還有兩個建設直線對撞機的方案。

1. 國際直線對撞機（ILC），計劃在日本建造。第一階段的對撞能量比較低，主要測量希格斯玻色子的性質。其建設資金需要大量國際投入，目前還沒有達成這個目標。

2. 緊湊直線對撞機 (CLIC)，計劃在歐洲核子中心建造。目前正在預研過程中。它可能作爲歐洲核子中心的長期預算的一部分而得到資金建造。這要等到LHC的亮度升級之後，也許還要等到LHC的可能進行的能量升級之後。

以前，不同的國家和地區也同時有過自己運行的對撞機。

對比其他的方案，環形正負電子對撞機有一個很大的優勢。那就是如果需要的話，它可以繼續發展爲第二階段，一個高能質子對撞機。這可以在同一個隧道中進行建設。歐洲核子中心的對撞機正是這樣發展的，大型強子對撞機(LHC)和之前的大型正負電子對撞機(LEP)用的是同一個隧道。一個質子對撞機也可能有不同的階段，先可以是基於現有的強磁鐵製造技術，在磁鐵技術進一步發展以後再提高對撞能量。

LHC或CEPC可能發現新物理的最初征兆。如果是這樣，我們接下來需要發現所有的新粒子並研究它們的性質。W和Z玻色子是20世紀80年代在歐洲核子中心發現的。隨後，正負電子對撞機LEP在CERN建成。它運行了十多年，檢驗標準模型和其他可能的模型的預言，最終確立了標準模型。然後在同一個隧道里，LHC在更高的能量進行質子對撞，並發現了希格斯粒子。這樣一個更高能量的質子對撞機SPPC，在中國也作爲CEPC後繼續發展高能物理實驗的一種可能性被提了出來。在設計CEPC的隧道的時候需要明智地考慮到以後繼續發展的需要。

七、和未來實驗裝置相關的

一些特殊問題

在20世紀80年代後期，美國開始建造一個超級超導對撞機(SSC)。在已經投入了幾十億美元和完成了1/3的建設工程之後，國會撤消了這個項目。中國在這裏能汲取什麼經驗教訓呢？表面上，這個項目的撤銷有不少直接的原因。但是，主要有兩個更深層的原因。首先，SSC選擇了一個過高的對撞能量--40TeV，這是費米實驗室Tevatron對撞機的20倍。與此相比，LHC只作到了Tevatron 7倍的對撞能量。做出這個過份的決定是因爲當時已經知道歐洲核子中心的LHC會有14 TeV的對撞能量，美國的對撞機必須比這個大上幾倍，這樣對於國會來說會好看一點。因爲這樣的政治原因，美國沒能夠以更小的步子前進。把能量增加這麼多導致了費用超出預期，這主要是由於當時並不清楚如何才能實現如此大能量的提高。第二個深層的原因是國會不理解，或者沒人向他們解釋清楚建設對撞機的經濟效益。如此的大裝置的建設會帶來比投資更大的經濟效益，但是沒有人對國會和政府做過關於這方面的清晰的論證。

八、對撞機項目對經濟的影響

主要以LHC爲例，我們來看一下對撞機項目在幾個領域對經濟的影響。其中一些例子還要溯源到費米實驗室和粒子物理學更早期的發展。我們預期未來的對撞機會對經濟有類似的影響。

1. 最大的影響是在一個完全出乎意料的地方--全球資訊網。這是由一個博士後在歐洲核子中心發展出來的技術。他當時的目標是讓世界各地的大學和實驗室能夠得到和分析在歐洲核子中心的數據。伯納斯·李創造了基於網絡實現的hypertext的概念。當時，互聯網(internet)已經存在，但是卻還沒有全球資訊網。這樣，在歐洲核子中心建設LEP對撞機最終導致了亞馬遜、Facebook和谷歌等公司的出現。這對經濟的影響無疑是巨大的，估計超過一萬億美元。

2. 儲存並處理在LHC產生的海量的數據的需要催生了鏈接很多計算機的網絡分佈式計算和雲計算。這些是很多基於網絡的業務的關鍵技術，包括網絡購物和社交平臺。

3. 加速器是一個價值數十億美元的產業，包括在醫學治療、醫用同位素生產和半導體粒子植入等方面的應用。目前全球有大約4萬臺左右的加速器。

4. 粒子物理的探測器技術是一個價值幾十億美元的成像產業的基礎。這項技術和手機有直接的聯繫。

5. Scientific Linux 操作系統是2004年在費米實驗室爲了加速器裝置被開發出來的。一個叫GEHealthcare的公司意識到他們需要類似的操作系統，於是就採用了Scientific Linux。目前，全球有超過3萬臺的醫學成像設備運用基於Scientific Linux的系統去尋找斷骨，腫瘤，器官損傷，等等。這個數字幾年內會翻一番。類似這種對經濟的巨大好處是可以具體估算的。

通過以上例子，我們可以定性地知道對撞機的建設對經濟的好處是巨大的，未來對撞機的建設也將如此。這裏再提兩個有定量結果的例子。

1. 爲了分析粒子物理實驗中的碰撞事例，多年來實驗組開發了兩個軟件，ROOT和Geant。目前ROOT在物理學研究之外有2萬5千個用戶，特別是在金融領域。Geant 在醫學上被普遍用來模擬輻射損傷。我們可以用同等功能的商業軟件或開發類似商業軟件的價格來估計這些軟件對社會的益處，這兩個軟件的效益共值60億歐元。

2. 一項由歐洲核子中心的研究派生的技術--Advanced Accelerator Applications最近被Novartis用39億美元買下。

對於很多類似的例子，我們都可以做這樣可靠的經濟價值估算。

從Robert Solow開始，經濟學家幾十年前就提出一半以上的新工作機會是由科技板塊產生的。在Science一篇文章中( vol 344, p41, April 2014)，J.Owen-Smith 等評論說：“很多小的商家都依靠在國家資助下的科學研究的成果來開發新的產品和服務“，“科學研究的成果在高技術產業中常有出乎意料的反響，即便這些產業集中在離當初的經費支持對象很遠的方向上”，“科研經費的變動更有可能帶來全國性的變化，而不是局部的變化“。

在第三次產業革命的最初幾十年間，高能物理是一個領導力量。下一代高能物理的實驗裝置會對數據獲取、存儲和訪問權限以及材料和技術提出新的要求。這會帶動新的技術革新，成爲第四次產業革命的動力。

九、超越經濟以上的影響

對中國而言，建設一個新的目標遠大的前沿科學工程最大的好處也許是它能吸引很多聰明的年輕中國人投入由好奇心驅使的科學研究。在這個過程中，青年人會對很多不同的科學領域發生興趣，並投身其中，極大地加強中國在科學研究和創新上的實力。在歐洲核子中心畢業的博士中，大約有一半加入到工業界或和轉入粒子物理不同的方向，加強了那些領域。在通過在歐洲核子中心的研究得到博士學位的研究生中，大約有四分之一在粒子物理研究方面得到永久職位。

高能物理實驗對社會的貢獻並不只是經濟上的。很多人的生活質量因此有了提高，延長了壽命，可以更好地和兒孫們以享天年。有沒有其他的辦法可以代替像CEPC 和SPPC這樣的高能對撞機來發現新粒子，或者排除其存在的可能性，或者研究很多新粒子的性質，或者解決

等級問題？答案是否定的。

現在有新的巧妙的辦法可以把質子或電子(或者兩者都可以)加速到更高的能量。但不幸的是，這些新的方法所產生的對撞亮度都太小，不可能產生足夠的碰撞事例來做出新的發現。在LHC發現希格斯粒子的信號，並確認那不是可以和它很像的噪音，需要每個探測器能探測到20萬個碰撞事例。在SSC的年代，有人號稱新的磁鐵技術(例如基於高溫超導)將會替代當時已經廣泛使用的超導磁鐵。幾十年過去了，這種新的磁鐵技術還是沒有發展出來。並且，我們現在對這個領域有了更深入的理解，那樣的技術是不太可能存在的。

那麼，我們是不是可以寄希望於發展出新的理論概念或者理論工具，從而不依靠實驗裝置也能推動物理的發展？不行。當然新的想法可以產生新的理解和領悟。但是，沒有實驗數據，我們不可能知道理論是否真的描述自然界或解釋其規律。如果沒有希格斯玻色子的發現，很多物理學家仍然會對希格斯機制是否是夸克、輕子以及W和Z玻色子質量的起源抱有懷疑。也會懷疑是否是希格斯場給了我們的真空非零的量子數。即便是在發現了希格斯玻色子之後，還有人試圖拒絕接受這樣的解釋。新的理論必然是非比尋常的，沒有實驗數據，它是不會被接受的。爲什麼被接受很重要？一旦足夠多的人接受一個新的東西，物理學界的注意力就會集中在上面。很多理論家會發展它，實驗家會檢驗它，這個領域就會更快地向前發展。

是不是天體物理和宇宙學的新結果，例如對宇宙微波背景輻射的測量，可以爲解決等級問題提供和LHC以及未來對撞機類似的信息呢？不能。沒有從這些方面來的結果可以告訴我們和希格斯玻色子的性質有關的信息(比如它的質量，它和標準模型預言接近的程度等等)。這些結果也不能給我們提供關於宇稱破缺的起源，相互作用的統一，頂夸克質量的來源，等等很多問題的信息。自然，這也不能告訴我們等級問題是如何解決的。

我們是不是應該擔心一個大型的對撞機是否能在中國成功地建成並取得成果？中國的粒子物理學界已經成熟了。他們已經掌握了較低能的對撞機的相關技術，並在北京正負電子對撞機上取得了成功。很多中國粒子物理學家在國際上大的對撞機實驗室工作過，例如歐洲核子中心和費米實驗室。很多正在LHC上工作。當今建造對撞機已經是較爲成熟的技術。對於預算和耗時的估計都會經過專家審定，會基本上正確。如果中國開始這些前沿的科學裝置的建設，國際專家自然會加入到其中幫助這項工作取得最大的成功。

儘管中國的人均國民生產總值（GDP）並沒有發達國家那麼高，中國的國民生產總值卻已經是世界上最大的之一。中國可以負擔得起一個新的對撞機。基於美國國家科學基金2018年科學和工程指標的估計，中國在研發上的總體投入已經和美國一樣。王貽芳指出，CEPC(甚至SPPC)的造價在國民生產總值中所佔的比重不會超過(在科學上非常成功的)北京正負電子對撞機的造價在當時在國民生產總值中所佔的比重。

中國已經有幾個中等規模的科學工程，例如剛成功投入運行的散裂中子源。這個項目由高能物理研究所負責運行，是世界上四個類似的裝置之一。中國正在開始建造另外4箇中等規模的項目，軟X射線自由電子激、光源、加速器驅動系統以及高亮度重離子加速裝置。但是，中國還沒有在一個領域有世界領先的裝置。一個在探索自然的過程中對粒子物理的研究作出過巨大進展的國家會永垂青史。這個國家的科學工作者會得到應有的獎勵和認可，國家的實驗室會成爲這個領域的世界中心，就像現在的歐洲核子中心一樣。

十、結束語

我們看到未來的實驗裝置可以將我們對自然界的認識推向一個新的更深的層次。無論最終物理上的結果是什麼，必然會帶來更大經濟效益的投資。同時，在文化上也會帶來強大的優勢。

擁有一個成功的量子引力理論會改變我們的世界觀(即便我們不關心量子引力本身)。標準模型中的物質粒子可以包含在一個量子引力理論中。這將是一個在高能完備的理論。弦理論太重要了，我們不能只是將它留給弦理論家作這方面的工作。一個量子引力的理論使我們必須解決等級問題。解決等級問題是我們理解世界的至關重要的一步，這是我們的目標。（全文完）

本文選自《現代物理知識》2019年第1期 時光摘編

來源：中科院高能所編輯：AI

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