环形正负电子对撞机(CEPC)计划是中国科学家于年提出的,旨在高能物理领域探索和理解希格斯粒子性质、宇宙早期演化、反物质丢失、寻找暗物质、真空稳定性等一系列未解的关键科学问题和寻找新的物理规律。
最近,一篇名为《杨振宁的最后一战》的文章刷屏朋友圈。中国应不应该花费数百亿建“环形正负电子对撞机”,成为了萦绕在大家心头的“天问”。说句实在话,“环形正负电子对撞机”还真是想回答“天问”的——“遂古之初,谁传道之?上下未形,何由考之?”如果屈原还在,也许真是一位支持者。
用物理学的话说,“天问”相当于“追问终极理论”。20世纪中叶以来,追问终极理论的“天命”落在了高能物理学家的手里。但是,和过去搞高能物理演算费纸不一样,现在搞,费钱。
对于我们来说,理解物理学家之间的争论,跟理解“神仙打架”差不多,还要迈过三座大山:什么是终极理论?为什么要通过“超对称”“弦理论”和对撞机来追求它?花亿人民币造“环形正负电子对撞机”,能干些啥?
同时,必须指出的是,仅仅用两个划分出的对立的派别、个人利益的计算和“结盟”、以及大量想当然的“细节”,来阐释绵延数十年的科学争议、物理问题,是需要我们清醒地打上一个问号的。
“有律在,必须发现它”
年,美国实验物理学家AlbertMichelson说过一句名言:“从众多表面相隔遥远的思想领域出发的路线会聚到……一片共同的土地上来的日子,不会太远了。”
这是19世纪末、20世纪初物理学界的普遍心态。年,普朗克走进慕尼黑大学时,物理学教授PhilipJolly劝他别学自然科学,因为没什么东西可发现了。密利根也回忆过:“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究生,一个学医,另外三个学政治学和社会学,我总被他们嘲笑学的是‘到头了的’物理学科。”
也不是乐观,而是因为大家都绝望了:牛顿和他的追随者,不可能解决所有科学的问题。那么化学的归化学,物理的归物理,反正不可能存在一个“包打天下”的终极理论。
爱因斯坦是那种明确追求终极理论的科学家。他的传记作者说他是“典型的旧约人物,抱着耶和华式的态度——有律在,必须发现它。”爱因斯坦生命的最后30年几乎全部献给了统一场论,但是,这个统一麦克斯韦电磁论和广义相对论的理论,失败了。
爱因斯坦拒绝了“量子力学”。而20世纪20年代中期出现的量子力学,则是17世纪现代物理学诞生以来最深刻的革命,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,物理学需要提供一个数学计算器,让物理学家能够根据任何系统的粒子在某一时刻的位置和速度的数值,去计算它们在未来某一时刻的数值。但是,量子力学引入的是新的描述方法,波函数只告诉人们粒子的可能位置、速度的几率。
高能物理也叫粒子物理,主要研究的就是比原子核更深层次的微观世界中物质的结构性质;以及在很高的能量下,这些物质相互转化的现象,产生这些现象的原因和规律。
图源:中科院高能所
如果组成物质的最基本单位——粒子的规律搞清楚了,离“终极理论”也就真的不远了。但是,20世纪70年代末以来,高能物理学家都是垂头丧气的:标准模型的bug有点多。
首先,标准模型描述了电磁力和强弱力,却没有一个最出名的力——引力。不是高能物理学家故意不加它,而是在模型里描述引力,数学障碍翻不过去。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区别,但是没人知道怎么产生的。最后,这个标准模型只是根据实验得出来的,很多特征显得很“随意”,看上去都推翻了也问题不大。
标准模型的所有问题,多多少少都关联着一个现象——“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标准模型,有一个共同的特征,服从对称性原理。简单来说,对称性原理指的是从不同的角度看某个事物,这个事物都是一样的。比如人的左右脸。
在自然界里,重要的不是事物的对称,而是定律的对称:当我们改变了观察自然现象的角度时,看到的自然定律不改变。无论你在大兴安岭还是夏威夷,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响应。说白了,不需要再考察物质,靠对称性原理加上描述的波函数,就能观察粒子。
所以,标准模型里的“自发对称性破缺”,是高能物理学家目前想知道的事情里面最重要的事情了。
图源:中科院高能所
对这个现象描述得最好的人,是爱丁堡大学的希格斯,他假定解决这个问题需要新粒子存在——希格斯粒子。而且,一旦解决了希格斯粒子,收获还远大于解决了“自发对称性破缺”,连其他粒子的质量也一并解决了。
但是,基本粒子之间存在着巨大的能量差别,观察基本粒子也没有什么好办法,真是“上锁的房间里发生了谋杀案”。于是有人又引入了新的概念“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。
相对于高能物理在标准模型上打转,弦理论引入了一个新的物理实体——弦。它组成了质子、电子和中子,可以看成是光滑的空间结构里的一维的微小裂缝。每根弦都可能处于无限多个可能振动的状态。而且,作为弦理论的数学结果的新的零质量粒子,被认为是真正的引力子——这就解决了标准模型里没有引力的问题。
很多物理学家认为,面对终极理论的大决战就要到来了。
粒子物理学标准模型,希格斯玻色子占据核心位置(图源:LHC