科學(xué)外史II（25）

如果說將粒子加速到1萬億電子伏以上能量，才夠資格稱為大型對(duì)撞機(jī)，那么目前世界上只有一臺(tái)這樣的裝置，即歐洲的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC），由歐洲40個(gè)國(guó)家參與建設(shè)，坐落于瑞士與法國(guó)交界之處。不過，關(guān)于要不要建造大型對(duì)撞機(jī)，長(zhǎng)期在美國(guó)引發(fā)爭(zhēng)論，其超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）也在耗資數(shù)十億美元之后被迫下馬。這樣的爭(zhēng)論甚至蔓延到了中國(guó)。

對(duì)撞機(jī)的前世今生

對(duì)撞機(jī)的基本原理其實(shí)并不復(fù)雜，它源于早期的回旋加速器——將質(zhì)子在環(huán)形軌道的磁場(chǎng)中盡可能加速，讓它們相互撞擊。最初這個(gè)想法是在很小的裝置中實(shí)現(xiàn)的，但后來人們將裝置越做越大，最終大到難以想象的地步。

1919年，英國(guó)物理學(xué)家盧瑟福（E. Rutherford）用天然放射中的粒子撞擊，提出原子模型理論，當(dāng)時(shí)他實(shí)驗(yàn)室中的粒子能量，和現(xiàn)代大型對(duì)撞機(jī)相比是微不足道的，盧瑟福的努力目標(biāo)只是10MeV（1000萬電子伏，1MeV=10⁶電子伏，1電子伏表示1個(gè)電子在1伏電壓加速下獲得的能量）量級(jí)，裝置都是他和助手用手工做出來的，大小可以讓他抱著放在膝頭。1932年在美國(guó)出現(xiàn)的第一臺(tái)直流加速器，能量?jī)H0.4MeV，后來美國(guó)“大科學(xué)”的締造者勞倫斯（E. Lawrence）親手制作的第一臺(tái)回旋加速器，只花了不到100美元。

為了將粒子加速到更高的能量，人們將裝置越做越大。勞倫斯建成的能量為8MeV的加速器重85噸，布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室1952年建成3GeV（3×10⁹電子伏，即30億電子伏）的加速器，勞倫斯實(shí)驗(yàn)室1953年建成的加速器能量達(dá)到6.2GeV。

最初的回旋加速器都是讓被加速的粒子去撞擊靜止的“靶”，但是如果能夠?qū)⑶叭プ矒舻牧Ｗ雍妥鳛?ldquo;靶”的粒子同時(shí)加速，讓它們迎頭相撞，撞擊能量不就更大了嗎？1960年意大利科學(xué)家首次提出這一設(shè)想，并且在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)，于是加速器進(jìn)入對(duì)撞機(jī)時(shí)代。

爭(zhēng)議中的SSC及其下馬

二戰(zhàn)結(jié)束之后，建設(shè)加速器在美國(guó)成為一種象征科學(xué)進(jìn)步、標(biāo)志地區(qū)發(fā)展的時(shí)髦，也成為物理學(xué)家和政客之間博弈的題目。例如1953年芝加哥大學(xué)等15所中西部高校成立了一個(gè)聯(lián)盟“中西部大學(xué)研究協(xié)會(huì)”（MURA），據(jù)格林伯格（D. S. Greenberg）說，聯(lián)盟“唯一目的是在中西部地區(qū)建造和運(yùn)營(yíng)大型粒子加速器”。

這種時(shí)髦不只出現(xiàn)在美國(guó)。一個(gè)非常有趣的例子是，當(dāng)時(shí)美國(guó)和蘇聯(lián)的科學(xué)家都不約而同地夸大對(duì)方在加速器方面的投入，然后以此說事，為自己爭(zhēng)取更多的政府撥款。當(dāng)時(shí)蘇聯(lián)宣稱，在莫斯科附近的杜布納研究所，一座世界上最大的加速器即將完工，能量將高達(dá)10GeV（100億電子伏），將在高能加速器領(lǐng)域長(zhǎng)期領(lǐng)先，這讓冷戰(zhàn)中的美國(guó)科學(xué)界感到焦慮和恐懼。到1956年美國(guó)科學(xué)家首次訪問杜布納，“這種恐懼得到證實(shí)”，回國(guó)后的美國(guó)科學(xué)家“滔滔不絕地表達(dá)焦慮”。據(jù)說杜布納的加速器直徑為700英尺，一派“令人驚嘆的景象”。一個(gè)讓美國(guó)科學(xué)家印象極為深刻的細(xì)節(jié)是：杜布納項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人維克斯勒教授在被問到項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)問題時(shí)表示，建造這一機(jī)器的決定既已下達(dá)，經(jīng)費(fèi)就是無限的。這幾乎讓美國(guó)科學(xué)家以為蘇聯(lián)在搞另一個(gè)曼哈頓工程。

多年后人們當(dāng)然知道，美國(guó)科學(xué)家當(dāng)時(shí)夸大其詞的焦慮和恐懼，并未變成現(xiàn)實(shí)。而他們的蘇聯(lián)同行，其實(shí)也曾向克里姆林宮夸大美國(guó)在高能加速器領(lǐng)域的進(jìn)展，為自己爭(zhēng)取更多的撥款。

在冷戰(zhàn)的歷史背景中，美國(guó)的超導(dǎo)超級(jí)對(duì)撞機(jī)（SSC）設(shè)想于1982年提出，計(jì)劃中要將質(zhì)子加速到20TeV（20×10¹²電子伏，即20萬億電子伏），約相當(dāng)于歐洲現(xiàn)存的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的三倍（LHC能將質(zhì)子加速到7TeV）。但是時(shí)移世易，這個(gè)空前宏大的計(jì)劃，沒有以往成功的那些加速器/對(duì)撞機(jī)那么幸運(yùn)了。

SSC項(xiàng)目啟動(dòng)幾年之后，冷戰(zhàn)就以西方集團(tuán)的勝利而結(jié)束，曾經(jīng)被大肆渲染的蘇聯(lián)在高能物理領(lǐng)域領(lǐng)先的恐懼霎時(shí)煙消云散。而這種大型裝置的建設(shè)，又難免曠日持久而且費(fèi)用浩繁（歐洲建設(shè)LHC花了25年，100億美元），質(zhì)疑的聲音漸漸就大了起來。

曾擔(dān)任美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室主任的阿爾文·溫伯格（A. Weinberg），似乎更應(yīng)該力挺SSC，卻成了反對(duì)派，他認(rèn)為國(guó)家將巨額科研經(jīng)費(fèi)花在SSC這樣的項(xiàng)目上有害無益。他針對(duì)這類“大科學(xué)”項(xiàng)目提出三個(gè)問題：它會(huì)不會(huì)破壞科學(xué)？它會(huì)不會(huì)在經(jīng)濟(jì)上毀了美國(guó)？我們是否應(yīng)該將這些資金用于根除疾病或其他直接有助于人類福祉的努力，而不是用于太空旅行或粒子物理之類的“壯觀”方面？也有物理學(xué)家很早就表示：“我們目前并不期望高能物理學(xué)在不久的將來會(huì)有實(shí)際效益。”

當(dāng)然有不少物理學(xué)家為SSC辯護(hù)，但他們的理由不外乎滿足科學(xué)家的好奇心、了解自然規(guī)律、尋找“上帝粒子”、學(xué)術(shù)自由之類，而這些理由已經(jīng)很難說服質(zhì)疑者。力挺SSC的物理學(xué)家斯蒂芬·溫伯格（S. Weinberg）不止一次提到一件事，他問一位議員：SSC能幫助我們了解自然規(guī)律，這值不值得優(yōu)先考慮？議員明確回答：“不值得。”在這個(gè)問答中，雙方都認(rèn)為自己的意見是天經(jīng)地義的。

最終，物理學(xué)家無法說服議員們同意繼續(xù)建造SSC這件“大玩具”，1993年SSC項(xiàng)目被國(guó)會(huì)否決，半途而廢。

楊振寧明確反對(duì)

SSC下馬之后，世界上只剩下歐洲的LHC仍繼續(xù)建設(shè)，最終在2008年建成，在2012年發(fā)現(xiàn)了所謂的“上帝粒子”（希格斯玻色子）。然而這既沒有讓歐洲在科技上勝過美國(guó)，也沒有帶來物理學(xué)上的突破。

隨著中國(guó)的崛起，一些人又將建造“大玩具”的希望寄托到了中國(guó)。2010年代國(guó)內(nèi)曾出現(xiàn)一波關(guān)于中國(guó)要不要建造大型對(duì)撞機(jī)的激烈爭(zhēng)論，楊振寧明確表示反對(duì)意見，而他的這個(gè)意見源于40年前他對(duì)物理學(xué)發(fā)展前景的洞察。

1972年楊振寧第二次回國(guó)，從6月27日～7月5日，被安排與中國(guó)科技界進(jìn)行10場(chǎng)演講和座談。在一次座談會(huì)上，他就明確表示：“對(duì)于造1萬億電子伏的加速器我不樂觀。”他的意思是說，對(duì)于高能物理的發(fā)展，此后主要不是加大加速器/對(duì)撞機(jī)的能量，而是需要物理觀念的突破。有人提到日本打算花1億美元造10GeV（100億電子伏）加速器之事，當(dāng)時(shí)楊振寧也認(rèn)為沒有必要。

楊振寧在座談會(huì)結(jié)束時(shí)表示：“在座的有許多位贊成中國(guó)造大加速器，這是我沒有預(yù)料到的。對(duì)我來說，這個(gè)問題是很明顯的，造貴的加速器與目前中國(guó)的需要不符合……我相信，我的想法是對(duì)的。”

40年后，針對(duì)在中國(guó)造大型對(duì)撞機(jī)的呼吁，楊振寧于2016年9月4日在《知識(shí)分子》發(fā)表長(zhǎng)文，再次明確表示反對(duì)。他還在2019年一次采訪中明確指出：“這領(lǐng)域不只是從今天開始，而是從30年以前開始，就已經(jīng)走在末路上了……The party is over”——“盛筵不再”，這是一個(gè)曾經(jīng)在物理學(xué)上青史留名的智者的真誠告誡。

(作者系上海交通大學(xué)講席教授，科學(xué)史與科學(xué)文化研究院首任院長(zhǎng))