温伯格:大科学的危机

温伯格 赛先生 2016-09-05



作者  史蒂夫·温伯格 (1979年诺贝尔奖得主,理论物理学家)

翻译 鲜于中之 (哈佛大学理论物理博士后)



温伯格,摄于2010年(图片来源:维基百科)


物理学家们去年纪念了原子核物理学的百年诞辰。1911年,在位于曼彻斯特的实验室中,欧内斯特•卢瑟福( Ernest Rutherford )将放射性衰变产生的带电粒子束引向一片金箔。当时,人们普遍认为原子的质量均匀分布,如同布丁一样。果真如此,镭元素发射的带电粒子就应该几乎无偏转地穿过金箔。使卢瑟福意外的是,一些粒子在金箔上被径直反弹回来。这意味着,它们被金原子中某种很小、但很重的东西所排斥。卢瑟福认为这就是原子的核。电子绕着它旋转,就像行星绕着太阳一般。

这是伟大的科学发现,但我们并不称其为“大科学”。卢瑟福的实验团队包括一名博士后与一名本科生。伦敦的皇家学会为此提供了70英镑的经费。实验中最昂贵的东西是镭样品,但卢瑟福不必为此买单——因为它是从奥地利科学院借来的。

从那以后,核物理迅速变“大”了。卢瑟福实验中的带电粒子束能量不够高,它们还不能穿透金原子核的电斥力并进入原子核自身。为了敲开原子核以搞清楚它们究竟是什么,物理学家在二十世纪三十年代发明了回旋加速器,以及能够将带电粒子加速到更高能量的其它机器。后来,布鲁克海文实验室的前主任莫里斯•戈德哈贝( Maurice Goldhaber )回忆道:

“首先敲碎原子核的人是卢瑟福,他有一张将实验仪器搁在腿上的相片。这总使我想起另一张后来的相片,那是伯克利著名的回旋加速器建成的时候,所有人都坐在加速器的‘腿’上。”



二战后,新的加速器建成了。不过人们的目标已然改变。此前,物理学家在观测宇宙线时发现了一些新的基本粒子,它们与普通原子中的任何粒子都不同。为了研究这种新物质,需要大量地人为生产它们。为此,物理学家必须将普通粒子,比如质子(也就是氢的原子核),加速到更高能量,以便当这些高能粒子打向固定靶上的原子时,它们的能量足以转化成新粒子的质量。当然,创造加速器能量的最高纪录、或收集越来越多的奇怪粒子,并不是要紧的事情。物理学家建造这些加速器的真正意图在于,通过创造新的物质种类,来探寻所有物质种类所服从的自然规律。虽然许多物理学家更青睐卢瑟福式的小规模实验,但这种上下求索的精神迫使物理学越变越大。 

我于1959年来到伯克利辐射实验室做博士后。当时,伯克利有全世界最强大的加速器“Bevatron”。在校园的山坡上,它占据了一整套建筑。人们利用Bevatron将质子加速到足够高的能量,然后用这些高能质子创造反质子。不出意料,反质子出现了。然而出乎意料的是,上百种新的不稳定粒子也一并被创造了出来。这些新粒子的种类如此多,以至于很难都被认为是基本的。因此我们开始怀疑自己到底是否清楚“基本粒子”是什么意思。一切都令人困惑,但也令人激动。

Bevatron运转了十年之后,人们开始明白,为了理解这些新发现的粒子,需要更高能的新一代加速器。这些新加速器将会非常大,不要说伯克利的山上盛不下,它们中的很多方案甚至大到无法靠一所大学独立支持。不过这就算是伯克利的危机,也还不是物理学的危机。新的加速器在芝加哥城外的费米实验室、日内瓦附近的欧洲核子中心( CERN ),以及美国和欧洲的其它实验室被相继建造起来。一座大楼已经容纳不下它巨大的身躯,它只好和伊利诺伊草场上放牧的牛群相伴了。


Bevatron(图片来源:Lawrence Berkeley lab)

到七十年代中期,这些实验室产生的数据与理论家的工作一道,创造了一个关于粒子与力的全面理论。现在这理论已被很好地证实,人们称之为“标准模型”。在这理论中,有若干种基本粒子。它包括,参与强相互作用的夸克——它们构成原子核中的质子和中子,以及在五六十年代被发现的大多数粒子;还有轻子,它们的相互作用很弱。电子是轻子的典型代表。


“标准模型”中的基本粒子。紫色的是夸克,绿色的是轻子。u,d夸克和e电子组成了我们所有的物质。红色的是传播相互作用的“荷力粒子”。黄色的是新发现的希格斯粒子。

此外还有“荷力粒子”。它们在夸克与轻子间运动,并产生各种力。这些粒子包括:(1) 光子,即构成光的粒子。它们负责传递电磁力。(2) 与光子相近的粒子,称为W玻色子与Z玻色子。它们负责传递弱核力。这种力使夸克(或轻子)在不同的种类间相互变化。比如,在碳-14变成氮-14的过程中,它允许带负电的“下夸克”变成带正电的“上夸克”。而这个过程可帮助人们判定年代。(3) 无质量的胶子。它们产生强核力。这种力将夸克绑在质子与中子里。

尽管标准模型很成功,但它显然还不是大结局。首先,在这理论中,到目前为止,夸克与轻子的质量还得靠实验确定,而没能从某些基本原理导出。我们已经盯着这些质量表看了几十年。我们觉得应当去理解它们,但直到现在还不能。这很像解读一种被遗忘的铭文,比如线形文字A。同时,还有一些重要的东西未被包含进标准模型,比如引力,比如暗物质。天文学家告诉我们,后者构成了宇宙中所有物质的六分之五。

所以我们正在等待CERN的新加速器的结果,我们希望借它之力迈出超越标准模型的下一步。这就是大型强子对撞机,简称LHC。这是建在地下的环状机器,直径17英里,跨越瑞士与法国的边界。在这机器中,两束质子在相反的方向上被加速。最终,每一束将被加速到7TeV,相当于质子质量的7500倍。这两束质子在环上的几个站点对撞,在这些站点上,重达二战时期巡洋舰量级的探测器分拣出各种对撞产生的粒子。

对于LHC上即将产生的一些新东西,物理学家期待已久。统一弱核力与电磁力的理论,作为标准模型的一部分,出现于1967-1968年。这理论的基础在于电磁力与弱核力的完全对称性。携带弱核力的WZ粒子,以及携带电磁力的光子,都以无质量粒子的形式出现在这理论的方程中。但是,尽管光子的确是无质量的,WZ粒子却相当重。所以,有理由料想这种电磁力和弱核力之间的对称性是破损的——也就是说,这对称性虽然为理论的方程所精确满足,但它并不呈现在观测到的粒子与力上。

关于电弱对称性如何破缺,最初的理论提出于1967-1968年。它至今仍是最简单的理论。这理论中包括四种弥漫于宇宙中的新场。其中一种场的能量集团在自然界中以粒子的形式出现。这粒子具有非零的质量、不稳定、且不带电。它被称为希格斯玻色子[1]。除了质量,它的所有性质都已为1967-1968年的电弱理论所预言。然而这种粒子至今未被观测到。这就是LHC要寻找希格斯的原因——如果找到了,那么电弱理论的最简版本就被证实了。在201112月,两个实验组报告了希格斯在LHC中被创造出来的迹象,其质量为质子的133倍。而在费米实验室的旧数据中,分析显示了具有相同质量的希格斯玻色子的信号。到2012年底,我们就会知道希格斯玻色子究竟被看到了没有。(编者注:此文发表于2012年5月。2012年7月4日,欧洲核子研究组织(CERN)宣布,大型强子对撞机的CMS装置探测到质量为125.3±0.6 GeV的新玻色子,ATLAS装置测量到质量为126.5±0.6 GeV的新玻色子。2013年3月14日,欧洲核子研究组织正式宣布,先前探测到的新粒子暂时确认为希格斯玻色子,其具有零自旋与偶宇称。这是希格斯玻色子的两个基本性质。)

发现希格斯玻色子将会令人满意地验证现有理论,但它并不会指出通向未来更全面理论的道路。我们可以指望,就像Bevatron那样,LHC上最令人激动的发现将是某种出乎意料的东西。但无论如何,很难看出它将带我们一路走到包含引力的终极理论。所以在今后十年,物理学家很可能会去向他们的政府寻求支持,以建造他们所需的更强大的新加速器。



这将会困难重重。我的悲观部分地来源于我在80-90年代试图为另一个大加速器寻求资助的经历。

在上世纪80年代早期,美国开始计划建造超导超级加速器,简称SSC。它可将质子加速到20TeV,是CERN的大型强子对撞机最高能量的三倍。经过十年的工作,设计完成了。地点选在了德克萨斯。人们买好了地,开始建隧道,并制造操纵质子的磁铁。

然而到了1992年,众议院取消了对SSC的资助。尽管参议院的一次委员会恢复了这笔款项,但第二年覆辙重蹈。而这次,众议院不打算听取支持SSC的意见。于是,在已经耗费了二十亿美元,以及相当于数千人一年的工作量之后,SSC夭折了。

扼杀SSC原因之一是其名不副实的过分开销。在当初的预算中,居然包括行政大楼走廊中盆栽植物的款项。预算当然因此而增加,但个中原因在于,国会历年来从未提供达到预算的资助。这无疑延长的项目的完成时间,同时也增加了花费。即使如此,考虑进所有的技术困难,SSC也有可能用相当于已投入到LHC的经费建成,并且比LHC早十年。

SSC而破费成了1992年新一届国会议员争相攻击的靶子。他们渴望展示自己从这块德克萨斯肥肉上切下一刀的本事,却对SSC面临的紧要关头毫无意识。冷战结束了,SSC没有了立竿见影的实用价值。对此,物理学家们会指出高能物理的副产品,包括同步辐射和万维网。在促进新发明的意义上,大科学与战争在技术层面是等价的,而前者不会伤人性命。但我们无法预先承诺这副产品的兑现。

刺激粒子物理学家的根本动机在于理解这个世界的规律。他们坚信,这是一个由简单而普适的规律所掌控的世界。这规律简单到我们有能力发现它。但是并非所有人都感受到其重要性。在关于SSC的争论期间,我与一位反对它的国会议员参加了拉里•金( Larry King )脱口秀。这位议员说他并不反对为科学花钱,但需要排出优先级。我解释道,SSC能帮助我们了解自然的规律,并问他难道这还不足以赢得高的优先级。我记得他回答的每一个字,那就是“不。” 

刺激议员们的动机在于选民们的直接经济利益。大规模实验室为其周边地区带来了金钱与就业机会,因而它们得到当地议员的热捧,却遭到许多其他议员冷眼相对。一位参议员告诉我,在选址德克萨斯之前,有上百位参议员支持SSC,然而一旦地址敲定,支持的人数就跌至两人。他的话并不离谱。我们的确目睹了数位议员在他们的老家从选址方案中被划去后,旋即改变了态度。

折磨着SSC的另一个麻烦是科学家内部的竞争。所有领域的科学家们大体上都同意SSC会产生好的科学成果,但是一些科学家则认为最好将这些金钱投入到别的领域中,比如他们自己的。SSC无可救药地为新当选的美国物理学会主席所反对。这位固体物理学家认为,最好将SSC的经费用在,比如说,固体物理上。然而我兴味索然地注意到,SSC下马所省下的经费完全没有流入到任何其他科学领域。


位于德克萨斯的超导超级对撞机地下隧道的建设(图片来源:SSC实验室)

当物理学家们为超越LHC的下一代加速器而转向他们的政府时,所有这些问题都会再次出现,而且情况只会更糟,因为下一代加速器很可能来自国际合作。近来,我们就目睹了可控热核能源实验室ITER如何因法国与日本的选址竞争而险遭取消的事情。

当然,不建造新加速器,基础物理学仍然有事可做。我们将继续寻找稀有事例,比如,人们指望质子有极其缓慢的放射性衰变。关于中微子,我们也有许多工作要做。我们从天文学家那里也获得了有用的信息。但是我不相信,在不推进高能前沿的条件下,我们还能产生任何显著进步。所以在未来十年,我们也许将看到探索自然规律的步伐渐行渐止,且在我们有生之年重启无望。

科研经费是所有领域的共同问题。在过去十年中,自然科学基金( NSF )批准经费申请的比例从百分之33下降到百分之23。可是大科学所特有的问题就在于它们很难被做小,比如在圆周上建半个加速器隧道只能是徒劳无益。






天文学的历史与物理学相去甚远,但现在它也被卷入类似的难题中。在政府坚实的资助下,天文学较物理学更早地成为大科学。这是因为,它历来具有物理学所缺乏的实用性[2]。在古代,天文学被用于测距、航海、计时和历法。它还能以占星术的形式预测未来。政府专门为其设立研究机构。比如希腊化时期的亚历山大博物馆、九世纪巴格达的智慧宫、兀鲁伯( Ulugh Beg )15世纪20年代在撒马尔罕建立的大天文台。第谷•布拉赫( Tycho Brahe )的天文台“乌拉尼亚堡”( Uraniborg )建在丹麦国王于1576年专门为此辟出的海岛上。此外还有英国的格林威治天文台,以及后来的美国海军天文台。

到了19世纪,有钱人开始以私人名义对天文学慷慨投资。第三代罗斯伯爵( The third Earl of Rosse )使用其家设天文台中名唤“利维坦”( Leviathan )的巨型望远镜,发现了星云(现认为是星系)中的旋臂。在美国,天文台和望远镜则沿用其捐赠者的名字,比如LickYerkesHooker,以及更晚近的KeckHobbyEberly

但天文学家今天面临的任务已经超出了个人的财力所及。为了避免大气对成像的干扰,也为了观察被大气屏蔽的波段,我们不得不将天文台送到太空中。得益于“宇宙背景探索者”、“哈勃空间望远镜”、“威尔金森微波各向异性探测器”这样的卫星探测器,与先进的地面天文台的合作,宇宙学业已经历一场革命。我们现在知道,宇宙的上一次大爆炸发生于137亿年前。我们还有很好的证据表明,宇宙在此前经历了一段指数速度的快速膨胀,称为“暴涨”。

但宇宙学正面临停滞的危险,一如基本粒子物理在近几十年里所陷入的窘境。当前,有各种理论来解释1998年发现的宇宙加速膨胀,但我们还没有得到检验这些理论的观测结果。通过对早期宇宙遗留的微波辐射的观察,我们大体上确认了早期宇宙的暴涨,但还不能给出参与暴涨的物理过程的细节。我们需要新的卫星探测器,但它会被资助吗?

作为计划中取代哈勃太空望远镜的下一步,詹姆斯•韦伯( James Webb )太空望远镜最近的经历使人不安地回想起SSC的历史。奥巴马政府去年提供的经费水平可使该项目继续进行,但不足以将望远镜送到轨道上。众议院拨款委员会于七月份投票完全取消了韦伯望远镜项目。其中也涉及到关于预算膨胀的抱怨。但是正如SSC的情形,大多数经费增长是由于项目常年未得到足够的资助。对该望远镜的资助最近刚被恢复,但经费的前景仍然黯淡。这个计划已不再由NASA的科学项目理事会所掌管。韦伯项目在技术上表现出色,人们也已为其投入了数十亿美元。虽然SSC也是如此,但还是没能挽回它下马的命运。

与此同时,在过去几年中NASA的天文学家得到的资助也下降了。美国国家研究委员会于2010年完成了对未来天文学的十年规划,并排出了新建太空观测站的优先级。排第一的是WFIRST,一个红外巡天望远镜,接下来是“探索者”,一个与威尔金森微波各向异性探测器尺寸相仿的中量级观测站项目,然后是LISA,一个引力波探测器,最后是国际X射线探测器。目前尚无任何资金投入这些项目的预算中。

在这大科学的萧条期,欧洲仍在接手一些大项目,比如LHC,比如一架名为普朗克( Planck )的新的微波卫星探测器。但是欧洲的财政问题比美国还糟。欧盟委员会正考虑从他们的预算中删去一些大的科学项目。

在美国,基于太空观测的天文学有一个特别的困难,那就是负责此项工作的政府机构往往更青睐载人航天飞行。但这对科学本身几无贡献。近年来对天文学做出如此巨大贡献的太空探测器没有一个是载人的。的确,国际空间站部分地起到科学实验室的作用,但它从来没有产生出任何重要的科学结果。去年,一架宇宙线探测器被搬到了空间站上(在NASA试图将其从航天飞机的任务计划中删去之后),这是空间站第一次能够为科学做出显著贡献的机会。但是宇航员在其中不扮演任何角色。所以这本来可以通过无人卫星的方式来廉价地实现。

国际空间站对SSC的下马也负有部分责任。两者于1993年都经历了国会关键的投票。由于空间站的地面控制点在休斯敦,所以两者都属于德克萨斯州的项目。在表明对SSC的积极支持之后,克林顿政府于1993年却决定在德州只支持一个大项目,并最终选定了空间站。国会成员对这两者间的区别知之甚少。在一次参议院会议前的听证会上,我听到一位议员说,他知道空间站如何能够帮助我们了解宇宙,但他无法理解SSC能做什么。我欲哭无泪。如同我事后写道,国际空间站的优点就在于它比SSC的花费高十倍,所以NASA能藉此与许多州签订合约。也许如果SSC花费更多,它就不会被撤销了。



大科学要寻求政府资助,其竞争对象不只包括载人航天器或者其他实实在在的科学项目,还包括许多我们需要政府去做的事情。我们对教育的投入还无法吸引最好的大学毕业生去做教师;我们的旅客正排着长队;与欧洲和东亚相比我们的因特网服务正日渐落后;我们缺乏足够的专利评审员来应付被无限拖延的专利申请;一些监狱人满为患且缺乏管理人员,这本身就如同残忍的刑罚;我们还缺法官,民事诉讼在受理前往往是经年累月的等待。

此外,证券交易委员会缺乏足够的人手去应付所辖公司;我们还缺乏足够的戒毒中心以帮助药物成瘾者;911之后警察与消防员的数量也在下降;尚有许多美国人得不到适当的医疗护理,等等。事实上,比起科学事务,本届国会在许多其他问题上做得更糟。如果国会还要将年后的非军事经费下调百分之八,那所有问题只会雪上加霜。

我们最好不要为了保卫科学而去攻击政府在其他需求领域的花费。我们注定失败,而且应当失败。几年前,我与德州众议院的一位拨款委员会成员共进晚餐。讲到德州需要更多的高等教育经费时,她侃侃而谈。我对此印象深刻。哪个州立大学的教授不爱听这个?我天真地问她打算增加哪方面的税收。她回答,“哦不,我可不想增税,我们可以从卫生保障中拿出钱来。”我们不应落入这等境地。

对我来说,要紧的问题似乎并不是为了某种特别的公共需求而辩论,而是,所有为此殚精竭虑的人们应当一道争取更高和更进步的税率,特别是投资所得的税率。我不是经济学家,但与经济学家的交流使我意识到,政府将税收实打实地合理使用,比减税更能刺激经济的发展。认为我们负担不起政府日益增长的开销,这完全是谬论。然而在为反税狂热所蛊惑的公众面前,这样的观点无异于政治毒药。与科学的危机相比,这才是真正的危机。[3]

 注释


[1] 在弗兰克•克洛斯( Frank Close )的新书《无尽困惑》( The Infinity Puzzle, Basis Books, 2011 )中,他指出我应当为“希格斯粒子”这个错误的名字负一定责任。在我1967年关于电弱统一的论文里,我引用了彼得•希格斯( Peter Higgs )与另两组理论家的工作。在荷力粒子的一般理论中,他们都探索了对称性破缺的数学问题,尽管他们并没有将此应用于电弱作用力。1961年以后,人们知道了,对称性破缺理论的一个典型结果是包含新粒子。我在1967年的文章中预言了这一大类粒子中的一个特例,这就是LHC目前正在寻找的希格斯玻色子。

至于我对“希格斯玻色子”这个名称的责任,则缘于我对这三篇论文日期的误读。我当初以为希格斯的论文出现最早,所以在1967年的论文中将它引在最前面,并且此后一直都是这么做的。其他物理学家貌似都照着我的方式做。但是正如克洛斯所指出的,我引用的三篇论文中,最早的其实是罗伯特•布劳特(Robert Brout)与弗朗索瓦•盎格莱尔( François Englert )的文章。为减轻我的过错,我得说,希格斯、布劳特与盎格莱尔的工作是几乎同时地独立做出的,第三组理论家( Gerald Guralnik, C.R. Hagen,Tom Kibble )的情况也是如此。但是“希格斯玻色子”的名字似乎已经定型了。

[2] 对此我在《天文学的使命》( The Missions of Astronomy, The New York Review , October 22, 2009 )中有更多阐述。

[3] 这篇文章基于两次演讲:201164日在纽约举行的世界科学庆典“站在巨人肩上”的开幕演讲,以及美国天文学会在201219日奥斯汀会议上的大会报告。


本文译自《纽约书评》杂志2012年5月10日号

http://www.nybooks.com/articles/2012/05/10/crisis-big-science/?pagination=false


延伸阅读

① 对话诺奖得主温伯格:物理学的基本问题和未来

② 温伯格新书:当代最知名物理大师点评自古以来科学大师 | 周末读书

③ 诺奖得主温伯格:爱因斯坦的错误



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更新 9月7日 7:18